巴西南马托格罗索州潘塔纳尔地区全新世期间的气候变化、植被与土壤

《Quaternary International》：Climatic variations, vegetation and soils during the Holocene in the Pantanal of Mato Grosso do Sul, Brazil

　　

摘要

本研究采用多指标方法，结合植硅体分析、同位素数据（δ13C、δ15N）、放射性碳定年、腐殖质以及传统土壤学技术，调查了巴西南潘塔纳尔低地讷科尔朗迪亚地区的全新世古环境变化。共分析了来自低地讷科尔朗迪亚的六个土壤剖面（淡水湖和咸水湖），以研究植被动态、气候变化和土壤形成过程。这些土壤在地下部分具有深色层（尤其在淡水剖面中）、铝积累、钠离子含量较高，以及pH值从中性到强碱性的特征。我们的结果表明，从中全新世（约5160年校正碳十四年BP）到晚全新世（约2453–1488年校正碳十四年BP）期间发生了环境变化。多指标证据表明，中全新世期间气候相对干燥，伴随C3–C4混合植被。2453年校正碳十四年BP之后，气候条件逐渐变得湿润，伴随更频繁的洪涝和更高的水位。从1488年校正碳十四年BP至今，植硅体指数表明温暖的湿润条件有利于C3植被的建立和典型稀树草原群落的发育。主成分分析和淡水湖土壤剖面FW1的层序聚类对此趋势进行了验证，识别出三个层序带，反映了此期间植硅体组合和有机质组成的时间变化。结果表明，讷科尔朗迪亚现今淡水湖和咸水湖系统的土壤是中全新世和晚全新世期间环境变化、土壤发育演化以及持续进行的生物地球化学过程长期相互作用的结果。

引言

潘塔纳尔位于南美洲中部地区，被认为是地球上最大的热带湿地，面积约为195,000平方公里（Merino and Assine, 2020；Keddy et al., 2009）。在巴西境内，其面积约为138,183平方公里，分布在马托格罗索州和马托格罗索南部州之间，分别占35%和65%（Silva and Abdon, 1998）。由于其季节性洪泛脉冲、水文格局和土壤多样性（Oliveira et al., 2022；Menezes et al., 2022），潘塔纳尔被划分为十一个子区域（Silva and Abdon, 1998），各子区域具有不同的植被外貌。潘塔纳尔因此转化了流域的广大区域，为野生动物提供了关键的栖息地和庇护所，并孕育了多样的植物区系（Durigan et al., 2022）。

潘塔纳尔的植被外貌与不同的巴西生物群落呈过渡关系，如北部的亚马逊、北、南和东部的塞拉多、西南部的查科以及西北部的旱林（Ab'Sáber, 2006）。此外，潘塔纳尔内还存在由湖泊、沼泽、河流、河道和分流扇构成的复杂静水与流水生态系统（Assine and Soares, 2004；McGlue et al., 2017；Rasbold et al., 2024）。

讷科尔朗迪亚子区域位于南潘塔纳尔，面积为26,921平方公里，约占潘塔纳尔总面积的20%（Silva and Abdon, 1998），主要由第四纪塔夸里河流域的沙质沉积物构成（Assine and Soares, 2004）。该区域地形平坦，每年有3至4个月的周期性洪水（Sousa, 2003），动物、植物（Tortato and Izzo, 2017；Girard et al., 2010）和土壤（Couto et al., 2017；Schiavo et al., 2012；Oliveira et al., 2022）多样性丰富。具体而言，西南区域（低地讷科尔朗迪亚）的特点是存在圆形湖泊，可为淡水湖（baías）或咸水湖，湖泊之间还分布着当地所称的"cordilheiras"（沙丘）、"vazantes"（临时河道）和"corixos"（周期性水道）等地貌（Boin et al., 2019）。

