长白山区泥炭地近200 年来碳累积过程模拟

李佳鑫

（1.东北师范大学地理科学学院，长春 130024；2.辽宁省大连市高新园区第一中学，辽宁 大连 116023）

泥炭地具有持久的固碳能力［1］，是全球重要的陆地土壤碳库［2］，全新世以来，累计积累了约600 Gt的碳［3］。如此巨大的碳库不仅影响着全球碳循环，还对气候变化有着强烈的反馈。因此，泥炭地碳循环、碳累积问题成为国际学术界关注的热点。目前的研究多侧重于泥炭地温室气体（CO2、CH4和N2O）的通量观测［4，5］、泥炭地生态系统固碳过程中碳迁移转化、碳源∕汇平衡、碳储量时空分布格局等［6，7］、碳累积速率及其与气候变化的关系等。泥炭剖面由上部的活跃层（Acrotelm）和下部的惰性层（Catolem）组成。由于活跃层在地下水位之上，氧气相对充足，枯枝落叶和表层泥炭分解率高。一旦进入地下水位之下的惰性层，泥炭的分解速率急剧下降，并且与气候的小幅波动无关。根据Clymo 模型，泥炭净累积是地表枯落物输入与活跃层好氧分解、惰性层厌氧分解之间的平衡［8-10］。输入率（p）和分解率（k）是深入理解泥炭地碳累积过程与机制、预测未来全球变化情景下泥炭地碳库功能变化的关键参数。在5～10年尺度上，可以通过野外试验获得p和k，但在百年至万年尺度上，模型拟合则是获得未来全球变化情景下泥炭地碳库功能变化关键参数的有效方法。由于活跃层和惰性层分解速率存在非常大的差异，对其p、k需要分别拟合计算。国际上对惰性层的模型拟合研究已在西北欧和加拿大开展，但对活跃层的研究相对匮乏。长白山区由于气候冷湿，加上山地沟谷地形或透水性差的玄武岩风化物母质，分布有大量泥炭地。本研究选择其中老里克和白江河2 个泥炭剖面，在210Pb 年代基础上，根据剖面干容重、有机碳含量数据，利用分解模型对剖面数据进行拟合，估算活跃层的泥炭输入率和分解率；对比分析了2个泥炭地碳累积的差异及原因，通过敏感性分析，探讨全球变暖背景下p和k的变化对泥炭地碳累积的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区域

老里克泥炭地（42°28′32″N—42°28′46″N，128°39′34″E—128°40′9″E），位于和龙市与安图县交界处的长白山脉甄峰山西北的老克里山顶，海拔1 478 m，东西长650 m，南北宽310 m，面积约0.21 km2，海兰江的发源地。白江河泥炭地（42°09′58″N，126°44′10″E）位于吉林省靖宇县长白山系龙岗山脉，为松花江支流白江河的源头，海拔780 m，东西宽1.1 km，南北长1.6 km，面积约0.64 km2。20 世纪80 年代该泥炭地的东北部分约0.35 km2因造林被排水改造。两地平均气温为3 ℃，年降水量为700～800 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与处理 老里克剖面采集于2017年10 月。白江河剖面采集于2016 年10 月，采样位于未排水区。人工采挖取表层50 cm 泥炭后修剪整齐，老里克剖面修剪成13 cm×15 cm×50 cm 的长方体，白江河剖面修剪成10 cm×12 cm×50 cm 的长方体。2 个剖面现场按1 cm 间隔分样，称湿重后装入自封袋，标记后送至实验室，置于4 ℃冰箱中冷藏保存。

1.2.2 年代测定 2 个泥炭剖面年代测定采用210Pb法。从已标记泥炭样品中取出约10 g 湿样，105 ℃烘干至恒重，使用玛瑙磨碎过60 目筛，然后装入7 mL 离心管，称重后封口保存，4 周以后待样品达到放射平衡后开始测量。测量采用ORTEC 型高纯锗伽马能谱仪，测量样品时间80 000 s。样品总铅210Pbtot活度依46.54 keV 标志峰面积计算，支持铅的活 度210Pbsup根 据214Bi（609.31 keV）和214Pb（351.92 keV）的活度估算，过剩铅（210Pbex）的年龄选择恒定通量 模 型（Constant rate of supply，CRS）［11］，同 时 利用137Cs（661.67 keV）活度的剖面变化验证210Pbex的年代模型。

