泥炭地以及它在全球碳循环中的作用

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泥炭地以及它在全球碳循环中的作用

【概要提取】：

全世界的泥炭地占据了大约全球陆地区域的3%，并且包含了大约6000亿吨的碳，可以说全球的泥炭地是一个巨大的碳源地，也可以称之为碳的陆地海洋，并且它和大气中的碳时时刻刻进行着交换，因此它在碳循环过程中起着很重要的作用。

从文献中我们可以知道绝大多数的泥炭地和碳位于45°N以北的地区。北方的泥炭地主要产生在北方气候带和靠近北极的地区，另外一个最大的碳密集区(约500亿吨的碳)是位于热带的泥炭地。然而面对强烈的土地利用压力，热带泥炭地碳的库存是非常脆弱的。

该文献中主要介绍了碳的循环、动态以及碳的积累历史，阐述了泥炭地在碳循环中的重要作用，并对未来碳积累的可能情况进行了可行性分析。还指出了碳研究的空白处——以前数据和当代数据的链接存在缺口。

针对泥炭地积碳时间的研究，采用基底泥炭层年龄来推测积碳的时间。文章还指出最大量的太阳辐照度、季节性的强温可导致泥炭地高速率的扩张和C的积累。因为炎热的夏天可促进植物的生长，而寒冷的冬季可减少冬天的分解，这样就有利于碳的积累。总之，寒带地区在温暖的气候条件下，如果其他水分条件也适宜，就会增加碳的积累量。

此外，泥炭地一直以来都是一个持续稳定的，但容易变化的,长期C的沉降地。泥炭地中碳的储存还与大气中二氧化碳的浓度和CO2碳同位素比值有关联，从而暗示了泥炭地在全球C循环中的主要作用。因为泥炭地大量C的库存和长期连续分解的缓冲效果，所以泥炭地充当了“陆地海洋”的角色。

然而目前，由于全球气候在变暖，从而引诱了冻土解冻，而这种现象会影响许多北方泥炭地C循环速率,然而其显示的方式是很难预测的,尤其是对CH4排放速率。另外，季节性的变化比如多冬季变暖可能会使生产与分解之间的平衡倾斜。在未来的世纪，北方区域(50°和70°之间纬度)和一些热带地区的火灾和其它干扰也将增加,这也可能会释放几千年里积累下来的碳。这就说明，在当代人文因素对碳的循环也起着重要的作用。

【译文】

全球的泥炭地是一个非常大的碳汇，大量的碳集中在泥炭地及其上方几米之内的大气中。因此，泥炭地和大气中碳的交换应该是一个重要的关系着全球变化的科学问题。在温暖的气候条件下，大量的地下呼吸释放的碳会引起全球气候进一步变暖吗（实际气候的反馈作用）?在温暖的气候条件下，增加的植被的生长会使越来越多的碳被储存起来吗？土地利用的改变、火灾以及永久冻土的融解又将怎样影响着与大气中CO2和CH4交换量的大小和方向？这些问题依然存在着挑战，但是最近已取得一些重大的进展。

最近研究表明，在过去的12000年里，碳的储存率已经是高度可见的，并且还发现在气候变暖的间隔期，碳的积累速率达到最大。如果能避免水文和诱导干扰因素而导致的冷却效应，就会增加北方湿地或者至少是北方湿地中重要的部分的出现，这就可看成一个关于对未来气候变化的负反馈。

有关碳的热点知识

全世界的泥炭地占据了大约全球陆地区域的3%，并且包含了大约6000亿吨的碳，这几乎是最后一个冰河世纪全部积累的量。绝大多数的泥炭地和碳位于45°N以北的地区。北方的泥炭地主要产生在北方气候带和靠近北极的地区，包括在西伯利亚西部地区、加拿大中部、欧洲西北部、阿拉斯加等地广泛地发展。最高的碳密度在北纬50-70°N(图1 b)。

