劉 奇, 許仲林, 張東良
(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046;2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,
新疆 烏魯木齊 830011;3.中國科學(xué)院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心,新疆 烏魯木齊 830011;4.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
占全球陸地面積3%的泥炭生態(tài)系統(tǒng)是陸地碳儲存研究的熱點區(qū),自末次冰期以來(距今約21000年)泥炭封存了約6.0×1011t 的有機(jī)碳[1]。利用泥炭沉積物進(jìn)行古環(huán)境分析,可為古氣候重建提供有價值的資料和視角。一系列的氣候代用指標(biāo)(包括干密度、腐殖化度、阿米巴蟲、植物大化石、孢粉和生物標(biāo)記物等)已常用于泥炭古環(huán)境重建[2-4]。對于更經(jīng)典的泥炭巖芯分析而言,泥炭植物殘體穩(wěn)定碳和氧同位素是重要的補充型代用指標(biāo)[5-6]。
已有研究發(fā)現(xiàn),不同區(qū)域的泥炭植物α-纖維素(簡稱纖維素)碳、氧同位素(δ13Ccell和δ18Ocell)信息的古氣候指示意義存在明顯差異[7-9]。例如,中國低緯度地區(qū)維管束植物的δ13Ccell被成功用作區(qū)域濕度或夏季季風(fēng)降水的代用指標(biāo)[10-13]。但是,在新西蘭開展的有關(guān)時空尺度的研究[14]表明,單株維管束植物(Empodismaspp.)δ13Ccell與濕度無關(guān),而與氣溫顯著負(fù)相關(guān)。類似的不一致性也存在于δ18Ocell的報道中。例如,洪冰[15]指出,在濕潤的沼澤環(huán)境中,中國大九湖草本植物δ18O 與大氣降水δ18O 關(guān)系緊密,并依據(jù)大氣降水δ18O 與氣溫的關(guān)聯(lián),將莎草植物看作是多年平均氣溫的代用指標(biāo)。而Amesbury 等[16]的研究指出,維管束植物δ18Ocell能夠很好地捕獲不同季節(jié)大氣循環(huán)帶來的水汽特征??梢姡瑢δ骋坏貐^(qū)現(xiàn)代泥炭植物同位素生理過程機(jī)制的理解,是對保存在泥炭記錄中的同位素信號進(jìn)行環(huán)境解譯的必要條件。
我國濕地面積為451084±2014 km2,橫跨濕潤區(qū)、半濕潤-半干旱區(qū)和干旱區(qū)[17],氣候主要受西風(fēng)系統(tǒng)和季風(fēng)(印度和東亞)系統(tǒng)的影響。在季風(fēng)影響區(qū),泥炭苔草δ13Ccell被認(rèn)為是地表濕度或夏季風(fēng)強度變化的指示器[10-13],泥炭δ18Ocell被認(rèn)為是古氣溫的代用指標(biāo)[15,18-19]。該研究得到了最新大九湖泥炭植物現(xiàn)代過程調(diào)查的支持[20-21]。在西風(fēng)影響的中國西北阿爾泰山,Rao 等[22-23]基于詳細(xì)的現(xiàn)代過程研究發(fā)現(xiàn),哈拉薩孜泥炭莎草δ13Ccell、δ18Ocell分別與暖季、冷季氣溫正相關(guān),進(jìn)而指出,哈拉薩孜泥炭巖芯δ13Ccell、δ18Ocell記錄的偏正趨勢分別指示了全新世以來暖季、冷季的持續(xù)增溫趨勢。但是,該氣溫重建與來自同一巖芯的木本孢粉含量所指示的氣溫下降是完全相反的[24-25]。這一明顯差異使我們提出疑問:是否可以將關(guān)于泥炭植物纖維素碳、氧同位素的現(xiàn)代過程研究直接運用到百年或千年尺度研究中?泥炭δ13Ccell、δ18Ocell與多年現(xiàn)代環(huán)境因子之間關(guān)系探討的缺乏,限制了我們對阿爾泰山泥炭纖維素碳、氧同位素記錄的全新世氣候信息的解譯。