1.2.3 容重和有机碳测定 每个样品取约10 mL 湿样，称湿重后105 ℃烘干，再称干重，计算含水率，样品容重按以下公式计算：

式中，dbulk为样品干容重；W总为样品总湿重，野外现场称量；M为含水率；V总为样品总体积，根据剖面横截面面积和分样间距计算。

取上述烘干后的样品，用莱弛MM200 研磨仪粉碎，然后用百万分之一天平称取约3 mg 样品，锡纸包样后用EA3000元素分析仪进行有机碳含量测定。

1.2.4 近现代有机碳积累速率（RERCA）计算 近现代有机碳累积速率（Recent rate of C accumulation，RERCA）［12，13］公式如下：

式中，Tyr为深度Z（cm）处的年龄；dbulk为干容重（g∕cm3）；Cc为有机碳含量百分比（%）；100 为单位转换系数。

1.2.5 参数模型拟合 根据Clymo 泥炭累积模型，泥炭（碳）输入率（p）和分解率（k）决定了单位面积上的泥炭（碳）总累积量，通过拟合泥炭（碳）总累积量随时间的变化曲线可以估算p和k。分解率模型参考Yu 等［14］选择单指数、双指数和线性模型3种（表1）。

2 结果与分析

2.1 剖面年代

由图1a至图1d可以看出，老里克泥炭剖面210Pbex比活度在表层高达2 062.4 Bq∕kg，向下持续下降，至28 cm 达到210Pbex平衡深度，比活度为 35.5 Bq∕kg（图1a）。白江河泥炭剖面210Pbex比活度最高值出现在2 cm 处，为 1 280.8 Bq∕kg，之后呈波动下降，14 cm 处达到平衡深度，比活度为 166.2 Bq∕kg（图 1c），基于210Pbex的CRS 模型建立了2 个剖面的年代框架（图1b、图1d）。从年龄-深度曲线来看，2 个剖面的沉积速率除表层略高外，其他深度都相对比较稳定。

表1 泥炭分解模型公式

图1 老里克、白江河剖面210Pbex、137Cs比活度（a、c）与年龄-深度模型（b、d）

2.2 容重、有机碳、碳累积速率剖面变化

老里克、白江河2 个剖面的容重、有机碳以及碳累积速率的变化如图2 所示。老里克剖面表层泥炭容重（图2a）表层低，2～17 cm 保持在0.08～0.18 g∕cm3小幅波动，17～21 cm 略高，最高值出现在18～19 cm，为 0.26 g∕cm3，21 cm 以 下 容 重 保 持 稳 定 。 有 机 碳（图2b）在整个剖面上波动不大，在35.35%～44.81%。碳累积速率（图2c）向下逐渐递减，至28 cm 为23.5 g∕（m2·年），显示分解过程的持续影响。表层泥炭样品虽然容重低，但由于分解弱，沉积速率高，因此碳累积速率高。表层以下，由于有机碳含量变化不大，沉积率也相对稳定，碳累积速率变化趋势与容重一致。

白江河剖面容重（图2d）是表层2 cm 较低，向下逐渐升高，3～10 cm 大部分在 0.16～0.18 g∕cm3，8～9 cm 最高，与老里克剖面相当，为 0.26 g∕cm3，10 cm 以下逐渐降低，至剖面底部容重为0.09 g∕cm3。有机碳（图2e）的变化与容重趋势相反，最高值出现在表层，为42.50%，最低值在8～9 cm，为24.43%。碳累积速率（图2f）表层最高，为144.8 g∕（m2·年），向下由于容重和有机碳含量的消长变化，碳累积速率变化不大，保持在48.7～58.4 g∕（m2·年）。

2.3 活跃层碳输入率与分解率

由于泥炭在活跃层和惰性层分解速率差异显著，本研究着重于活跃层通过210Pb 测定的2 个剖面，探讨100～200 年有机质输入和分解的模式。分别用线性（p=121.222 9，k=0.001 0）、单指数（p=109.940 7，k=0.005 5）和双指数（p1=69.940 1，k1=0.005 5；p2=39.999 7，k2=0.005 5）模型进行拟合。老里克泥炭剖面近现代以来碳累积量随时间变化的剖面拟合如图3A 所示。分别用线性（p=93.033 8，k=0.016 8）、单指数（p=87.478 8，k=0.010 3）和双指数（p1=54.995 3，k1=0.010 3；p2=32.483 5，k2=0.010 3）模型进行拟合，白江河泥炭剖面近现代以来碳累积量随时间变化的剖面拟合如图3B 所示。这2 个剖面均为凹形泥炭质量-年龄曲线，表明泥炭柱在不断分解。利用线性、单指数和双指数模型对老里克和白江河剖面进行拟合，从图3可以看出，均是单指数模型拟合效果最好。

