諶小慧，張 彥*，武 政，楊艷麗，陳昭一，劉元恭

(1.福建師范大學(xué)福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350007；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建福州 350007；3.海南師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南?？?571158)

多年凍土主要分布在北半球中高緯度的高海拔地區(qū)，約占北半球陸地面積的23.9%[1]。在低溫條件下，多年凍土有機(jī)質(zhì)分解速度緩慢，有機(jī)碳含量高，是全球重要的碳儲(chǔ)存庫(kù)[2-4]。IPCC第六次評(píng)估報(bào)告(AR6)指出，在過(guò)去的三四十年，全球多年凍土區(qū)30 m 以上的凍土溫度都有不同程度的上升，在全球氣候變暖的背景下，多年凍土的厚度和面積明顯減小[5]。有研究表明，多年凍土退化與氣候變暖之間存在著正反饋效應(yīng)，增溫會(huì)引起多年凍土消融，導(dǎo)致多年凍土中長(zhǎng)期封存的有機(jī)碳釋放到大氣中，影響大氣碳平衡，并反作用于氣候變暖[6]。碳累積和碳釋放是多年凍土退化與氣候變化互饋效應(yīng)中的重要過(guò)程[7]，揭示多年凍土區(qū)有機(jī)碳庫(kù)的變化過(guò)程，是維持凍土圈碳庫(kù)平衡和適應(yīng)全球氣候變化所面臨的重要科學(xué)問(wèn)題。

泥炭沼澤碳儲(chǔ)量約占全球土壤碳庫(kù)的30%，是全球重要的碳儲(chǔ)存庫(kù)之一[8]，其中分布在多年凍土區(qū)的泥炭地碳儲(chǔ)量約為277 Pg碳，約占大氣碳儲(chǔ)量的1/3，在全球碳循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[3]。在全球增溫的背景下，多年凍土退化過(guò)程促使泥炭中的碳大量釋放出來(lái)[9-11]，其中高山多年凍土區(qū)泥炭地因低溫和生長(zhǎng)季短暫等環(huán)境特征，對(duì)增溫響應(yīng)尤為敏感[12-13]。全球氣候模型的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，到21世紀(jì)末，北半球高緯度地區(qū)將會(huì)增溫7～8 ℃，多年凍土區(qū)泥炭地將損失25%的有機(jī)碳[14-15]。因此，深入研究北半球高山多年凍土區(qū)泥炭地有機(jī)碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，對(duì)深刻理解全球氣候變化過(guò)程具有重要意義。然而，由于不同區(qū)域泥炭厚度、有機(jī)碳累積過(guò)程以及局地氣候特征的差異，導(dǎo)致對(duì)多年凍土區(qū)泥炭地碳儲(chǔ)存潛力的評(píng)估仍存在很大的不確定性[16]。因此，精準(zhǔn)評(píng)估不同多年凍土區(qū)泥炭地的有機(jī)碳儲(chǔ)量并揭示其影響機(jī)理，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)凍土圈碳庫(kù)平衡及其對(duì)全球氣候變化的適應(yīng)特征十分必要。