低地讷科尔朗迪亚的景观多样性是潘塔纳尔自更新世末期以来复杂环境变化历史的遗迹，这些变化记录在土壤中，但迄今研究甚少。在低地讷科尔朗迪亚进行的少数古环境重建工作都是在咸水湖中完成的（Rasbold et al., 2024）。咸水湖因其为孤立环境（McGlue et al., 2017；Becker et al., 2018；Guerreiro et al., 2018；Rasbold et al., 2024），具有保存完整沉积记录的可能性，但其特殊特性（植物、动物和土壤）使得环境变化的记录难以保存。另一方面，淡水湖具有更丰富的植物多样性，有机碳积累量更高（表层为8.1至110.5 g kg?1，下层为1.3至5.5 g kg?1），pH值介于5至7之间，并含有Na?和盐分（Schiavo et al., 2012；Menezes et al., 2022），使其更有利于保存环境变化的指示物。然而，为了更好地理解景观的古环境重建，同时研究淡水湖和咸水湖十分重要。

通过环境生物指示物（如植硅体）可获得有价值的信息。巴西各地已开展多项多指标研究，以了解环境变化的机制和轨迹（Calegari et al., 2022）。利用植硅体分析、同位素数据（δ13C和δ15N）及放射性碳定年的多指标研究，结合传统土壤学方法，能够提供对过去景观的更全面理解（Calegari et al., 2013；Calegari et al., 2017；Silva Neto et al., 2024）。然而，低地讷科尔朗迪亚（湿地）区域的多指标研究仍然匮乏（Rasbold et al., 2024）。

除了碳研究之外，腐殖质是土壤形成和环境变化的关键指标。其组成、分布和腐殖化程度反映了成土过程，并对气候变化和植被变化敏感。森林来源的有机质促进更高度腐殖化的组分形成，而草原和农业系统则产生更多的活性组分。因此，腐殖质可作为土壤发育以及气候变化驱动的环境动态的可靠替代指标（Egli et al., 2010；Lipczynska-Kochany, 2018）。

本研究的假设是，淡水湖和咸水湖生态系统中植被和土壤的变化是全新世古气候振荡的结果，而植硅体分析、同位素数据（δ13C和δ15N）及放射性碳定年的运用对于阐明该区域的古气候演化至关重要。

本研究在巴西马托格罗索南部州西南部的科鲁姆巴市、南潘塔纳尔低地讷科尔朗迪亚子区域进行（图1）。该地区气候为热带超湿气候，5月至9月为干季，10月至次年4月为雨季（柯本气候分类为Aw）。年平均降水量为1100毫米，相对湿度在50%至75%之间（Ramos et al., 2009；Soriano and Galdino, 2002）。年均最高温度可达40°C，年均最低温度为20.3°C（Ramos et al., 2009；Soriano and Galdino, 2002）。该区域年潜在蒸散发量约为1400毫米，导致年水分亏缺超过300毫米（Alfonsi and Camargo, 1986）。

讷科尔朗迪亚位于塔夸里河冲积扇的南部。该区域的特点是存在圆形淡水或咸水湖泊。湖泊之间分布着"cordilheiras"（沙丘）、"vazantes"（临时河道）和"corixos"（周期性水道）（Boin et al., 2019）。"Vazantes"是连接淡水湖的数公里长的临时河道，雨季时有水，但平时可以干涸。"Corixos"是连接相邻湖泊的小型周期性水道。"Cordilheiras"比周围湖面高出约2米（Candido et al., 2017）。咸水湖比沙丘低2-3米，主要靠雨水补给，很少被洪水淹没或干涸（Almeida et al., 2003；Freitas et al., 2019；Furquim et al., 2008, 2010；Furquim and Vidoca, 2021；Oliveira et al., 2022）。

讷科尔朗迪亚子区域地势平坦，坡度平缓，坡度极小，范围在0.02°至0.03°之间，海拔从80米到170米不等。由于海拔较低，该区域易受季节性洪水影响（Furquim et al., 2017；Assine et al., 2015），洪水在雨季开始后两至三个月出现（Hamilton et al., 1996）。洪泛脉冲在干季（6月至7月）在包括讷科尔朗迪亚在内的最南端子区域达到峰值（Hamilton et al., 1996）。