為將泥炭植物δ13Ccell、δ18Ocell和氣候參數(shù)的現(xiàn)代關(guān)系研究與其在百年/千年尺度上的變化更好銜接起來,本研究以阿爾泰山黑陽坡泥炭為研究對象,擬建立器測時段泥炭植物δ13Ccell、δ18Ocell與氣候參數(shù)之間的定量或半定量關(guān)系,探討泥炭植物δ13Ccell、δ18Ocell對器測時段氣候資料和水文參數(shù)的響應(yīng)特征。我們期望,這項研究不僅可以確定該地區(qū)泥炭植物碳、氧同位素多年尺度的環(huán)境指示意義,而且能夠彌補阿爾泰山泥炭植物纖維素同位素記錄的古氣候解譯在多年尺度變化中的不足,為更合理的將全新世δ13Ccell和δ18Ocell應(yīng)用于阿爾泰山過去氣候信息的解譯提供更多的數(shù)據(jù)支撐。
阿爾泰山呈西北-東南走向,橫跨中國、哈薩克斯坦、俄羅斯和蒙古,綿延超過2000 km[26]。中國部分的阿爾泰山屬于山系中段南坡,位于新疆最北部,地 處46°33′35″~49°10′45″N、85°31′37″~91°01′15″E之間[27]。阿爾泰山及其周邊地區(qū)現(xiàn)代冷季氣候主要受控于“盛行西風(fēng)-北大西洋濤動耦合系統(tǒng)”與“西伯利亞高壓系統(tǒng)”的交互作用;現(xiàn)代暖季氣候主要受控于占據(jù)亞洲內(nèi)陸的“亞洲低壓系統(tǒng)”和延伸至西伯利亞西南緣的“亞速爾高壓系統(tǒng)”交互作用[28-30]。該氣候系統(tǒng)所帶來的豐沛降水與良好的山間凹地共同為阿爾泰山區(qū)域各種類型的泥炭發(fā)育提供了絕佳條件[31]。遙感調(diào)查發(fā)現(xiàn),泥炭遍布中國阿爾泰山亞高山帶(海拔高度在1700~2500 m),面積達(dá)38326.14 hm2,主要分布在其東南部和西北端的0~17°坡地[32]。
黑陽坡泥炭(48.34°N、87.18°E,海拔1353 m)位于阿爾泰山南坡(圖1),主要以大氣降水和積雪融水為補給來源,地下水位低于0.5 m[33]。距離黑陽坡泥炭70 km的哈巴河氣象站(48.03°N、86.24°E,海拔532.6 m)1960—2020 年的觀測數(shù)據(jù)顯示,該區(qū)域冷季寒冷漫長(最冷月1月平均氣溫-14.7°C)、暖季涼爽而短促(最熱月7 月平均氣溫22.3°C),年平均氣溫為5.0 °C。暖季(5—9 月)相對濕度為47.2%~55.4%,冷季(10 月—次年4 月)相對濕度為52.9%~72.2%。年均降水量為197.9 mm,降水年內(nèi)分布比較均勻,冷季降水量占全年降水量的51%(圖1c)。黑陽坡泥炭現(xiàn)生植物以莎草科為主,屬于富營養(yǎng)化沼澤。泥炭周邊的高海拔或陰坡處以針葉林為主,低海拔或陽坡處以草原為主[33](圖1b)。
于2017年7月在黑陽坡鉆取了一根長30 cm的泥炭巖芯,按照1 cm 間隔現(xiàn)場將巖芯分成30 個樣品,分別裝入標(biāo)記好的自封袋,帶回實驗室,-4°C儲存。植物殘體分析發(fā)現(xiàn),黑陽坡巖芯的植物類型主要是莎草科苔草屬,與現(xiàn)生植物類型相似[34]。
利用137Cs、210Pbex數(shù)據(jù)來確定巖芯年代。巖芯中137Cs 的峰值(324.70 Bq·kg-1)出現(xiàn)在11 cm 處(圖2a),代表了1986 CE 的切爾諾貝利事故[35]。210Pbex的比活度呈指數(shù)下降趨勢,由巖芯頂部的506.02 Bq·kg-1下降到底部的22.20 Bq·kg-1(圖2a)?;趶V泛使用的恒定供給速率模式(CRS)[36],構(gòu)建了黑陽坡巖芯的深度-年代模式(圖2b)。考慮到北半球137Cs的最大沉積峰對應(yīng)1963 CE[37],而黑陽坡巖芯16 cm處的210Pbex年代為1966±4 CE(圖2a),因此,137Cs 沉降出現(xiàn)在黑陽坡泥炭的時間被認(rèn)為是1963 CE。此外,黑陽坡巖芯的沉積速率表現(xiàn)為整體的上升趨勢,平均沉積速率為0.29 cm·a-1,30~12 cm(1901—1981 CE)波動較大,12~1 cm(1981—2017 CE)穩(wěn)定增加(圖2c)。