中國(guó)泥炭地有機(jī)碳儲(chǔ)量研究主要集中在華中地區(qū)的江漢平原和神農(nóng)架大九湖[17-18]、西南高海拔地區(qū)的青藏高原[19-21]、東北地區(qū)高緯度的大小興安嶺[22-23]、長(zhǎng)白山和三江平原[24-25]、西北地區(qū)的新疆天山[26]等地，為評(píng)估中國(guó)泥炭地碳儲(chǔ)量提供了重要依據(jù)。中國(guó)西北地區(qū)的阿爾泰山是典型的中亞干旱、半干旱高山區(qū)，也是對(duì)全球氣候變化最為敏感的自然過(guò)渡帶之一。高山區(qū)多年凍土分布廣泛，其中分布在海拔2 500 m左右的多年凍土區(qū)的泥炭資源最為豐富，泥炭層較厚，最深處約10 m，并伴有大量呈不連續(xù)狀分布的多年凍土凍脹丘群，屬于典型荒漠干旱中山帶多年凍土泥炭沼澤，也是阿爾泰山碳儲(chǔ)量最大的區(qū)域[27-28]。目前，對(duì)該區(qū)泥炭沼澤的研究主要集中在泥炭記錄的環(huán)境變化方面[29-30]，但是對(duì)泥炭有機(jī)碳密度和有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算缺少相關(guān)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對(duì)該區(qū)泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)存潛力的認(rèn)識(shí)不足[31]。此外，由于不同區(qū)域泥炭碳儲(chǔ)量估算的深度分辨率具有不一致性[21,24,32]，導(dǎo)致中國(guó)泥炭沼澤碳儲(chǔ)量估算具有較大的不確定性。不同局地環(huán)境條件下的多年凍土區(qū)泥炭沼澤，其泥炭厚度、有機(jī)碳密度和單位面積碳儲(chǔ)量有何差異？不同深度分辨率計(jì)算對(duì)估算深層泥炭碳儲(chǔ)量有何影響？厘清以上科學(xué)問(wèn)題，對(duì)于精準(zhǔn)評(píng)估中國(guó)泥炭沼澤碳儲(chǔ)量及其影響因素具有重要意義。

基于此，以中國(guó)西北阿爾泰山3處典型多年凍土區(qū)泥炭沼澤為研究對(duì)象，分析不同局地環(huán)境條件下，泥炭剖面單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化特征和差異，并結(jié)合局地氣候、水文、植被等因素，揭示局地環(huán)境對(duì)泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響。同時(shí)，以2 cm 分辨率為基準(zhǔn)，估算不同分辨率下多年凍土區(qū)泥炭的有機(jī)碳儲(chǔ)量，探討不同分辨率對(duì)評(píng)估泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響。本研究可補(bǔ)充中國(guó)西北干旱半干旱多年凍土區(qū)泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，有助于理解不同分辨率對(duì)估算深層泥炭碳儲(chǔ)量的影響，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估全球泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其變化趨勢(shì)具有重要科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿爾泰山橫跨中國(guó)、蒙古國(guó)、俄羅斯和哈薩克斯坦四國(guó)，呈西北-東南走向，總長(zhǎng)約2 000 km。中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)的阿爾泰山位于整個(gè)山系中段的南坡，長(zhǎng)約750 km，地處46°33′35″N至49°10′45″N，85°31′37″E至91°1′15″E之間[27]。山區(qū)地屬溫帶大陸性寒冷氣候，冬季漫長(zhǎng)(約200 d以上)，積雪厚1～2 m。夏季短暫冷涼，年平均氣溫為-3.6～-1.8 ℃，雪線以上冰雪恒凍，終年寒冷；年降水量為400～600 mm，呈現(xiàn)出隨海拔的升高而遞增，由西北向東南遞減的明顯變化趨勢(shì)，屬典型的干旱-半干旱氣候區(qū)[33]。山區(qū)內(nèi)多年凍土面積達(dá)1.1×104km2，約占整個(gè)山區(qū)面積的10%，多年凍土下界分布在海拔2 200 m左右的中山帶山間沼澤化洼地以及陰坡海拔2 560～2 660 m的地帶，在2 800 m以上呈大片狀或連續(xù)分布[34]。大面積泥炭沼澤分布在2 500 m左右的中山帶島狀多年凍土區(qū)內(nèi)，泥炭厚度較大，并伴有大量的多年凍脹丘群，屬于典型的中亞干旱區(qū)中山帶多年凍土泥炭沼澤(圖1)。多年凍土泥炭沼澤橫貫整個(gè)山脈，沿山脈西北-東南走向按溫度、降水和日照時(shí)長(zhǎng)梯度均勻分布，分別為黑湖泥炭沼澤(采樣點(diǎn)1)、哈拉薩孜泥炭沼澤(采樣點(diǎn)2)和三道海子泥炭沼澤(采樣點(diǎn)3)(圖1)。三處多年凍土泥炭沼澤的地理位置、海拔高度、泥炭層厚度、區(qū)域溫度、降水量、蒸發(fā)量、日照百分率等的詳細(xì)概況如表1 所示。三處多年凍土區(qū)的局地溫度、降水、日照時(shí)長(zhǎng)、凍土發(fā)育等條件存在明顯差異，由西北向東南方向，呈現(xiàn)降水量逐漸減少、蒸發(fā)量和日照強(qiáng)度逐漸增加的明顯梯度變化[33]，為全面和精確開展不同局地條件下，阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量及其影響機(jī)理研究提供了理想?yún)^(qū)域。

