长白山区金川和露水河泥炭地植被演替、碳累积动态及其对气候变化的响应

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位于北方泥炭地南部边缘的长白山区受东亚季风控制,泥炭沼泽发育广泛,类型齐全,人类活动干扰小,沉积连续,是古气候研究的理想场地。本文选择长白山金川泥炭地和露水河泥炭地作为研究对象,通过对泥炭剖面的有机碳含量、干容重、含水量等理化性质测定,剖面植物残体鉴定,以及稳定碳、氧同位素分析,结合210Pb/137Cs和AMS14C定年技术,探讨了晚全新世以来长白山区不同泥炭地植被演替和碳累积动态及其对气候变化的响应,得到以下主要结论:(1)金川泥炭剖面在过去近一千年间植被演替经历了中世纪暖期的(杜鹃花科)<苔草–喙叶泥炭藓群落、小冰期苔草–泥炭藓群落,逐渐过渡到近现代全球变暖时期中位泥炭藓群落的变化过程。植物残体的统计分析表明,第一轴(PCA1轴)指示地表湿度变化。金川泥炭剖面碳累积速率变化范围为23–203 g C m-2y-1,平均值为50±37 g C m-2y-1。(2)露水河泥炭剖面在晚全新世以来植被演替经历了晚全新世早期杜鹃花科–莎草科–尖叶组泥炭藓群落、中世纪暖期杜鹃花科–苔草群落、小冰期杜鹃花科–羊胡子草–中位泥炭藓群落,最后转变为近现代全球变暖时期中位泥炭藓群落的变化过程。植物残体分析也表明PCA1轴沿着水位梯度变化。露水河泥炭剖面碳累积速率变化范围为13–255 g C m-2y-1,平均值为41±42 g C m-2y-1。(3)通过与现代气象数据、本研究植物残体PCA1轴得分对比,并结合前人泥炭藓现代过程结论,进一步明晰了本区泥炭藓碳同位素指示地表湿度的变化。考虑到本区水汽来源相对单一,在假定氧同位素生物分馏均衡的条件下,通过与现代器测数据对比,推测本区氧同位素主要受到蒸发和雨量效应的影响。碳、氧同位素结合使用可以高分辨率地揭示驱动地表湿度变化的气候因子。(4)将金川泥炭剖面植被演替、碳累积动态与本剖面泥炭藓碳、氧同位素,同一地区四海龙湾、小龙湾孢粉数据等揭示气候变化的结论对比,发现金川泥炭地植被演替、碳累积动态对气候变化响应比较敏感,特别是中世纪暖期、小冰期和近现代全球变暖时期。同样地,露水河泥炭地植被演替、碳累积动态对气候变化也有很好的响应。两个泥炭地发育对区域气候变化的响应既有一致性又有差异性。(5)金川和露水河泥炭地植被演替和碳累积动态对气候变化响应的一致性体现在:在中世纪暖期,金川和露水河泥炭地地表湿度均较大,植被组成以喜湿的物种为主,碳累积速率较高;在小冰期,金川和露水河泥炭地植被初级生产力较低,碳累积速率较低;近现代全球气候变暖时期,金川和露水河泥炭地地表均较为干燥,植被组成以喜干的物种为主,碳累积速率变大,但是呈现出波动下降的趋势。这暗示着适当地升温,对于本区泥炭地的碳累积提升可能有促进作用,但是温度超过一定界限,反而降低了碳累积速率(如最近的全球变暖)。这也预示着如果气候继续变暖,碳累积速率将下降,泥炭地的碳汇功能也将相继减弱。(6)金川和露水河泥炭地植被演替和碳累积动态对气候变化的响应有以下几点不同。第一,虽然小冰期整体上较为干燥,但金川泥炭地的地表湿度稍大于露水河泥炭地。第二,从长期碳累积速率看,金川泥炭地高于露水河泥炭地,前者变化范围为23–56 g C m-2y-1,平均值为37±7 g C m-2y-1;后者变化范围为13–42 g C m-2y-1,平均值为27±4 g C m-2y-1。第三,近现代全球变暖时期,露水河泥炭剖面碳累积速率高于金川泥炭剖面,前者碳累积速率变化范围为17–255 g C m-2y-1,平均值为129±63 g C m-2y-1;而后者的变化范围为25–203 g C m-2y-1,平均值为80±56 g C m-2y-1。(7)两个泥炭地发育对气候变化响应可能与两者受到的大气环流影响时间和强度有关。金川和露水河泥炭地区域气候主要受由太阳辐射、海面温度、西太平洋副高引起的东亚季风强度变化的影响。在几十年到百年尺度上,随着副高北进,暖湿气流带来丰富的降水,温度也偏高,反之,则偏冷偏干。在中世纪暖期,向北的暖湿气流势力强盛,因此西南部的金川和北部的露水河泥炭地地表均较为湿润,碳累积速率偏高。但在小冰期向北的暖湿气流势力减弱,到达靠北的露水河暖湿气流减少,因此位于西南部的金川泥炭地整体地表湿度偏大,碳累积速率较高,而位于北部的露水河泥炭地地表湿度偏小,碳累积速率较低。
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