长白山区泥炭地近200年来碳累积过程模拟

收稿日期：2020-05-13
作者简介：李佳鑫（1995-），女，吉林松原人，中级教师，硕士，主要从事中学地理教学工作，（电话）159****5571（电子信箱）****************。

李佳鑫.长白山区泥炭地近200年来碳累积过程模拟［J ］.湖北农业科学，2021，60（2）：61-65．
长白山区泥炭地近200年来碳累积过程模拟
李佳鑫1，
2
（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）
摘要：基于长白山区2个近200年210Pb 定年的泥炭剖面数据，利用不同分解模型（单指数分解模型、双指数分解模型、线性分解模型）拟合估算了活跃层泥炭好氧分解过程中碳的输入率（p ）、分解率（k ）。

通过敏感性分析，探讨p 、k 变化对泥炭地碳累积的影响。

结果表明，近200年来，老里克泥炭剖面有机碳含量变化范围为34.4%~44.8%，碳累积速率（Rate of carbon accumulation ，RCA ）均值为79.9g/（m 2·年）；白江河泥炭剖面的有机碳含量变化范围为24.4%~42.5%，RCA 均值为62.4g/（m 2·年）。

2个剖面的碳累积质量-年龄曲线都呈凹形，表明近200年来泥炭持续分解。

3种模型中，单指数模型拟合效果最佳。

根据模拟结果，老里克泥炭地的碳输入率为109.9407g/（m 2·年），分解率为0.0055；比较而言，白江河泥炭地的输入率稍低，为87.4788g/（m 2·年），而分解率更快，为0.0103。

敏感性分析表明，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）。

与分解率相比，输入率对泥炭累积变化影响更大。

关键词：泥炭；碳累积速率；分解模型中图分类号：X142；P512.2
文献标识码：A
文章编号：0439-8114（2021）02-0061-05DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2021.02.011
开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：
Modelling carbon accumulation process in peatlands for nearly 200years ，Changbai mountain
LI Jia-xin 1，
2
（1.College of Geographical Sciences ，Northeast Normal University ，Changchun 130024，China ；
2.No.1Middle School of Dalian Hitech Park ，Dalian 116023，Liaoning ，China ）
Abstract ：Based on the peat profile data of
210
Pb fixed years in Changbai mountain area in recent 200years ，the carbon input rate （p ）
and decomposition rate （k ）in the aerobic decomposition process of active layer peat were estimated by using different decomposition
models （single exponential decomposition model ，double exponential decomposition model and linear decomposition model ）fitting.The effect of p and k on carbon accumulation in peatland was studied by sensitivity analysis.The results showed that the Laolike peat profile in the past 200years ；The organic carbon content varied from 34.4%to 44.8%，and the rate of carbon accumulation （Rate of carbon accumulation ，RCA ）averaged 79.9g/（m 2·year ）.The variation range of organic carbon content in the peat profile of Baijianghe was from 24.4%to 42.5%，and the mean RCA was 62.4g/（m 2·year ）.The carbon accumulation massage curves of both profiles were concave ，indicating that peat continued to decompose in the past 200years.Among the three models ，the single exponential model had
the best fitting effect.According to the simulation results ，the carbon input rate of Laolike peatland was 109.9407g/（m 2·year ），and the decay rate was 0.0055；Comparatively speaking ，the input rate of Baijiang peatland was slightly lower ，which was 87.4788g/（m 2·year ），while the decay rate was faster ，which was 0.0103.Sensitivity analysis showed that under the condition of constant input rate ，increas⁃ing decay rate will cause the curve to move upward （peat accumulation decreases ）；At a constant decomposition rate ，a reduction in the input rate would cause the curve to move upwards （a reduction in peat accumulation ）.Compared with the decomposition rate ，the input rate had more influence on the accumulation of peat.
Key words ：peat ；carbon accumulation rate ；decay model
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600Gt 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（CO 2、CH 4和N 2O ）
湖北农业科学2021年
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1478m，东西长650m，南北宽310m，面积约0.21km2，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780m，东西宽1.1km，南北长1.6km，面积约0.64km2。

20世纪80年代该泥炭地的东北部分约0.35km2因造林被排水改造。

两地平均气温为3℃，年降水量为700~800mm。

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50cm泥炭后修剪整齐，老里克剖面修剪成13cm×15cm×50cm的长方体，白江河剖面修剪成10cm×12cm×50cm的长方
体。