圖1 阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭沼澤采樣點(diǎn)示意圖及全景圖Fig.1 Schematic diagram and panorama of sampling sites of permafrost peat bogs in the Altai Mountains

1.2 樣品采集

沿山脈西北-東南方向，按局地水熱條件的梯度變化，選取黑湖、哈拉薩孜和三道海子泥炭沼澤為研究對(duì)象。于2019 年8 月10 日至20 日，分別在3 處泥炭沼澤水文相對(duì)封閉的位置鉆取連續(xù)且完整的泥炭柱芯，泥炭深度分別為5.0 m、5.4 m 和1.0 m。為揭示不同間隔分辨率計(jì)算對(duì)評(píng)估泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響，現(xiàn)場(chǎng)用不銹鋼刀對(duì)泥炭剖面進(jìn)行1 cm 切割，將收集的樣品分別裝入標(biāo)記好的自封袋中，并進(jìn)行編號(hào)，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。

1.3 樣品測(cè)定與指標(biāo)計(jì)算

為保證深層泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量估算的精度，采集的泥炭剖面樣品按2 cm 分辨率，測(cè)定其容重和有機(jī)碳含量，首先，將樣品裝入一定容積(V)的鋁盒(質(zhì)量m)中，于105 ℃下烘干24 h 至恒重，稱量后，計(jì)算單位體積的烘干樣品和鋁盒總質(zhì)量(M)得到泥炭容重，容重(D)計(jì)算公式為；稱取坩堝質(zhì)量M1，將測(cè)完容重后的泥炭樣品裝入坩堝內(nèi)，于馬弗爐550 ℃灼燒4 h，待其冷卻后稱量樣品和坩堝的總質(zhì)量M2，計(jì)算得到土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量，再根據(jù)51.7%的轉(zhuǎn)換系數(shù)換算出泥炭有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳(SOC)含量[35]，計(jì)算公式為：SOC=SOM×51.7%。

本研究中泥炭深層有機(jī)碳儲(chǔ)量(SOCS)的計(jì)算公式如下[36]：

公式(1)中，BDi(g/cm3)為第i層土壤的容重；SOCi(g/kg)為第i層土壤的有機(jī)碳含量；Di(cm)為第i層土壤的厚度。

根據(jù)測(cè)量學(xué)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的概念，計(jì)算不同分辨率下泥炭剖面的容重、有機(jī)碳含量以及有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異程度。分別以2 cm 間隔分辨率的泥炭容重、有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，分別計(jì)算4 cm、8 cm和16 cm間隔分辨率下各因子數(shù)據(jù)估算的相對(duì)精度損失。計(jì)算公式如下[37]：

公式(2)和(3)中，Δ為不同分辨率下某因子的絕對(duì)誤差，即精度損失值；S1為不同分辨率下某因子的均值；S0為2 cm 分辨率下的泥炭容重、有機(jī)碳含量均值以及碳儲(chǔ)量，將其作為基準(zhǔn)值；δ(%)為相對(duì)誤差，代表不同分辨率下某因子與基準(zhǔn)值的差異程度，即相對(duì)精度損失。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel 2016 軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；利用Origin 2023b軟件，繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 泥炭剖面變化特征

黑湖泥炭剖面容重的變化范圍為0.08～0.23 g/cm3，常見值在0.1～0.2 g/cm3，平均值為0.16 g/cm3；有機(jī)碳質(zhì)量比的變化范圍在382.6～490.9 g/kg 之間，平均值為458.9 g/kg；有機(jī)碳密度的變化范圍在3.57～10.24 kg/m2之間，平均值為7.17 kg/m2。在0～150 cm 深度，泥炭容重和有機(jī)碳密度不斷降低，有機(jī)碳含量明顯增加；在＞150～400 cm 深度，泥炭容重、有機(jī)碳質(zhì)量比和有機(jī)碳密度相對(duì)穩(wěn)定，平均值分別為0.16 g/cm3、464.7 g/kg和7.25 kg/m2；在400 cm深度以下，泥炭容重明顯增加，而有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度呈明顯降低趨勢(shì)(圖2a)。

