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?yàn)槔?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(xué)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(rèn)為是全球陸地碳預(yù)算的重要組成部分。但是，對(duì)這一地區(qū)碳循環(huán)機(jī)制的研究還存在爭(zhēng)議，干旱半干旱區(qū)實(shí)際碳庫的大小尚不明確。與此同時(shí)，自然氣候條件下有機(jī)、無機(jī)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(shí)間尺度氣候變化與環(huán)境演變情況的定量重建，這對(duì)理解氣候、環(huán)境演變

2、與碳循環(huán)過程間反饋機(jī)制，衡量其在全球碳循環(huán)中重要性，深入理解全球碳預(yù)算，精確預(yù)測(cè)未來碳循環(huán)演變趨勢(shì)至關(guān)重要。
　　對(duì)區(qū)域碳循環(huán)過程和機(jī)制的充分了解，是實(shí)現(xiàn)全面、可靠評(píng)估全球碳循環(huán)過程與碳預(yù)算的基礎(chǔ)。內(nèi)流河流域(Endorheic Basin)大多分布于干旱、半干旱區(qū)，對(duì)氣候和變化極度敏感，由于其擁有相對(duì)封閉的地理?xiàng)l件和一個(gè)相對(duì)獨(dú)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(duì)象。本文針對(duì)干旱、半干旱區(qū)存在的無機(jī)碳庫實(shí)際

3、大小，有機(jī)、無機(jī)碳庫相對(duì)重要性的爭(zhēng)論，及碳循環(huán)與氣候、環(huán)境演變響應(yīng)等問題，結(jié)合內(nèi)流河流域本身地理?xiàng)l件優(yōu)勢(shì)，以石羊河流域?yàn)槔?，?shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)間尺度有機(jī)、無機(jī)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(jī)理的基礎(chǔ)上，建立終端區(qū)域評(píng)價(jià)模式，定量估算全球內(nèi)流河流域中全新世與現(xiàn)代無機(jī)碳庫，并評(píng)估其在全球碳循環(huán)中的重要性。本項(xiàng)研究有助于實(shí)現(xiàn)全球碳循環(huán)定量化，確立現(xiàn)代全球碳預(yù)算，理解和

4、預(yù)測(cè)未來碳循環(huán)與氣候、環(huán)境演變相互關(guān)系，對(duì)全球政治經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。
　　本文通過對(duì)石羊河流域千年尺度氣候變化過程和驅(qū)動(dòng)力的研究，以及現(xiàn)代表土花粉傳播特征與對(duì)應(yīng)植被帶的數(shù)理分析，綜合全流域不同位置8個(gè)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(shí)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(shì)，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(shì)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(kuò)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(shí)間變化定量分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雖然氣候變化的主導(dǎo)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(duì)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(shì)，使生態(tài)環(huán)境得到一定程度恢復(fù)，滿足生態(tài)恢復(fù)長期目標(biāo)的要求。
　　本文以石羊河流域中全新世8個(gè)沉積剖面共計(jì)584個(gè)礦物成分分析數(shù)據(jù)，132個(gè)總碳酸鹽含量數(shù)據(jù)和92個(gè)radiocarbon/

8、OSL(Optically Stimulated Luminescence)測(cè)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(píng)價(jià)法”，定量計(jì)算石羊河流域中全新世無機(jī)碳庫。同時(shí)，為檢驗(yàn)干旱區(qū)內(nèi)流河流域無機(jī)碳庫和有機(jī)碳庫的相對(duì)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(jì)算石羊河流域中全新世有機(jī)碳匯。結(jié)果顯示，石羊河流域中全新世DIC儲(chǔ)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(jī)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?cái)?shù)據(jù)和地下水化學(xué)特征，終端湖地區(qū)的DIC儲(chǔ)量代表了全流域的無機(jī)碳匯能力，如果將終端湖作為獨(dú)立碳庫研究，會(huì)導(dǎo)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(shí)，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(shì)，多年累積NEP總量達(dá)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(jī)碳匯速率為~125g C m-2yr-1，遠(yuǎn)高于無機(jī)碳庫。此外，流域不同部位生態(tài)系統(tǒng)碳匯對(duì)氣候變化的響應(yīng)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(jìn)生態(tài)系統(tǒng)碳排放，上游溫度升高促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)碳吸收，中上游降水對(duì)碳匯的

11、促進(jìn)作用明顯，而溫度的促進(jìn)作用有限，甚至對(duì)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(qiáng)正相關(guān)集中在下游荒漠區(qū)。
　　在定量計(jì)算石羊河流域無機(jī)碳匯和深入理解其長時(shí)間尺度碳循環(huán)機(jī)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)全球49個(gè)內(nèi)流河流域終端湖的湖泊面積及各項(xiàng)湖水理化指標(biāo)，本文通過定義一個(gè)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(gè)內(nèi)流河流域，運(yùn)用“終端湖評(píng)價(jià)方法”評(píng)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(jì)算得到全球內(nèi)流河流域現(xiàn)代無機(jī)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(jī)碳庫總量則達(dá)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(yùn)的無機(jī)碳負(fù)載(0.3Pg C yr-1)及地下水無機(jī)碳匯(~0.2

13、Pg C yr-1)，全球內(nèi)流河流域現(xiàn)代無機(jī)碳匯(0.152Pg C yr-1)相對(duì)較弱。同時(shí)，由于本研究使用的“終端區(qū)域評(píng)價(jià)法”并未考慮流域內(nèi)鹽/堿性土壤對(duì)CO2的吸收，盡管碳庫效應(yīng)對(duì)結(jié)果同樣可以產(chǎn)生影響，得出的全球無機(jī)碳估算量可能是真實(shí)值的一個(gè)合理下限。與此同時(shí)，由于全球內(nèi)流河流域總體上呈現(xiàn)增溫增濕態(tài)勢(shì)，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(xiàng)研究結(jié)果顯示全球內(nèi)流河

14、流域無機(jī)碳循環(huán)確實(shí)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(yù)算中的重要組成部分。
　　全球碳預(yù)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(jī)理的不明確限制了對(duì)陸地和海洋凈匯碳能力計(jì)算結(jié)果的可信度。目前雖然已有相當(dāng)多的科學(xué)研究通過衛(wèi)星觀測(cè)，模型