內(nèi)流河流域全新世環(huán)境變化與碳循環(huán)-以石羊河流域為例.pdf

1、全球碳循環(huán)作為地球各圈層相互連接的紐帶，是地球系統(tǒng)物質(zhì)、能量循環(huán)的關(guān)鍵，已有諸多科學研究關(guān)注陸地和海洋碳循環(huán)。干旱半干旱地區(qū)占陸地表面積的47％，在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色，被認為是全球陸地碳預算的重要組成部分。但是，對這一地區(qū)碳循環(huán)機制的研究還存在爭議，干旱半干旱區(qū)實際碳庫的大小尚不明確。與此同時，自然氣候條件下有機、無機碳庫的定量估算和碳循環(huán)過程的研究，依賴于研究區(qū)長時間尺度氣候變化與環(huán)境演變情況的定量重建，這對理解氣候、環(huán)境演變

2、與碳循環(huán)過程間反饋機制，衡量其在全球碳循環(huán)中重要性，深入理解全球碳預算，精確預測未來碳循環(huán)演變趨勢至關(guān)重要。
　　對區(qū)域碳循環(huán)過程和機制的充分了解，是實現(xiàn)全面、可靠評估全球碳循環(huán)過程與碳預算的基礎。內(nèi)流河流域(Endorheic Basin)大多分布于干旱、半干旱區(qū)，對氣候和變化極度敏感，由于其擁有相對封閉的地理條件和一個相對獨立和完整的碳循環(huán)系統(tǒng)，使其成為研究區(qū)域陸地碳循環(huán)過程的理想對象。本文針對干旱、半干旱區(qū)存在的無機碳庫實際

3、大小，有機、無機碳庫相對重要性的爭論，及碳循環(huán)與氣候、環(huán)境演變響應等問題，結(jié)合內(nèi)流河流域本身地理條件優(yōu)勢，以石羊河流域為例，實現(xiàn)了對干旱、半干旱地區(qū)全新世千年尺度環(huán)境演變的定量重建，和不同時間尺度有機、無機碳庫的定量估算。在深入理解區(qū)域碳循環(huán)過程及其與環(huán)境演變反饋機理的基礎上，建立終端區(qū)域評價模式，定量估算全球內(nèi)流河流域中全新世與現(xiàn)代無機碳庫，并評估其在全球碳循環(huán)中的重要性。本項研究有助于實現(xiàn)全球碳循環(huán)定量化，確立現(xiàn)代全球碳預算，理解和

4、預測未來碳循環(huán)與氣候、環(huán)境演變相互關(guān)系，對全球政治經(jīng)濟穩(wěn)定和人類社會可持續(xù)發(fā)展有重要意義。
　　本文通過對石羊河流域千年尺度氣候變化過程和驅(qū)動力的研究，以及現(xiàn)代表土花粉傳播特征與對應植被帶的數(shù)理分析，綜合全流域不同位置8個沉積剖面全新世孢粉記錄，首次根據(jù)孢粉記錄的植被垂直地帶性，提出一種新的Pollen-precipitation indices，定量重建了石羊河流域全新世不同時期植被帶范圍變化。全新世早期(~10000-~700

5、0cal a BP)，石羊河流域海拔2700-3100m為亞高山灌叢植被帶，海拔2500-2700m發(fā)育森林植被帶，海拔1500-2100m發(fā)育山前草原植被帶，1500m以下為荒漠草原植被帶；全新世中期(~7000-~3500cal a BP)植被類型較全新世早期并未發(fā)生變化，但呈現(xiàn)出干旱化趨勢，亞高山灌叢植被帶分布于海拔2750-3150m范圍，森林植被帶退縮至海拔2550-2750m，海拔1550-2150m為山前草原植被帶，155

6、0m以下為荒漠草原植被帶；全新世晚期(~3500-~0cal a BP)，石羊河流域干旱化趨勢更為明顯，林線退縮程度增大，亞高山灌叢植被帶分布區(qū)為海拔3150~3550m，森林植被帶位于海拔2950-3150m，海拔1950-2550m為山前草原植被帶，海拔1450-1950m為荒漠草原植被帶，荒漠植被帶擴展至海拔1250-1450m范圍，流域終端湖豬野澤東北邊緣處出現(xiàn)少量沙漠植被帶，海拔范圍1050-1250m。此外，結(jié)合石羊河流域2

7、000年-2014年夏季(6~8月)NDVI空間與時間變化定量分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雖然氣候變化的主導作用使石羊河流域植被覆蓋年際變化總體呈現(xiàn)一致性，但現(xiàn)行流域治理方法對流域植被變化的影響仍較為明顯，流域現(xiàn)行治理規(guī)劃措施基本符合石羊河流域自然狀態(tài)下演化趨勢，使生態(tài)環(huán)境得到一定程度恢復，滿足生態(tài)恢復長期目標的要求。
　　本文以石羊河流域中全新世8個沉積剖面共計584個礦物成分分析數(shù)據(jù)，132個總碳酸鹽含量數(shù)據(jù)和92個radiocarbon/