圖2 阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭容重、有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的剖面變化特征Fig.2 Variation characteristics of bulk density,organic carbon content and organic carbon density in the permafrost peat profiles of the Altai Mountains

哈拉薩孜泥炭剖面泥炭容重的變化范圍為0.04～0.27 g/cm3，平均值為0.11 g/cm3；有機(jī)碳質(zhì)量比的變化范圍在334.3～491.8 g/kg 之間，平均值為455.0 g/kg；有機(jī)碳密度的變化范圍在2.02～10.08 kg/m2之間，平均值為4.99 kg/m2。在0～200 cm深度，泥炭容重和有機(jī)碳密度不斷降低，有機(jī)碳含量明顯增加；在＞200～400 cm 深度，泥炭容重、有機(jī)碳質(zhì)量比和有機(jī)碳密度相對(duì)穩(wěn)定，平均值分別為0.095 4 g/cm3，465.1 g/kg 和4.43 kg/m2；在＞400～540 cm 深度，泥炭容重明顯增加，有機(jī)碳含量明顯降低，有機(jī)碳密度相對(duì)穩(wěn)定，有機(jī)碳密度的平均值為5.04 kg/m2(圖2b)。

三道海子泥炭剖面泥炭容重的變化范圍為0.17～0.41 g/cm3，常見值在0.2～0.3 g/cm3，平均值為0.27 g/cm3；有機(jī)碳質(zhì)量比的變化范圍在89.0～361.8 g/kg 之間，平均值為241.1 g/kg；有機(jī)碳密度的變化范圍在4.31～12.20 kg/m2之間，平均值為7.35 kg/m2。在0～80 cm 深度，泥炭容重變化較小，從80 cm 深度開始容重明顯增大；有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度波動(dòng)較大，并隨剖面深度增加呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)(圖2c)。

2.2 泥炭剖面容重、有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量的相對(duì)精度損失

2.2.1 容重的相對(duì)精度損失

以2 cm 間隔分辨率為基準(zhǔn)，在4 cm、8 cm 和16 cm 分辨率下，哈拉薩孜泥炭剖面容重最低，且變化幅度最小，相對(duì)精度損失最低，為0.87%～4.10%；其次是黑湖泥炭剖面，容重的相對(duì)精度損失為0.70%～10.38%；三道海子泥炭剖面容重變化幅度較大，相對(duì)精度損失最高，為0.36%～15.81%。隨著分辨率的降低，黑湖和三道海子泥炭剖面容重估算的相對(duì)精度損失明顯增加，而哈拉薩孜泥炭剖面的相對(duì)精度損失變化不大(圖3)。

圖3 阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭剖面容重估算的相對(duì)精度損失Fig.3 Relative loss of accuracy in estimating bulk density of the permafrost peat profiles of the Altai Mountains

2.2.2 有機(jī)碳含量的相對(duì)精度損失

以2 cm 間隔分辨率為基準(zhǔn)，在4 cm、8 cm 和16 cm分辨率下，黑湖和哈拉薩孜泥炭剖面有機(jī)碳含量的相對(duì)精度損失較小，分別在0.23%～1.43%和0.13%～2.13%之間；三道海子泥炭剖面有機(jī)碳含量的相對(duì)精度損失變化幅度較大，為0.67%～25.38%。隨著分辨率的降低，三處泥炭沼澤有機(jī)碳含量估算的相對(duì)精度損失逐漸增加，三道海子泥炭剖面有機(jī)碳含量的相對(duì)精度損失增加最為明顯(圖4)。

圖4 阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭剖面有機(jī)碳含量估算的相對(duì)精度損失Fig.4 Relative loss of accuracy in estimating organic carbon content of the permafrost peat profiles of the Altai Mountains