2个剖面现场按1cm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10g湿样，105℃烘干至恒重，使用玛瑙磨碎过60目筛，然后装入7mL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80000s。

样品总铅210Pb tot活度依46.54keV标志峰面积计算，支持铅的活度210Pb sup根据214Bi（609.31keV）和214Pb（351.92 keV）的活度估算，过剩铅（210Pb ex）的年龄选择恒定通量模型（Constant rate of supply，CRS）［11］，同时利用137Cs（661.67keV）活度的剖面变化验证210Pb ex的年代模型。

1.2.3容重和有机碳测定每个样品取约10mL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：
d
bulk=
()W总×M/V总（1）
式中，d
bulk
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3mg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：
RERCA[g/(m2⋅年)]=Z/T yr×d bulk×C c×100（2）
式中，T
yr
为深度Z（cm）处的年龄；d
bulk
为干容重
（g/cm3）；C
c
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210Pb ex 比活度在表层高达2062.4Bq/kg，向下持续下降，至28cm达到210Pb ex平衡深度，比活度为35.5Bq/kg（图1a）。

白江河泥炭剖面210Pb ex比活度最高值出现在
62
第2期
2cm处，为1280.8Bq/kg，之后呈波动下降，14cm处达到平衡深度，比活度为166.2Bq/kg（图1c），基于210Pb ex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
模型名称
单指数双指数线性
公式
M=（p/k）（1-exp（-kt））
M=（p1/k1）（1-exp（-k1t））+（p2/k2）（1-exp（-k2t））
M=（p/k）ln（1+kt）
备注
M为单位面积累积的泥炭或碳的干质量，单位为g/m2；p为单位面积单位时间
输入的泥炭或碳干质量，单位为g/（m2·年）；k为分解率，即单位时间分解的泥炭
或碳质量与初始质量之比。

p1、k1分别为易分解组分的输入率和分解率，
p2、k2分别为难分解组分的输入率与分解率
比活度//Bq/kg
50010001500200025003000
5
10
15
20
25
30
深
度
/
/
c
m
210Pb ex
137Cs老里克（a）
年份
175018001850190019502000
5
10
15
20
25
30
深
度
/
/
c
m
1963
老里克（b）
比活度//Bq/kg
50010001500
5
10
15
20
深
度
/
/
c
m
210Pb ex
137Cs白江河（c）
年份
1850190019502000
5
10
15
20
深
度
/
/
c
m1963
白江河（d）
图1老里克、白江河剖面210Pb ex、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，2~17cm保持在0.08~0.18g/cm3小幅波动，17~21cm略高，最高值出现在18~19cm，为0.26g/cm3，21cm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28cm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2cm较低，向下逐渐升高，3~10cm大部分在0.16~0.18g/cm3，8~9
cm最高，与老里克剖面相当，为0.26g/cm3，10cm以下逐渐降低，至剖面底部容重为0.09g/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8~9cm，为24.43%。

碳累积速率（图2f）表层最高，为144.8g/（m2·年），向下由
李佳鑫：长白山区泥炭地近200年来碳累积过程模拟63
湖北农业科学2021年
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48.7~58.4g/（m 2·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 =121.2229，k =0.0010）、单指数（p =109.9407，k =0.0055）和双指数（p 1=69.9401，k 1=0.0055；p 2=39.9997，k 2=0.0055）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 =93.0338，k =0.0168）、单指数（p =87.4788，k =0.0103）和双指数（p 1=54.9953，k 1=0.0103；p 2=32.4835，k 2=0.0103）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。

容重//g/cm 300.10.20.3有机碳//%
203040
RERCA //g/（m 2·年）050100150
0510********
深度//c m
（a ）
（b ）
（c ）
容重//g/cm 300.10.20.3有机碳//%203040
RERCA //g/（m 2·年）050100150
510
15
20
深度//c m
（d ）（e ）（f ）
a 、
b 、
c 为老里克剖面；
d 、
e 、
f 为白江河剖面
图2
剖面容重、有机碳、碳累积速率变化
2000400060008000
100001200014000
碳累积量//g /m 2
A B
50
100
150
200
250
累积时间//年数据点
单指数分解模型双指数分解模型线性分解模型0
100020003000400050006000
碳累积量//g /m 2
25
50
75
100
125
累积时间//年
数据点
单指数分解模型双指数分解模型线性分解模型图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28cm
为23.5g /（m 2·年）。

白江河剖面碳累积速率表层最高，为144.8g/（m 2·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48.7~58.4g/（m 2·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
64
第2期
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。

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