8、OSL(Optically Stimulated Luminescence)測年數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合中全新世豬野澤湖泊面積重建結(jié)果，提出“終端區(qū)域評價法”，定量計算石羊河流域中全新世無機碳庫。同時，為檢驗干旱區(qū)內(nèi)流河流域無機碳庫和有機碳庫的相對重要性，通過定量化現(xiàn)代NEP數(shù)據(jù)與流域植被帶分布的關(guān)系，結(jié)合流域千年尺度環(huán)境定量重建結(jié)果，計算石羊河流域中全新世有機碳匯。結(jié)果顯示，石羊河流域中全新世DIC儲量為0.13Pg，平均碳匯速率0.89g

9、C m-2yr-1。這一數(shù)值與全球地下水無機碳通量近似(1.34g C m-2yr-1globally and lower in the arid zone)。根據(jù)石羊河流域碳酸鹽同位素數(shù)據(jù)和地下水化學特征，終端湖地區(qū)的DIC儲量代表了全流域的無機碳匯能力，如果將終端湖作為獨立碳庫研究，會導致DIC沉積速率的異常高值，例如在豬野澤地區(qū)，這一數(shù)值為57.58g C m-2yr-1。同時，2000-2014年石羊河流域平均單位NEP為85.

10、07g C m-2yr-1，年均NEP總量為3.43×1012g C yr-1，總體呈增加趨勢，多年累積NEP總量達5.16×1013g C。結(jié)合全新世植被帶重建結(jié)果，石羊河流域中全新世有機碳匯速率為~125g C m-2yr-1，遠高于無機碳庫。此外，流域不同部位生態(tài)系統(tǒng)碳匯對氣候變化的響應具有差異性，NEP與降水、溫度等氣候因子的相關(guān)關(guān)系區(qū)域差異明顯。下游降水增加促進生態(tài)系統(tǒng)碳排放，上游溫度升高促進生態(tài)系統(tǒng)碳吸收，中上游降水對碳匯的

11、促進作用明顯，而溫度的促進作用有限，甚至對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯具有抑制作用，太陽輻射因子與生態(tài)系統(tǒng)碳匯強正相關(guān)集中在下游荒漠區(qū)。
　　在定量計算石羊河流域無機碳匯和深入理解其長時間尺度碳循環(huán)機理的基礎上，根據(jù)全球49個內(nèi)流河流域終端湖的湖泊面積及各項湖水理化指標，本文通過定義一個權(quán)重系數(shù)，Alkalinity×Lake area，來確定碳酸鹽型(carbonate)，硫酸鹽型(sulfate)和巖鹽型(chlorine)流域所占的比例

12、。之后選取全球不同位置11個內(nèi)流河流域，運用“終端湖評價方法”評估全球內(nèi)流河流域中全新世DIC含量及現(xiàn)代DIC沉積速率。最終計算得到全球內(nèi)流河流域現(xiàn)代無機碳匯速率為0.152Pg C yr-1，中全新世為0.211Pg C yr-1，而全球內(nèi)流河流域中全新世無機碳庫總量則達到了739.1Pg。與全球碳循環(huán)中的其他通量相比，如深海碳埋藏(0.2Pg C yr-1)、河流搬運的無機碳負載(0.3Pg C yr-1)及地下水無機碳匯(~0.2

13、Pg C yr-1)，全球內(nèi)流河流域現(xiàn)代無機碳匯(0.152Pg C yr-1)相對較弱。同時，由于本研究使用的“終端區(qū)域評價法”并未考慮流域內(nèi)鹽/堿性土壤對CO2的吸收，盡管碳庫效應對結(jié)果同樣可以產(chǎn)生影響，得出的全球無機碳估算量可能是真實值的一個合理下限。與此同時，由于全球內(nèi)流河流域總體上呈現(xiàn)增溫增濕態(tài)勢，NEP總量將有所增加，但中亞北部、澳大利亞中西部和南美洲南部荒漠區(qū)降水量的減少將降低生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力。本項研究結(jié)果顯示全球內(nèi)流河

14、流域無機碳循環(huán)確實并不像之前研究提出的那樣顯著(現(xiàn)代0.152Pg C yr-1，中全新世0.211Pg C yr-1)，但依然是陸地碳預算中的重要組成部分。
　　全球碳預算最大的不確定性來源于陸地碳庫中的碳失匯(“missing”or“residual”terrestrial carbon sink)，陸地碳失匯的不確定性及其機理的不明確限制了對陸地和海洋凈匯碳能力計算結(jié)果的可信度。目前雖然已有相當多的科學研究通過衛(wèi)星觀測，模型