全球泥炭地碳积累研究

摘 要：全球泥炭地碳库总量为612Gt，是全球碳循环的重要组成部分。北方泥炭、热带泥炭和南方泥炭碳储量分别为547Gt、50Gt、15Gt。前人已经进行了大量剖面碳积累研究，探索了各主要泥炭地形成历史和碳积累速率变化历史。但全球泥炭碳库储量估算还存在较大不确定性，全球如此巨量的碳库在长达上万年中是如何积累起来的，在不同历史阶段是怎样参与全球碳循环的，其碳积累过程的影响因素有哪些，这些问题还有待继续加强研究。

关键词：泥炭 碳积累 全新世 气候变化

中图分类号：X14 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）06-0302-02

一、全球泥炭地碳积累研究

泥炭是过湿的嫌气性自然环境中，植物残体尚未完全分解在原地或经搬运，在异地堆积而成，有机质含量在30%以上。

全球泥炭地总面积约达400×104km2，碳库总量为612Gt[1]，占土壤有机碳库（1500Gt）的1/2到1/3，相当于全球大气碳库碳储量的75%，是全球碳循环的重要组成部分。北方泥炭（30°N以北）、热带泥炭（30°N与30°S之间）和南方泥炭（30°S以南主要是南美巴塔哥尼亚）碳储量分别为547Gt、50Gt，15Gt[1]。

Yu研究统计了全球泥炭地碳积累研究结果：北方泥炭在西西伯利亚、加拿大、阿拉斯加、和北欧芬兰、苏格兰等地区，有33个研究剖面；热带泥炭在东南亚、南美、非洲、中美洲的伯利兹、南太平洋库克群岛和澳大利亚等地区、有26个研究剖面；南方泥炭有20个研究剖面，主要是在巴塔哥尼亚17个研究剖面（表1.1）[2]。研究结果显示全新世加权平均碳积累速率：南方泥炭>北方泥炭>热带泥炭（表1.1），当然在同一泥炭区域内由于地质地貌、水文因素等也会导致各个泥炭地碳积累速率有很大差异性。

表1.1全球主要泥炭地碳积累情况[2]

表1.2全球主要地区泥炭碳积累研究[2]

二、北方泥炭地碳积累研究

全球泥炭分布广泛，其中北方泥炭分布面积最大，储量最巨大。广泛发育的北方泥炭主要分布在西西伯利亚、加拿大东部、欧洲西北部和阿拉斯加。在适宜的地貌类型上，具备较好的基质，寒冷气候、低蒸发高湿度造就了北方泥炭形成和发展基础。尽管高纬度地区夏季短暂，较低的植被净初级生产力，但由于水淹厌氧条件，且植被有一定的耐分解能力，最终导致了凋落物量超过分解损失量，泥炭不断堆积。

由于区域性气候差异和冰消历史进程不同，各泥炭地形成时间不同。在早全新世11-8 ka BP北方泥炭出现形成和扩张峰，大约1/2的北方泥炭形成于8 ka BP以前[3]。阿拉斯加18 ka BP后泥炭形成数量稳定增加，泥炭形成数量增加最快时期是12-8.6 ka BP，在10.5 ka BP峰值出现。研究显示阿拉斯加现代泥炭中75%形成早于8.6 ka BP[4]。劳伦冰盖的降温作用影响了北方泥炭区全新世大暖期时间范围差异。由于劳伦冰盖影响，加拿大东部大暖期延迟到了5-3 ka BP，导致了此地区泥炭碳积累速率高峰也在此时才出现。西西伯利亚在新仙女木期之前泥炭发育很少，之后进入全新世升温期泥炭快速扩张，且碳积累峰随即出现。部分阿拉斯加泥炭形成扩张的时间要早于北方泥炭其他地区，并贡献了更多的全新世之前的甲烷排放。