下一个最大的碳密集区(约500亿吨的碳)是位于热带的泥炭地中,主要在东南亚及南美地区。面对强烈的土地利用压力，热带泥炭地碳的库存是非常脆弱的。泥炭积碳的历史

泥炭地面积的增加时间可以用得到的基底泥炭层年龄推测。在此基础上超过1500年基底的日期, 我们就可以确定在10000年以前全新世的早期，北方泥炭迅速发展(见图1a)。同时许多北方的泥炭地，其垂直碳积累率在全新世早期表现出了一个新的高峰。最大量的太阳辐照度、季节性的强温以及炎热的夏天促进植物的生长，寒冷的冬季可减少冬天的分解，这些就可导致泥炭地高速率的扩张和C 的积累。大约8000 - 5000年前，全新世热量达到最大值，此后气候变冷,这似乎使泥炭中C的积累开始减缓，从而减少了泥炭中C的积累。自从2000年以前，在西伯利亚西部最热的地方，泥炭地已经积累了大量的C，还有阿拉斯加的一些泥炭地在中世纪暖期也就是大约900年前，也显示了C积累的增加。

图1 .土壤碳(C)和泥炭地分布图

(a)泥炭地碳的分布图,注：这些地点已获得了基底年龄[MacDonald et al., 2006]并计算了过去12000年里碳的积累速率[Yu et al., 2010]。这幅图还包括了土壤C（包括北极地区）分布图（从全球岩石生物圈项目中取得数据和信息系统土壤数据库得到数据)。要注意格子里碳元素含量超过30公斤每平方米的泥炭地。（b）土壤总体碳纬向分布，根据不同土壤碳密度以十亿吨计。

大约15000年以前，在南半球,南美南端泥炭地的快速扩张和C的积累很可能是由14000—17000年之间的南部海洋温暖的气候所诱发。在较高纬度地区的观察表明,在较温暖的气候条件下如果能维持必要的水湿环境，寒冷地区的生态系统就可以快速的积累碳，使碳的含量丰富。

对全球泥炭地模拟纯粹的C平衡表明,在全新世期间，泥炭地一直以来都是一个持续稳定的，但容易变化的,长期C的沉降地,每一千年收集的碳大约在160至880亿吨之间变动(图2 a)。北方泥炭地是以每年每平方米5.6—38克的速率积累碳的（图2b）。全球泥炭地显示C的储存在全新世期间呈现出三个阶段，似乎与大气中二氧化碳的浓度和CO2碳同位素比值有关联，从而暗示了泥炭地在全球C循环中的主要作用。CO2缓慢的下降以及&13CO2的急剧增加(7000 - 11000年以前)反映土地生物圈C的吸收,包括由于最近北部冰川的消融作用而引起的森林生长和泥炭地发展。快速增加的CO2和稳定的&13CO2(4000 - 7000年以前)表明海洋C释放的一个重要作用,稳定泥炭地在全新世时期按每一千年平均500亿吨的速率吸收碳。当泥炭地降低积累C的速率时，CO2缓慢的增长和&13CO2轻微地减少(自从4000年前)可能反映了聚集于土地生物圈中C的释放。在诸多

方面，因为泥炭地大量C的库存和长期连续分解的缓冲效果，所以泥炭地充当了“陆地海洋”的角色。

当今碳的循环

多年来多对C平衡的测量,其中包括CO2、CH4、溶解有机碳,以及北部的一些泥炭地中碳的排放量,展现了微弱的C源到强大C汇的气侯年际变化是水文和温度变动的结果(图2 b)。尽管年际变化大,但平均每年每平方米汇聚约20-30克的C。全部的碳平衡的平均值25（±31）g/㎡,year是最后几千年的平均值（≤10 g/㎡,year；见图2b）的2-3倍。这较高的C的积累速率是对全球变化包括气候变暖、CO2浓度的增加、氮沉降的增加的反映呢，还是有限采样所导致的呢？科学界现在还不能用泥炭地对气候的影响来回答，因为他们尚不十分了解泥炭地对全球变化因素的响应。

图2.全新世泥炭地C动态和全球C循环

(a)从观察泥炭核心数据建模，得到全球泥炭地每千年C积累的速率(gigatons C / kiloyear)网络图[Yu, 2011]。

(b)从图2a碳平衡中推断出来自北方泥炭地真正的瞬时C积累速率，泥炭地的面积随着时间的推移而增加。（误差线是处理标准误差的方法）

这些古数据来自大约2000个基底泥炭年龄和超过70个泥炭中C积累记录,代表着一个6000亿吨的C池。红点

表示碳平衡在三个泥炭地14年测量的所有数据标准偏差的平均值 [Roulet et al., 2007; Nilsson et al., 2008; Koehler et al., 2011].

