【摘 要】
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东北中高纬度地区处于东亚季风边缘地带,发育了大面积泥炭地,对气候变化响应敏感。在湿地生态系统演化、土壤-生态系统共同进化的过程中,磷元素作为重要的营养元素均参与其中。在泥炭地中,有机磷逐渐累积在植物残体中,长期影响土壤磷库及磷形态分配。东北寒冷气候条件和泥炭地厌氧土壤环境使有机磷能够较为稳定的随泥炭层的形成保存在剖面中。不同演化阶段的泥炭地由于植被、土壤环境等原因导致对磷的积累、利用机制差别较大,
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
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东北中高纬度地区处于东亚季风边缘地带,发育了大面积泥炭地,对气候变化响应敏感。在湿地生态系统演化、土壤-生态系统共同进化的过程中,磷元素作为重要的营养元素均参与其中。在泥炭地中,有机磷逐渐累积在植物残体中,长期影响土壤磷库及磷形态分配。东北寒冷气候条件和泥炭地厌氧土壤环境使有机磷能够较为稳定的随泥炭层的形成保存在剖面中。不同演化阶段的泥炭地由于植被、土壤环境等原因导致对磷的积累、利用机制差别较大,在柱芯层中磷的积累也不同,使磷具有记录环境变化的潜力。了解湿地历史演替过程中所伴随的磷的含量及形态的变化,以及磷的积累和变化规律,能够探究磷-湿地生态系统演化-气候的历史关系。尝试以磷作为新的代用指标为揭示气候变化对湿地生物地球化学过程的影响、评估未来气候变化影响不确定性的新视角提供线索。本文对我国大、小兴安岭典型泥炭地不同植被类型下土壤磷形态的分布,以及磷形态在泥炭柱芯中的累积规律进行深入研究,并基于中高纬地区微体古生物化石记录和气候变化历史,探究了泥炭地磷库分配以及磷形态累积速率对植被演替、气候变化的响应,同时应用不同植被演替过程中的表土磷形态的差异,寻找特征磷指标,重建泥炭地植被演替历史。具体研究结论如下:(1)大兴安岭泥炭地土壤磷库以有机磷为主,有机磷磷库中以稳定态有机磷为主。在大兴安岭北部区域中,植被类型对土壤磷形态的影响大于地理位置差异,且植被类型对土壤无机磷的解释率大于对有机磷的解释率。植被类型差异会导致土壤中Na HCO3-Pi、Na OH-Pi、conc.HCl-Po、Pi、Po和Po/Pi百分含量差异显著。乔木植被土壤无机磷形态普遍高于其它植被,而藓类植被更有利于有机磷的累积,尤其是稳定有机磷conc.HCl-Po的累积。在植被演替过程中,当藓类等喜湿植被大量生长、厌氧及相对酸性的环境促使土壤有机磷积累。当泥炭地受气候影响灌丛增多甚至乔木入侵时,土壤有机磷矿化加速,生成更多无机磷。(2)泥炭地所在的地貌或地理位置决定着沉积的物质来源,决定了有机磷和无机磷的分布特征,而泥炭地不同演化阶段会造成磷形态在剖面中分布的差异。首先,植被原位沉积、无明显外源物质输入发育的泥炭地中,泥炭层有机质含量较高,剖面均以有机磷库为主,磷形态以Na OH-Po、conc.HCl-Po和residual-P为主;在泥沙、粘土等原生和次生矿物与泥炭共同沉积的河漫滩泥炭地中,土壤磷库则以无机磷为主,磷形态以Na OH-Pi为主。其次,以灌丛和草本为主的泥炭地的总磷含量高于藓类植被为主的泥炭地,但当泥炭地演化后期以藓类植被为主时,土壤活性磷百分含量升高。在剖面中,磷形态(除活性磷外)含量与深度无显著关系。当泥炭地植被以灌丛-草本或灌丛-藓类植被为主时,活性磷在剖面中出现向地表富集的现象,富集深度约在15cm以上。但当泥炭地植被以草本为主时,富集现象不明显。(3)有机磷形态尤其是Na OH-Po的积累速率,与泥炭的发育频率、气候变化、花粉记录等古证据有良好的对应关系。植被演替对有机磷的累积产生直接影响;气候通过改变植被生物量和植被演替间接对有机磷的累积产生影响。在东北较为寒冷、植被生长期短的气候条件下,适当的温暖和湿润气候条件可以增加有机磷的累积。大兴安岭图强和盘古在约1050、900和500 cal yr BP三个时期发生强度较高或频次较高的火事件。火事件的发生会降低有机磷的含量和累积速率,同时降低土壤非活性Po/Pi。(4)通过线性判别分析选择Na HCO3-Pi、Na OH-Pi、conc.HCl-Po和Pi作为参数,并应用磷形态-指纹图谱重建了2200 cal yr BP间图强植被演替历史。重建结果得到了该柱芯藓类、草本和灌丛孢粉记录与草本植物大化石记录的验证。磷形态-指纹图谱法应用于其它中高纬泥炭地时发现:该方法应用于无明显外源物质、原位沉积发育的大兴安岭以及长白山泥炭地效果较好。但是,在河漫滩发育而来泥炭地中,由于外源物质(包含大量无机磷,尤其Na OH-Pi)的输入,导致重建结果与泥炭地演化历史和采样点植被实际情况有差异。另外,当泥炭地以藓类和灌丛为主时,重建结果低估了藓类的贡献率。(5)磷形态的环境指示意义需要根据所在地理区域、生态系统和指示用途的不同而进行针对性总结和界定。活性磷、中等活性无机磷(Na OH-Pi)和稳定性有机磷(conc.HCl-Po)在磷库中的含量及百分比变化对反映和预测泥炭地演化过程中土壤营养环境变化具有指示潜力。在河漫滩泥炭地中,Na OH-Pi、HCl-P等无机磷沉积速率对反映泥炭地附近河流流量以及降水具有参考价值。中等活性、稳定磷形态化学性质较为稳定,不同演替阶段植被对磷形态影响差异在东北寒冷气候及泥炭地厌氧的土壤环境下仍能被保存下来。
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