2.2.3 有機(jī)碳儲(chǔ)量的相對(duì)精度損失

以2 cm 間隔分辨率為基準(zhǔn)，在4 cm、8 cm 和16 cm 分辨率下，3 處泥炭剖面的有機(jī)碳儲(chǔ)量及估算的精度相對(duì)損失如圖5所示。以2 cm間隔分辨率估算黑湖泥炭沼澤、哈拉薩孜泥炭沼澤和三道海子泥炭沼澤的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為3 585.6 t/hm2、2 697.1 t/hm2和734.9 t/hm2。以4 cm、8 cm和16 cm間隔分辨率估算黑湖泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為3 626.0 t/hm2、3 638.5 t/hm2和3 706.4 t/hm2；哈拉薩孜泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為2 681.1 t/hm2、2 683.2 t/hm2和2 721.5 t/hm2；三道海子泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為733.8 t/hm2、791.3 t/hm2和895.3 t/hm2。隨著分辨率的降低，3 處泥炭剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算值逐漸增加。黑湖泥炭剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的相對(duì)精度損失在1.12%～3.37%之間，哈拉薩孜泥炭剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的相對(duì)精度損失在-0.59%～0.9%之間，三道海子泥炭剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的相對(duì)精度損失變化幅度最大，在-0.15%～21.82%之間(圖5)。

圖5 阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量估算的相對(duì)精度損失Fig.5 Relative loss of accuracy in estimating organic carbon stock of the permafrost peat profiles of the Altai Mountains

3 討 論

3.1 阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭的變化特征

黑湖泥炭沼澤表層泥炭的容重和有機(jī)碳密度較大，在0～150 cm深度，隨著剖面深度的加深，二者都呈不斷減小的趨勢(shì)，有機(jī)碳含量則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)(見圖2a)，這說(shuō)明表層泥炭的分解度較大，導(dǎo)致其容重高，有機(jī)碳含量低，有機(jī)碳密度受容重影響較大。在＞200～400 cm剖面深度，泥炭的容重、有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度變化趨于穩(wěn)定，是泥炭和有機(jī)碳穩(wěn)定累積的主要階段。在400 cm深度以下，泥炭容重明顯增加，有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度降低，說(shuō)明剖面底部泥炭分解度高，泥炭礦化嚴(yán)重。哈拉薩孜泥炭沼澤泥炭剖面有機(jī)碳變化特征顯示，0～30 cm 表層泥炭的容重和有機(jī)碳密度最高，隨深度增加，有機(jī)碳含量不斷降低(見圖2b)。這是由于多年凍土區(qū)泥炭?jī)雒浨鸬穆∑饘?dǎo)致表層泥炭分解度增加，且植被輸入量較少，導(dǎo)致泥炭丘頂難以形成新的泥炭層[38]。隨后，容重和有機(jī)碳密度不斷減小，有機(jī)碳含量趨于穩(wěn)定，說(shuō)明＞30～400 cm深度是該區(qū)域泥炭有機(jī)碳累積的主要階段。在400 cm深度以下容重和有機(jī)碳密度增加，有機(jī)碳含量較低，表明泥炭分解度大于累積率，使得有機(jī)碳累積減少。三道海子泥炭剖面容重和有機(jī)碳含量的變化特征差異較大(見圖2c)，在0～80 cm深度，泥炭容重高且波動(dòng)較小，而有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度呈減小趨勢(shì)，且波動(dòng)很大。