图2 剖面容重、有机碳、碳累积速率变化

图3 老里克（A）、白江河（B）泥炭剖面近现代以来碳累积量随时间变化的剖面拟合

3 讨论

3.1 气候变化对长白山区泥炭地碳累积速率的影响

老里克剖面碳累积速率向下逐渐递减，至28 cm为23.5 g （∕m2·年）。白江河剖面碳累积速率表层最高，为144.8 g（∕m2·年），向下由于容重和有机碳含量的消长变化，碳累积速率变化不大，保持在48.7～58.4 g（∕m2·年）。且这2 个泥炭剖面的碳累积速率在最近20 年的增加趋势比泥炭形成初期表现更加明显，这种现象表明长白山区泥炭沼泽生态系统还比较年轻，处于泥炭发育阶段，具有巨大的固碳潜力，需要加强泥炭生态系统的保护，防止人为破坏使其退化。

3.2 气候变化对泥炭地活跃层泥炭碳累积模式的影响

对210Pb 测定的2 个剖面进行拟合，在拟合的3个模型中，均呈凹形泥炭累积模式，表明在此期间泥炭柱处于不断分解的过程。这可能是因为全新世晚期，随着太阳辐射活动的降低以及东亚季风强度的减弱，东北地区气候向冷干的趋势发展，但整体气候仍呈现冷湿的特点［15-17］。这种气候条件不利于泥炭地有机质的分解，使得泥炭地碳累积速率显著上升，并在最近几百年内达到最大值。在气候条件的影响下，由于恒定的泥炭输入速率，使得泥炭剖面均呈凹形的泥炭累积模式。

3.3 敏感性分析

Clymo［9］提出了沼泽生长的概念模型，在该模型中，有2 个变量决定了泥炭累积，即泥炭输入率和分解率。恒定的生产力和指数分解产生凹形的累积泥炭质量-年龄曲线，这也在大多数海洋沼泽中都得到了证明。基于 Clymo 的概念模型，Yu 等［14］在研究中进一步讨论了泥炭累积模式，指出泥炭累积模式分为凸形模式和凹形模式2 种。Yu 等［18］详细说明了泥炭的凹形模式，并通过模型模拟加以验证，表明泥炭输入率和分解率都可能随时间变化，但是泥炭的输入率可能对植被类型和环境参数更加敏感，更具有可变性；通过对数据的研究发现，随着时间推移，有的泥炭剖面也呈凸曲线，并在芬兰西南部找到一个凸型模式的沼泽加以证明；通过修改PAR（决定凸曲线的曲率）对泥炭生长模型进行了敏感性分析，表明无论是PAR 不断下降还是分解速率增加都会形成凸起的泥炭质量-年龄曲线。通过考虑概念模型和模拟模型的差异，呈凸形泥炭质量-年龄关系曲线的泥炭地可以在泥炭输入率和分解率不断变化的情况下进行模拟［9，12，18］。因此，凹曲线和凸曲线的形成受输入率和分解率共同影响。在没有气候变化的情况下，凸形累积模式的泥炭地将更快达到生长极限，其固碳能力的下降速度将快于凹形累积模式模型的预期速度［14］。因此，对于泥炭地碳汇-源关系的可信评估必须基于对碳累积模式过程的理解。

在本研究中，利用单指数分解模型对泥炭剖面数据拟合，进行敏感性分析，以了解输入率和分解率在活跃层泥炭剖面累积中的作用。结果表明，改变分解系数将改变质量-年龄曲线的凹度（高分解率导致更大的凹度）。而随着泥炭输入速率的变化，泥炭的累积质量∕累积深度会发生变化。在输入率恒定的情况下，增加分解率会使曲线向上移动（泥炭累积减少）；而在分解率恒定的情况下，降低输入率会使曲线向上移动（泥炭累积减少）。通过二者比较可以大致得出，与分解率相比，输入率对泥炭累积变化影响更大，这也与Yu 等［14］研究的结论一致。

通过敏感性分析可知，输入率和分解率2 个参数的多次组合，在一个单独地点可以达到同一终点的泥炭累积质量，但需要不同的时间历程。因此，自然界中真正发生的事情，对于重建过去的泥炭累积，以及预测未来可能发生的变化，都非常重要。