北方泥炭最高碳积累速率出现在西西伯利亚（平均38.0 gCm-2a-1），接下来是加拿大西部（平均20.3 gCm-2a-1），最低积累速率出现在北极地区[3]。基于33个北方泥炭的研究结果显示：大部分北方泥炭是早全新世快速积累，早全新世平均碳积累速率为25 gCm-2a-1，全新世时间加权平均速率为18.6 gCm-2a-1[2]。阿拉斯加地区在11-9 ka BP全新世暖期，增强 夏季太阳辐射和强烈季节性，其导致最高碳积累速率发生。由于冰川融化的延迟和不同地区全新世暖期时间差异，其它地区积累峰相继出现。残余的劳伦冰盖降温影响使北美东部暖夏季时间滞后，以至于碳积累高峰出现在5-3 ka BP，加拿大西部碳积累峰发生在中全新世暖期，而西伯利亚北部温暖气候一直持续到5 ka BP。总体上，北方泥炭由于冻土层扩张和新冰期作用，碳积累速率在4 ka BP后开始降低。晚全新世出现的较高积累速率是因为新发育的泥炭地还为重复分解完成成炭作用[2]。阿拉斯加泥炭早全新世泥炭积累速率是后期的四倍，西西伯利亚也是早全新世暖期快速积累。高夏季温度和强烈季节性气候是高积累速率的关键因素[4]。总之，北方泥炭碳积累速率高峰发生在温暖早中全新世，主要是因为北方泥炭区的寒冷气候严重抑制生产力发展。

三、热带泥炭地碳积累研究

热带泥炭发育于赤道及其两侧，南北纬30度之间的地带。以非洲和南美洲大陆的面积最广，其次是印度和中南半岛以及南洋群岛[5]。热带泥炭区的特点是常年降水量大，温度高，十分湿润，造炭植物生长繁茂，快速有机质积累量超过强烈的分解量，故泥炭积累量很大，是世界上泥炭分布广泛的地带之一，其碳库储量为50 （44-55）Gt[2]。然而，Page S E估算的热带泥炭碳库为82-92Gt，最佳估计值为89Gt，其中东南亚最多（69Gt），之后是南美（10Gt）、非洲（7Gt）、中美洲和加勒比海（3Gt）、亚洲其它地区和太平洋地区（

热带泥炭能够形成泥炭主要是因为强降水和负地貌能保持泥炭表面持续湿润，进而最大程度抑制有机质分解。13 ka BP以前，热带泥炭碳积累较慢，直到5 ka BP都是逐渐增加，峰值出现在5-4 ka BP[2]。116个热带泥炭统计研究发现，热带泥炭形成于20 ka BP[2]，甚至是印度尼西亚的加里曼丹岛在26 ka BP就开始有泥炭发育。在末次冰消期热带泥炭形成出现一次峰值，之后在8-4 ka BP又出现更高扩张峰[2]。

热带泥炭形成总体要早于北方泥炭地。在降温末次冰消期，甚至是寒冷末次盛冰期，北方泥炭地形成于寒冷末次盛冰期的剖面还未见报道，而年均温度较高的热带泥炭地区如果有较好的地貌、水文和底物条件就可以形成泥炭。一方面，一部分现代北方泥炭区在末次盛冰期被冰雪覆盖没有形成泥炭的地理空间；另一方面，末次盛冰期的大幅降温严重抑制造炭植被生长，不利于泥炭形成。

四、南方泥炭地碳积累研究

南方泥炭地面积为4.5×104 km2，碳库储量为15Gt（13-18Gt）。68个有定年数据的南方泥炭的统计，大部分南方泥炭形成于10.0 ka BP以前，17-14.5 ka BP 和13.5 ka BP左右先后出现两次泥炭扩张峰[2]。有碳积累速率数据的有20个剖面（南美巴塔哥尼亚、新西兰和南极附近岛屿），17个剖面在南美巴塔哥尼亚，其中13个剖面贯穿了整个全新世。最高碳积累速率出现在16 ka BP左右，但这只是两个点的平均值。全新世期间碳积累速率不断增加，从15gCm-2a-1逐渐增加到28-40gCm-2a-1，全新世平均碳积累速率为22.0gCm-2a-1[2]。