土壤容重和有機(jī)碳含量常被作為泥炭評(píng)估的重要指標(biāo)，固碳潛力高的泥炭土通常具有較高的有機(jī)碳含量和較低的容重，而礦化嚴(yán)重的土壤一般具有較低的有機(jī)碳含量和較高的容重[39]。水文條件是導(dǎo)致泥炭容重和有機(jī)碳含量差異的主要因素之一，例如，永久性內(nèi)澇造成的厭氧條件使得泥炭中的有機(jī)碳分解緩慢，而季節(jié)性水文變化導(dǎo)致的有氧環(huán)境則加快了有機(jī)碳的分解[40]。水位的變化還會(huì)影響泥炭中有機(jī)碳的含量和容重，泥炭地排水后水位下降，一方面會(huì)加劇泥炭分解，另一方面地表沉降以及泥炭的重力壓縮作用導(dǎo)致泥炭容重增加[41]。阿爾泰山多年凍土區(qū)的3 處泥炭沼澤中，黑湖泥炭沼澤泥炭容重較低，有機(jī)碳含量和密度較高，泥炭深度較深。因?yàn)樵搮^(qū)域海拔高，降水充沛，水源補(bǔ)給主要來(lái)自高山融雪和地表徑流，淹水條件導(dǎo)致泥炭地植物殘?bào)w難以分解，從而促進(jìn)了泥炭的堆積發(fā)育。因此，黑湖泥炭丘是3處泥炭地中密度最大的丘群，丘體多呈長(zhǎng)形平行狀，泥炭丘發(fā)育穩(wěn)定；哈拉薩孜泥炭沼澤有機(jī)碳含量高，容重和有機(jī)碳密度低，泥炭深度深，該區(qū)域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力高，有機(jī)質(zhì)積累快，但泥炭丘丘體坍塌嚴(yán)重，泥炭丘處于退化階段；三道海子泥炭沼澤有機(jī)碳含量低，容重和有機(jī)碳密度高，泥炭深度淺，三道海子區(qū)域年降水量最低，日照百分率和年蒸發(fā)量最高，泥炭沼澤嚴(yán)重干旱，泥炭分解度高，泥炭丘數(shù)量較少且形狀低矮不規(guī)則，加上過(guò)度放牧導(dǎo)致泥炭丘破壞嚴(yán)重，丘體坍塌不能成形，泥炭發(fā)育進(jìn)入退化階段[27]。

3.2 不同深度分辨率對(duì)阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量估算的影響

泥炭容重、有機(jī)碳含量和深度是評(píng)估泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量的重要因子。然而，由于不同區(qū)域土壤容重、有機(jī)碳含量和泥炭深度的不一致性，使得目前對(duì)全球泥炭地碳儲(chǔ)量的估算不夠精確[42]。例如，有研究表明，隨著深度的增加，泥炭的容重持續(xù)增加[43]，這主要由泥炭的重力壓縮作用所致。因此，若采用表層泥炭的容重估算整個(gè)泥炭剖面的碳儲(chǔ)量，會(huì)導(dǎo)致估算結(jié)果偏低[44]。還有研究發(fā)現(xiàn)，泥炭容重隨剖面深度的增加變化不大，深層泥炭的容重相對(duì)穩(wěn)定，泥炭容重隨深度的變化對(duì)估算泥炭地有機(jī)碳儲(chǔ)量有著重要影響[45-46]。此外，泥炭深度在空間上的不一致，也會(huì)導(dǎo)致泥炭地碳儲(chǔ)量估算結(jié)果不準(zhǔn)確。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，泥炭深度從1 m增加到1.5 m，會(huì)導(dǎo)致區(qū)域泥炭地碳儲(chǔ)量被高估50%[47]，提高泥炭深度探測(cè)的精確性可以將泥炭碳儲(chǔ)量估算的不確定性從50%降低到4.3%[48]。

采用不同深度間隔分辨率估算泥炭地有機(jī)碳儲(chǔ)量，也會(huì)導(dǎo)致其碳儲(chǔ)量估算不精確。本研究發(fā)現(xiàn)，阿爾泰山3處多年凍土區(qū)泥炭剖面單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量不同，泥炭深度越深，碳儲(chǔ)量越大；在2 cm、4 cm、8 cm 和16 cm 間隔分辨率下估算的有機(jī)碳儲(chǔ)量存在明顯差異，分辨率越低，泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量的精度損失越大，導(dǎo)致評(píng)估的碳儲(chǔ)量數(shù)值越大(見圖5)。這說(shuō)明泥炭地碳儲(chǔ)量精度損失的大小與泥炭深度有一定的關(guān)系，泥炭深度越深，精度損失越低，采用不同分辨率進(jìn)行計(jì)算對(duì)深層泥炭碳儲(chǔ)量估算精度影響較大，分辨率降低會(huì)導(dǎo)致泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量估算值增高，因此，采用低分辨率計(jì)算會(huì)高估泥炭地的有機(jī)碳儲(chǔ)量。