圖2 黑陽坡泥炭巖芯信息Fig.2 Information of Heiyangpo peatland core
2.3.1 泥炭植物α-纖維素的提取 采用黃超等[38]的方法提取泥炭植物α-纖維素。具體實驗步驟如下:(1)去除腐殖質(zhì)類物質(zhì):將樣品放入250 mL的燒杯中,加入5%的NaOH,放置在加熱爐上煮1 h,冷卻至室溫后進(jìn)行清洗,過120目篩水洗至中性;(2)去除碳酸鹽和易水解類物質(zhì)(果膠):加入5%HCl溶液7.5 mL,充分?jǐn)嚢韬?,加? h,冷卻后清洗至中性;(3)去除木質(zhì)素:加入5 mL蒸餾水、0.5 mL CH3COOH和0.5 g NaClO2,于加熱爐上煮1 h,移除上層液體,加入相同劑量的上述試劑,重復(fù)操作直至樣品完全變?yōu)榘咨?,然后用蒸餾水清洗至中性;(4)去除半纖維素和多糖類物質(zhì):加入10%的NaOH溶液7.5 mL,于80°C水浴鍋中加熱1 h,然后離心移除上層液體,然后用蒸餾水清洗2 次,加入17%的NaOH 溶液7.5 mL,室溫下靜置1 h,移除上層液體,并將殘體水洗至中性;(5)加入1%HCl 溶液清洗,中和過多的NaOH,然后將殘體水洗至中性。最后將燒杯中的殘體冷凍干燥。
2.3.2 碳和氧同位素的測定及碳同位素的校正 碳同位素的測定:準(zhǔn)確稱取α-纖維素樣品30~50 μg于錫杯中,置于真空密閉條件下,以鉑作催化劑,使纖維素樣品與過量氧化銅充分燃燒,使其全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2氣體。然后將CO2提純,以去除CO等干擾氣體,之后在Delta-V MAT同位素質(zhì)譜儀上測定。
氧同位素的測定:準(zhǔn)確稱取300~500 μg的纖維素樣品于錫杯中,壓成米粒狀放進(jìn)進(jìn)樣器,使其在1090°C 高溫?zé)峤狻峤膺^程所產(chǎn)生的CO 和N2在高純氦氣下將CO與其他雜質(zhì)分離。接下來以氦氣作為載氣傳送到Delta-V MAT 同位素質(zhì)譜儀上測定。δ13C 值計算以VPDB 為標(biāo)準(zhǔn),δ18O 值計算以VSMOW 為 標(biāo) 準(zhǔn)。δ13C 和δ18O 的 測 試 誤 差 范 圍 均≤0.5‰。
碳同位素的校正:因工業(yè)革命以來化石燃料的燃燒和土地利用方式的改變等[39],大氣CO2濃度持續(xù)上升,進(jìn)而引起大氣CO2中的δ13C 值不斷下降,最終導(dǎo)致植物δ13C 值自1850 年以來表現(xiàn)為持續(xù)下降趨勢。為了更好地從植物δ13C值的變化中獲取氣候信息,有必要對1850 年以來的植物δ13C 值進(jìn)行校正。本文采用McCarroll 等[40]提供的方法對黑陽坡泥炭δ13Ccell進(jìn)行校正。
為匹配同位素信號的年代,對哈巴河站氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下操作:巖芯Z 層(沉積速率<1 cm·a-1)對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)由Z層與Z-1層(不包含)對應(yīng)年代之間的氣象數(shù)據(jù)算數(shù)平均求得。因為莎草的生長速率取決于氣候條件和隨深度增加的泥炭壓實和分解作用;此外,在采樣過程中,一個生長季的莎草增量可能會擴(kuò)展到相鄰的樣品中[41]。