讷科尔朗迪亚地区的沉积物由潘塔纳尔地层衍生而来，主要为沙质沉积物。底层代表古老冲积平原，中层为次新冲积层，上层为近代冲积层（BRASIL, 1992）。这些沉积物来源于周围高原物质的风化，其中大部分物质源自马拉加茹高原（Almeida et al., 2010）。该地区的土壤以砂质、深厚、湿地发育型为主（Sousa, 2003），主要土壤类型包括灰化土、钠积土和石英砂质新土（Couto et al., 2017；Oliveira et al., 2022）。

在本研究中，为了更好地代表低地讷科尔朗迪亚区域，选择了两个环境进行研究：一个咸水湖和一个淡水湖。选择湖泊是因为它们是孤立环境，仅靠雨水补给，且含有古环境重建研究中所使用的生物指示物。与咸水湖相比，淡水湖具有更好的指示物，因此大部分分析集中在此环境中。咸水湖环境的详细土壤研究已由Oliveira et al.（2022）完成。

各节摘要

描述、采样和土壤剖面特征化

共开挖了六个剖面，其中三个在淡水湖，三个在咸水湖。在淡水湖（采样时已干涸）中，剖面FW1、FW2和FW3分别设置在中心、边缘和边缘地带（18° 59′ 34″ S，56° 36′ 15″ W，海拔97米）。在咸水湖中，剖面SW1、SW2和SW3从湖边缘向边缘地带呈线性分布（18° 58′ 29″ S，56° 38′ 49″ W，海拔96米）（图2A和B）。

土壤的大形态学描述已进行……

土壤的形态学、物理和化学属性

咸水湖土壤的形态学、物理和化学结果已由Oliveira et al.（2022）先前描述，但此处重点介绍淡水湖土壤剖面的结果。淡水湖土壤在颜色、结构、一致性和层间过渡方面表现出相似性，但层深度和厚度有所不同（表1）。土壤的表层H和A层呈现中等粒级的大粒结构，结构程度适中。

淡水和咸水湖土壤的主要属性

所研究的两个外貌单元——淡水和咸水湖——的土壤具有与Schiavo et al.（2012）、Menezes et al.（2022）和Oliveira et al.（2022）所描述的灰化过程类似的结果。这些土壤是成岩作用、生物作用和成土过程相互作用的结果。两个单元均在深处表现出Fe氧化物和Al的少量积累，类似于灰化过程。在中性pH的湿地环境中，该物质发生解离。

结论

综合土壤性质、稳定同位素、植硅体组合、放射性碳定年以及多变量统计分析（主成分分析和应用于淡水剖面FW1的CONISS）的结果，揭示了巴西潘塔纳尔讷科尔朗迪亚区域淡水和咸水湖两个外貌单元的演化过程。结果表明，这些土壤的现今特征是各种成岩、成土和生物地球化学过程相互作用的结果。

CRediT作者贡献声明

Naelmo de Souza Oliveira：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，软件，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Marcos Gervasio Pereira：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理。Marcia Regina Calegari：撰写——审阅与编辑，可视化，监督，软件，方法学，形式分析。Roseline da Silva Coêlho：撰写

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在准备本作品过程中，作者使用了DeepL翻译和GPT-5.5（OpenAI），以及OpenAI的ChatGPT Images 2.0工具，以提升稿件的可读性和语言表达，并生成概念示意图。

使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对已发表论文的内容承担全部责任。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。致谢感谢国家科学与技术发展委员会（CNPq）、高等教育人员进修协调处（CAPES）以及南马托格罗索州教学、科学与技术发展基金会（FUNDECT）提供的资金支持（INCT PantaClima）。Naelmo de Souza Oliveira | Marcos Gervasio Pereira | Marcia Regina Calegari | Roseline da Silva Coêlho | Luiz Carlos Ruiz Pessenda | Maren Oelbermann | Jefferson Matheus Barros Ozório | Jolimar Antonio Schiavo，巴西，南马托格罗索州（Mato Grosso do Sul），阿基达乌阿纳市（Aquidauana），南马托格罗索州大学（UEMS），阿基达乌阿纳校区，Graziela Barroso公路第12公里处，邮编：79200-000，巴西。