五、泥炭碳积累与全球碳循环的关系

大气碳模型研究显示，在过去的几十年里北方高纬度地区是一个变化的碳库，每年约储存1-2Gt碳。生态系统模型研究显示欧亚大陆碳库每年0.3-0.6Gt。由于有巨量的CO2和CH4交换，北方泥炭是最主要的泥炭地，是全球碳循环和气候变化的重要参与者。湿地每年释放大约115-237百万吨CH4，相当于总释放量（自然和人为排放总量）的23-40%。大约1/3到1/2的湿地CH4排放来自于北方泥炭地。CH4的温室效应在百年时限是CO2的25倍，在五百年时限是CO2的2.5倍。泥炭与大气碳交换是最重要的碳循环途径。泥炭地土壤温度和基质质量是影响甲烷释放的重要因素。早全新世由于北半球甲烷排放，导致全球大气甲烷浓度快速上升（图1.2）。海洋和陆地（湿地）是主要排放源。北方泥炭地近十年的研究发现，由于气候变化影响，有些泥炭地会在碳库和碳源之间转换。

冰芯CH4碳同位素变化说明了早全新世CH4大气浓度上升来自于生物圈，而非海洋。早全新世冰芯记录两极CH4梯度变化说明热带源起了主导作用，同时北方源也增加了。1516个泥炭定年数据的统计分析，得出大部分北方泥炭形成在16.5 ka BP之后[6]。由于夏季太阳辐射增强泥炭形成扩张高峰出现在12-8 ka BP，泥炭面积扩张最快和最高碳积累速率出现在11-8 ka BP，这导致了B/A暖期和早全新世持续的大气CH4浓度高峰和CO2浓度下降 [3]。

泥炭巨大碳库可能也影响了过去大气CO2浓度，当早全新世CH4上升时，CO2处于相对低值，相当于大气减少了100Gt碳。陆地生态系统模型研究认为生物量和土壤碳扣押了这些碳[7]。

六、研究展望

由于缺乏高精度，广泛分布的碳积累研究剖面，全球泥炭碳库储量还存在较大不确定性。全球如此巨量的碳库在长达上万年中是如何积累起来的，在不同历史阶段是怎样参与全球碳循环的，其碳积累过程的影响因素有哪些，要解决这些问题还有待加强泥炭剖面研究。泥炭地碳库具有高度气候敏感性，弄清楚全球各主要泥炭地碳积累机制，将有助于预测未来气候变化背景下的发育演变和泥炭地现状保护。

参考文献

[1]Yu， Z. C. （2011）. Holocene carbon flux histories of the world's peatlands： Global carbon-cycle implications. Holocene 21， 761-774.

[2]Yu， Z. C， Loisel， J， Brosseau， D. P， Beilman， D. W， and Hunt， S. J. （2010）. Global peatland dynamics since the Last Glacial Maximum. Geophysical Research Letters 37.

[3]Yu， Z. C， Beilman， D. W， and Jones， M. C. （2009）. Sensitivity of northern peatland carbon dynamics to Holocene climate change. Carbon Cycling in Northern Peatlands.

[4]Jones， M.C，and Yu，Z.C.（2010）. Rapid deglacial and early Holocene expansion of peatlands in Alaska. Proceedings of the national academy of sciences of the united states of america 107， 7347-7352.

[5]Page，S.E，Rieley，J.O，and Banks，C.J.（2011）.Global and regional importance of the tropical peatland carbon pool. Global Change Biology 17， 798-818.

[6]MacDonald，G.M，Beilman，D.W，Kremenetski，K.V，Sheng，Y.W，Smith，L.C，and Velichko，A.A.（2006）.Rapid early development of circumarctic peatlands and atmospheric CH4 and CO2 variations. Science 314， 285-288.

[7]Kohler，P，Joos，F，Gerber，S，and Knutti，R.（2005）.Simulated changes in vegetation distribution，land carbon storage， and atmospheric CO2 in response to a collapse of the North Atlantic thermohaline circulation.Climate Dynamics 25， 689-708.

作者简介：蔡诚（1984-），男，博士研究生，主要从事泥炭湿地碳动力学研究。