3.3 新疆阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量影響因素初探

與其他泥炭地相比，阿爾泰山泥炭沼澤泥炭深度相對(duì)較深，三江平原、長(zhǎng)白山泥炭地泥炭平均深度相對(duì)較淺，若爾蓋泥炭地泥炭深度與北方泥炭地泥炭平均深度(2.3 m)較為接近(表2)。三江平原和若爾蓋高原泥炭地的容重都較高，有機(jī)碳含量低，而阿爾泰山泥炭沼澤的容重較低，有機(jī)碳含量高。不同的泥炭深度、容重和有機(jī)碳含量，導(dǎo)致不同區(qū)域泥炭地單位面積碳儲(chǔ)量存在顯著差異。三江平原地勢(shì)低平，年溫差大，其泥炭累積主要受東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的控制，全新世中期夏季風(fēng)的減弱以及降雨量的減少為泥炭累積提供了良好的水文地質(zhì)條件，但在過(guò)去的500 a 中，夏季風(fēng)的增強(qiáng)以及人為干擾的加劇導(dǎo)致三江平原泥炭累積速率降低[49]。長(zhǎng)白山泥炭地與三江平原泥炭地均處于東亞季風(fēng)區(qū)，中晚全新世時(shí)期，北半球夏季太陽(yáng)輻射減弱、季節(jié)差異減少、東亞夏季風(fēng)衰退導(dǎo)致該區(qū)泥炭大規(guī)模擴(kuò)張[50]。但是，由于近代人為干擾嚴(yán)重，長(zhǎng)白山區(qū)大多數(shù)沼澤都已退化為耕地，導(dǎo)致該區(qū)域泥炭地減少，碳儲(chǔ)量降低[24]。若爾蓋泥炭地位于高海拔地區(qū)，且泥炭形成時(shí)間較早，碳儲(chǔ)量豐富，其泥炭的形成和累積受全新世早期溫暖氣候以及強(qiáng)烈的夏季風(fēng)影響，全新世晚期的干燥氣候?qū)е氯魻柹w泥炭分解度增加，另外，溫度也是影響若爾蓋泥炭地泥炭累積的主要因素[51-52]。

表2 不同區(qū)域泥炭地碳儲(chǔ)量估算Table 2 Estimation of carbon stocks in peatlands in different regions

阿爾泰山多年凍土區(qū)泥炭沼澤的固碳潛力明顯高于其他泥炭地(見表3)，主要由于多年凍土對(duì)高緯度泥炭地碳的動(dòng)態(tài)變化具有較強(qiáng)的控制作用。一方面，多年凍土的存在，可調(diào)節(jié)泥炭地的水文條件，從而影響泥炭的性質(zhì)和區(qū)域植被的發(fā)育[54]；另一方面，多年凍土的堆積為泥炭創(chuàng)造了相對(duì)干燥的條件，促進(jìn)了泥炭丘的形成[55]，凍土中封閉的泥炭有機(jī)碳往往比封閉的礦物土壤有機(jī)質(zhì)更不容易分解[56]。因此，多年凍土的存在大大增加了阿爾泰山泥炭地的固碳潛力。

本研究還發(fā)現(xiàn)，即使處于同一大區(qū)域氣候背景，阿爾泰山3 處多年凍土區(qū)泥炭沼澤單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量也存在顯著差異(見圖5 和表2)。黑湖泥炭沼澤單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量最高，為3 585.6 t/hm2，哈拉薩孜泥炭沼澤單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量為2 697.1 t/hm2，單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量最低的是三道海子泥炭沼澤，為734.9 t/hm2。黑湖和哈拉薩孜泥炭沼澤大約發(fā)育于10 000 a B.P[27]，而三道海子泥炭沼澤大約發(fā)育于1 600 a B.P，由于泥炭層厚度與泥炭發(fā)育年齡之間通常存在顯著的線性關(guān)系，因此，不同時(shí)期泥炭的發(fā)育過(guò)程會(huì)導(dǎo)致泥炭層厚度出現(xiàn)顯著差異[57]。三處泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異還受到局地植被類型的影響，三道海子泥炭沼澤植被類型以草本為主，黑湖與哈拉薩孜泥炭沼澤的植被類型以蘚類為主，與泥炭蘚相比，雖然草本植物堆積的泥炭容重和有機(jī)碳含量較高[58]，但泥炭蘚類植物的儲(chǔ)水量較高，會(huì)導(dǎo)致地下水位持續(xù)升高并形成缺氧條件，使得泥炭分解速率降低，從而促進(jìn)了泥炭有機(jī)碳的累積[59-60]。