(c)在欧洲对位于南极洲南极冰芯的提取和南极冰穹碳提取的计划中，组成大气二氧化碳(&13CO2)的c同位素作为提取的标准。 [Elsig et al., 2009]

（d）用EPICA测量大气CO2的浓度[Monnin et al., 2004]

注意在7000 - 10000年以前，高的碳积累(图2a和2b)很可能是和二氧化碳下降(图2d)和&13CO2增加同时进行的(图2C)，在其他时期，泥炭地可能扮演了次要但却显著的角色。

未来可能发展趋势和前进道路

观测证据显示在过去温暖的气候条件下，较高的C积累速率表明，北方的泥炭地在温暖的世界中可能会提供一个消极的气候反馈。然而,变暖引诱的冻土解冻(本身很难预测)会影响许多北方泥炭地的C循环率,而其显示的方式是很难预测的,尤其是对CH4排放速率(克里斯腾森等题,2004)。

对于异常气候情况下的快速气候变化所产生的可能影响，是不轻易在过去的生态系统的反应记录中看到的。季节性的变化比如多冬季变暖可能会使生产与分解之间的平衡倾斜。在未来的世纪，北方区域(50°和70°之间纬度)和一些热带地区的火灾和其它干扰也将增加,这也可能会释放几千年里积累下来的碳。

以下五个研究主题将加强对泥炭地C循环动态的科学了解

1.重要的数据和知识差距存在于古代和现代C流量的研究中。热带的泥炭地和一些偏远的北部地区很少得到关注。选择新的研究点时，应该考虑存在于现在和过去的环境和气候记录的空白处，包括气候控制的唯一性和相关性、气候敏感度和气候历史，有利于对全球综合体的转向和过程-层次的认识。

2.保存在泥炭沉积物中的C，为直接连接古代和现代C动态提供了一个独特的机会。同时，C平衡的年代际变化与评估气候变化的影响以及减灾政策制定是相关的。所以，要解决中间的时间尺度，在当代的这个时间尺度上新的概念和分析古代数据的方法以及将古代和现代的观测进行整合是急切需要当然。

3.最新数据表明，水文为泥炭地的生存提供了必要的条件，而气温可能在C的积累速率上起了主导作用。清楚的研究通过不同的时间尺度和泥炭地类型(例如，老与年轻，浅与深，雨养泥炭沼泽和矿养泥炭沼泽等)需要揭示和量化温度和水文变化在泥炭C平衡中的相关作用。

4.在永久冻土泥炭的融化和强烈的泥炭火灾的作用下，对C循环的过程了解不清楚，并且很难进行预测，但却代表了一个潜在的巨大碳流量期。因此还需要更多的研究来了解气候变化、改变扰动制度和泥炭地C平衡之间的联系。

5.用能代表泥炭地作为―复杂适应系统‖的模型去了解阈值情况和非线性动力学，[Belyea和博德,2006]，其中气候和内部反馈作为泥炭地适应环境变化的变量(Frolking等，2010)。一个重要的目标是将动态的泥炭地耦合在气候—碳循环模型中长期模拟（例如：劳伦斯2斯莱特，2008；Kleinen等，2010)

解决这些研究的空白不仅有助于洞察泥炭地在过去和未来全球碳循环中的作用，也将形成碳动态学和生物圈相互作用的新知识。泥炭地可以作为一个模拟的生态系统，在未来的几百年之几千年的气候变化中，帮助我们探讨和理解时间尺度的重要性和陆地碳动态的变化过程。

致谢

我们感谢泥炭地研究协会分享他们的数据集，感谢安迪博德以及一位匿名的评论员的评论，也感谢美国国家科学基金会对这项工作的支持。

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