通過上述操作,發(fā)現(xiàn)共有17個δ13Ccell和δ18Ocell值可以與哈巴河氣象參數(shù)相對應(yīng),時間跨度為1962—2017 CE?;诖?,分析了1962—2017 CE時段哈巴河氣象站冷季(10月—次年4月)、暖季(5—9月)以及年尺度上氣溫、降水量、相對濕度與黑陽坡泥炭δ13Ccell、δ18Ocell的相關(guān)關(guān)系。利用Origin 2018 軟件對氣象因子與同位素數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性進(jìn)行評估并作圖。當(dāng)P<0.05時,碳和氧同位素與氣象因子的相關(guān)性顯著。
黑陽坡泥炭δ13Ccell的變化范圍在-27.84‰~-23.32‰之間,平均值為-25.97‰。最偏正值(-23.32‰)出現(xiàn)在距地表4 cm(2009 CE),次負(fù)值(-27.38‰)出現(xiàn)在距地表16 cm(1963—1966 CE)。巖芯δ13Ccell值表現(xiàn)為整體的偏正趨勢(r=0.67,P<0.001),但在17~16 cm(1961—1966 CE)突然偏負(fù)。此外,15~1 cm(1967—2017 CE),巖芯δ13Ccell值表現(xiàn)為微弱的偏負(fù)趨勢,5~4 cm(2004—2009 CE)突然偏正(圖3a~圖3c)。
黑陽坡泥炭δ18Ocell值在13.90‰~21.30‰之間變化,平均值為18.14‰。與δ13Ccell變化相似,δ18Ocell值也表現(xiàn)為整體的偏正趨勢(r=0.63,P<0.001)。最偏正值(21.30‰)與最偏負(fù)值(13.90‰)分別出現(xiàn)在距地表6 cm(2000—2003 CE)和16 cm(1963—1966 CE)。16~14 cm(1963—1972 CE)和5~4 cm(2004—2009 CE)表現(xiàn)為明顯的偏負(fù)變化(圖3b~圖3d)。
圖3 δ13Ccell原始序列、校正后的δ13Ccell序列(a)和δ18Ocell序列(b)隨深度的變化,校正后的δ13Ccell序列(c)和δ18Ocell序列(d)隨年代的變化Fig.3 Variations of original δ13Ccell,corrected δ13Ccell values(a)and δ18Ocell values(b)with depth,variations of corrected δ13Ccell(c)and δ18Ocell values(d)with age in Heiyangpo peatland
如圖4 所示,黑陽坡泥炭δ13Ccell與氣溫不相關(guān)(冷季:r=0.16,P=0.53;暖季:r=0.10,P=0.71;年:r=0.16,P=0.54;圖4a~圖4c)。δ13Ccell與降水量不相關(guān)(冷季:r=0.08,P=0.77;暖季:r=-0.19,P=0.46;年:r=-0.04,P=0.89;圖4d~圖4f)。δ13Ccell與相對濕度亦不相關(guān)(冷季:r=-0.37,P=0.14;暖季:r=-0.43,P=0.09;年:r=-0.46,P=0.06;圖4g~圖4i)。但δ13Ccell與暖季相對濕度的相關(guān)性(P=0.09)略高于冷季相對濕度(P=0.14)。考慮到植物的生長主要集中在暖季,進(jìn)一步分析了暖季單月及不同月份組合相對濕度與δ13Ccell值的相關(guān)關(guān)系(圖5)。結(jié)果顯示:δ13Ccell與5—8 月相對濕度具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.52,P=0.03),其中,6 月(r=-0.53,P=0.03)和8 月的貢獻(xiàn)最大(r=-0.60,P=0.01)。
圖4 黑陽坡泥炭δ13Ccell與氣象參數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlations between corrected δ13Ccell values from Heiyangpo peatland and recorded meteorological parameters(1962-2017)in Habahe station