此外，三處泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異，還受到局地氣候以及水文條件的影響[61]。三處多年凍土區(qū)的局地溫度、降水、日照時(shí)長(zhǎng)和凍土發(fā)育等條件存在明顯差異，由西北向東南方向，呈現(xiàn)降水量減少、蒸發(fā)量和日照強(qiáng)度增加的明顯梯度變化(見表1)。黑湖泥炭沼澤降水最充沛，水源相對(duì)豐富且蒸發(fā)量小，而且該泥炭沼澤位于哈納斯自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，受人為干擾較少，有利于泥炭累積，有機(jī)碳分解速率低；與黑湖和哈拉薩孜相比，三道海子泥炭沼澤降水較少，太陽(yáng)輻射和蒸發(fā)量較大，加上強(qiáng)烈的放牧干擾，導(dǎo)致該區(qū)泥炭沼澤發(fā)育緩慢，凍土退化嚴(yán)重，有機(jī)碳分解度較大[27]。區(qū)域氣候和水文條件對(duì)泥炭累積具有重要影響，能夠?qū)е聟^(qū)域泥炭沼澤泥炭累積與發(fā)育不同步，進(jìn)而影響泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量[62]。

多年凍土對(duì)氣候變化的響應(yīng)尤為敏感，氣候變化對(duì)多年凍土區(qū)泥炭累積有著重要的影響[63]。本研究中阿爾泰山不同多年凍土區(qū)泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異顯著，除受大區(qū)域氣候影響外，該區(qū)特有的小氣候、水文條件、凍土發(fā)育、植被類型以及地貌差異等局地因素，都會(huì)影響多年凍土區(qū)泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化[64]。因此，今后在泥炭碳儲(chǔ)量估算的研究中，應(yīng)更多考慮泥炭地的局地環(huán)境條件，為降低區(qū)域泥炭地有機(jī)碳儲(chǔ)量估算的不確定性提供更多參考信息。

4 結(jié) 論

對(duì)阿爾泰山多年凍土區(qū)3 處泥炭沼澤的泥炭深度、容重、有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的研究發(fā)現(xiàn)，黑湖泥炭剖面容重低，有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度高，表層泥炭分解度大，＞200～400 cm 深度是黑湖泥炭和有機(jī)碳穩(wěn)定累積的主要階段，剖面底部礦化嚴(yán)重；哈拉薩孜泥炭剖面有機(jī)碳含量高，容重和有機(jī)碳密度低，表層泥炭與底部泥炭分解度大，＞30～400 cm 深度是泥炭和有機(jī)碳穩(wěn)定累積的主要階段，底部有機(jī)碳累積較少；三道海子泥炭剖面容重高，有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度低。

以2 cm 間隔分辨率估算新疆阿爾泰山多年凍土區(qū)黑湖泥炭沼澤單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量為3 585.6 t/hm2，哈拉薩孜泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量為2 697.1 t/hm2，三道海子泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量為734.9 t/hm2。不同分辨率估算的泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異顯著，分辨率越低，泥炭有機(jī)碳儲(chǔ)量估算的精度損失越大，導(dǎo)致泥炭碳儲(chǔ)量被高估，而且泥炭厚度越淺的泥炭沼澤受分辨率的影響越大。

與其他區(qū)域泥炭地相比，阿爾泰山泥炭沼澤單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于其他泥炭地，具有巨大的固碳潛力。不同區(qū)域泥炭地的地理位置、氣候變化、水熱條件以及凍土發(fā)育等對(duì)泥炭地的固碳潛力有重要影響。此外，即使處于同一氣候背景下，阿爾泰山不同多年凍土區(qū)泥炭沼澤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在顯著差異。由此推測(cè)，局地環(huán)境差異也是影響不同泥炭地有機(jī)碳儲(chǔ)量差異的主要原因。