圖5 黑陽坡泥炭δ13Ccell與暖季單月及不同月份組合相對濕度的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlations between corrected δ13Ccell values from Heiyangpo peatland and warm-season relative humidity in Habahe station
與δ13Ccell和氣象因子的關(guān)系類似,黑陽坡泥炭δ18Ocell與氣溫不相關(guān)(冷季:r=0.29,P=0.26;暖季:r=0.38,P=0.13;年:r=0.35,P=0.17;圖6a~圖6c),δ18Ocell與相對濕度也不相關(guān)(冷季:r=-0.25,P=0.34;暖季:r=0.08,P=0.76;年:r=-0.08,P=0.75;圖6g~圖6i)。值得注意的是,盡管δ18Ocell與暖季降水量不相關(guān)(r=0.18,P=0.48;圖6e),但δ18Ocell與冷季(r=0.47,P=0.06;圖6d)和年降水量(r=0.46,P=0.07;圖6f)的相關(guān)性高于暖季降水量。因此,我們進(jìn)一步分析了冷季單月及不同月份組合降水量與δ18Ocell的關(guān)系(圖7)。結(jié)果顯示:δ18Ocell與11 月—次年1 月降水量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.49,P<0.05),其中,1月的貢獻(xiàn)最大(r=0.48,P<0.05)。
圖6 黑陽坡泥炭δ18Ocell與氣象參數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlations between δ18Ocell values from Heiyangpo peatland and recorded meteorological parameters(1962-2017)in Habahe station
圖7 黑陽坡泥炭δ18Ocell與冷季單月及不同月份組合降水量的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlations between δ18Ocell values from Heiyangpo peatland and cold-season precipitation in Habahe station
通過分析黑陽坡泥炭碳氧同位素與哈巴河站氣象參數(shù)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn),泥炭δ13Ccell與5—8 月相對濕度顯著負(fù)相關(guān)(圖5)。由于阿爾泰山泥炭植物的生長期主要集中在5—9月,這一結(jié)果實際反映了生長季相對濕度對黑陽坡泥炭植物δ13Ccell變化的控制作用。當(dāng)空氣濕度較低時,會誘發(fā)植物的氣孔變小或關(guān)閉,以阻止植物體內(nèi)水分的過分蒸發(fā),使得植物體內(nèi)外CO2濃度比值減小,進(jìn)而導(dǎo)致植物δ13Ccell值增大;當(dāng)空氣濕度較高時,植物葉片氣孔變大,植物體內(nèi)外CO2濃度比值增大,使得植物δ13Ccell值減?。?2]。δ13Ccell值與濕度的負(fù)相關(guān)關(guān)系已被應(yīng)用于阿爾泰山周邊泥炭古氣候重建中,如阿爾泰山南坡的那仁夏泥炭(48.8°N、86.9°E,海拔1760 m)[43]、大黑泥炭(48.67°N、87.18°E,海拔2168.5 m)[44]和天山北麓柴窩堡泥炭(43.48°N、87.93°E,海拔1090 m)[45]偏負(fù)的δ13Ccell記錄了晚全新世的濕潤特征,與其他指標(biāo)記錄結(jié)果相一致[46-48]。鄰近的樹輪δ13C 研究發(fā)現(xiàn),降水量/濕度變化也是阿爾泰山樹輪δ13C 分餾的主要限制因子[49-50]??梢?,黑陽坡泥炭δ13Ccell可能是相對濕度或降水量的代用指標(biāo)。值得注意的是,本文的研究結(jié)果與現(xiàn)代生長季觀測的高海拔哈拉薩孜(48.12°N、88.36°E,海拔2450 m)δ13Ccell的古氣候指示意義(δ13Ccell是暖季氣溫的指示器[22])明顯不同,這可能歸咎于高海拔低溫環(huán)境下,氣溫可能是泥炭植物δ13Ccell變化的主要控制因子。但哈拉薩孜δ13Ccell作為暖季氣溫的指示器需要年或多年資料的支持。
泥炭植物δ18O組成僅由吸收利用水的δ18O組成決定。研究表明,泥炭植物吸收的水分大部分源自土壤,而土壤水主要來源于大氣降水,因此,泥炭植物δ18Ocell主要反映大氣降水δ18Op[40,51]。然而,在植物吸收水分并最終合成纖維素的過程中會發(fā)生一系列的同位素分餾,從而影響δ18Ocell與δ18Op的關(guān)系[21,52]。本文的研究揭示,黑陽坡泥炭δ18Ocell與11月—次年1月降水量正相關(guān)(圖7)。考慮到11月—次年1月的持續(xù)低溫,降水以降雪為主(圖1c),山區(qū)夏季降水通常以極端暴雨的形式出現(xiàn)且降水事件后很快排出泥炭地[53],使得11月—次年1月降水量(降雪)在黑陽坡泥炭植物生長季的吸收利用水中占據(jù)較大比例。由此推斷,11 月—次年1 月降水量是黑陽坡泥炭植物δ18Ocell變化的主要控制因子。Shi等[53]關(guān)于哈拉薩孜泥炭的現(xiàn)代水文過程調(diào)查結(jié)果支持了此結(jié)論,他們發(fā)現(xiàn)冬季積雪匯入融水是泥炭地的主導(dǎo)水源,占到了泥炭地平均來源水的76%,因而現(xiàn)代莎草δ18Ocell信號主要來源于冷季降水δ18Op。以積雪融水為補給來源的烏拉爾山脈西側(cè)苔原泥炭δ18Ocell調(diào)查[41]也支持本文的結(jié)果,他們發(fā)現(xiàn)泥炭δ18Ocell與冷季降水量強相關(guān)(r=0.6)。因此,研究認(rèn)為黑陽坡泥炭δ18Ocell主要記錄11 月—次年1 月降水量的信號。需要注意的是,Rao 等[23]基于阿勒泰及其周邊地區(qū)冬季降水δ18Op在年內(nèi)、年際尺度上的“溫度效應(yīng)”,指出冷季氣溫是控制阿勒泰地區(qū)降水δ18Op的主要因素,故而,哈拉薩孜泥炭δ18Ocell實際指示冷季氣溫的長期變化。但是,黑陽坡泥炭δ18Ocell與冷季氣溫的相關(guān)性不顯著(圖6a),這可能是因為地處較低海拔的黑陽坡,具有較高的暖季氣溫,使得冷季溫度信號可能會在泥炭植物葉片水蒸發(fā)富集的過程中減弱或丟失[54]。此外,需要提及的是,黑陽坡泥炭和哈拉薩孜泥炭δ13Ccell的環(huán)境控制因子分別是5—8 月相對濕度和4—8 月氣溫,而兩地δ18Ocell均與冷季降水量緊密相關(guān)。造成這一結(jié)果的可能原因是兩地明顯的海拔差異導(dǎo)致δ13Ccell的控制因子不同,但因兩地均受盛行西風(fēng)所帶來的水汽補給而造成δ18Ocell的控制因子是一致的。
針對文章關(guān)注的科學(xué)問題:是否可以將泥炭植物纖維素碳、氧同位素的現(xiàn)代過程研究直接運用到百年或千年尺度研究中?在可靠的210Pb、137Cs 測年基礎(chǔ)上,分析了1962—2017 年黑陽坡泥炭δ13Ccell、δ18Ocell與哈巴河氣象參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明:
(1)黑陽坡泥炭δ13Ccell與5—8 月相對濕度顯著負(fù)相關(guān),δ18Ocell與11 月—次年1 月降水量顯著正相關(guān)。δ13Ccell、δ18Ocell可以分別作為5—8 月相對濕度與11月—次年1月降水量的代用指標(biāo)。
(2)在未來工作中,加強季節(jié)-年際-十年-百年尺度的泥炭δ13Ccell、δ18Ocell的指示意義研究有助于全面理解區(qū)域氣候變化及其控制機(jī)制。