發(fā)布時(shí)間：2021-08-11所屬分類(lèi)：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要盡管普遍認(rèn)為高山生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)非常敏感,但很少有研究探究氣候變化對(duì)高山植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的影響.基于古生態(tài)學(xué)記錄,探究了全新世中期以來(lái)處于東亞季風(fēng)影響區(qū)的太白山高海拔區(qū)植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變.高分辨率高山湖沼記錄顯示,植被生
摘要盡管普遍認(rèn)為高山生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)非常敏感,但很少有研究探究氣候變化對(duì)高山植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的影響.基于古生態(tài)學(xué)記錄,探究了全新世中期以來(lái)處于東亞季風(fēng)影響區(qū)的太白山高海拔區(qū)植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變.高分辨率高山湖沼記錄顯示,植被生產(chǎn)力與年平均溫度密切相關(guān),而土壤侵蝕主要受到東亞夏季風(fēng)所帶來(lái)的降水的影響.即在5800~4000cal.aBP期間,年平均溫度較低而夏季降水充沛,高山生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為低的植被生產(chǎn)力且土壤侵蝕嚴(yán)重.但是,從4000cal.aBP開(kāi)始,年平均溫度升高而夏季降水減少,植被生產(chǎn)力顯著提高且土壤侵蝕減緩.這些結(jié)果表明,古生態(tài)學(xué)記錄可為研究較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供有力證據(jù),可幫助制定氣候變化下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展政策.
關(guān)鍵詞花粉,植被動(dòng)態(tài),高山湖沼沉積物,侵蝕強(qiáng)度,古生態(tài)指標(biāo)
1引言
與周?chē)秃０蔚貐^(qū)相比,高海拔地區(qū)的升溫速度更快,并且特別容易受到氣候變化的影響(Solomon等,2007).已有研究表明,氣候變化改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的兩個(gè)重要方面,即高山植被生產(chǎn)力和土壤保持能力(Maher和Chamberlain,2014;Jeffers等,2015;Berhe等,2018;Ding等,2018).進(jìn)一步,高山植被的變化會(huì)通過(guò)區(qū)域內(nèi)的徑流和水土流失影響到低海拔地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng).鑒于當(dāng)前和未來(lái)氣候變暖的威脅,有必要探討其對(duì)高山植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的影響,這可為確定氣候變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響提供證據(jù),并確保這些地區(qū)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展.基于此,重建全新世溫暖期的植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕演變,可為預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變暖可能導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)變化提供參考.
截至目前,已有研究缺乏生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)長(zhǎng)期變化的探討,特別是關(guān)于高山植被生產(chǎn)力及其在調(diào)節(jié)土壤侵蝕中的作用的探討更為少見(jiàn)(Dearing等,2012).目前大多數(shù)研究都只集中在植被動(dòng)態(tài)的演變或土壤侵蝕強(qiáng)度的變化上(Wang等,2016,2019;Cheng等,2017),很少有研究嘗試從古生態(tài)學(xué)角度探討這兩個(gè)要素的協(xié)同演變過(guò)程及其之間的關(guān)系.由于森林、灌木和其他生態(tài)系統(tǒng)可以持續(xù)數(shù)百年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,因此迫切需要探索它們?cè)诟呱缴鷳B(tài)系統(tǒng)中的演變過(guò)程.
氣候不僅決定植被的生產(chǎn)力,而且會(huì)直接或間接地影響流域內(nèi)的土壤侵蝕.已有研究表明,氣候、植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕強(qiáng)度之間的關(guān)系并不是線性的(Zhou等,2006;Nunes等,2008).例如,高海拔地區(qū)的植被一般受到溫度的限制(Cheng等,2017),而土壤侵蝕通常被認(rèn)為受到降水的影響,同時(shí)也可能受到植被的影響.高的植被生產(chǎn)力通常與高的植被覆蓋度相一致(Johnson,2003;Kerns等,2018),這進(jìn)一步?jīng)Q定了其在保護(hù)流域土壤中的作用,從而間接影響到土壤侵蝕的強(qiáng)度.這一聯(lián)系表明,植被生產(chǎn)力與土壤侵蝕之間的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜,需要詳細(xì)探究以了解其在氣候變化背景下的獨(dú)特性.
盡管基于多情景的分析表明,由于氣候變化,若干生態(tài)系統(tǒng)的要素已發(fā)生不同程度的改變,但這些研究仍缺乏局地尺度的實(shí)證分析(例如,Schröter等,2005;Anderson等,2011).因此,有必要以較小的空間尺度作為分析對(duì)象,著重探討這些地點(diǎn)的獨(dú)特過(guò)程,以便于制定因地制宜的可持續(xù)發(fā)展政策.
東亞是世界上人口最稠密的地區(qū)之一,其高山地區(qū)的植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕對(duì)周?chē)秃０蔚貐^(qū)的生態(tài)系統(tǒng)及人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生直接影響(Mace等,2012;Jeffers等,2015).值得注意的是,亞洲夏季風(fēng)攜帶來(lái)自太平洋和印度洋的水汽,使得東亞地區(qū)(包括中國(guó)中部和東部)的夏季降水相對(duì)充沛.已有研究表明,東亞夏季風(fēng)帶來(lái)的降水對(duì)低海拔地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)演變具有顯著影響(Zhao等,2009,2010;Liu等,2014;Xu等,2017;Li等,2018).但是,考慮到溫度對(duì)高山植被的限制作用,過(guò)去氣候變化對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制可能與低海拔地區(qū)不同.因此,對(duì)于缺乏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的山區(qū),有必要使用古生態(tài)學(xué)記錄作為指標(biāo)來(lái)探究植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)因素.此外,植被(尤其是森林)的演化是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,有些地方即便是有觀測(cè)數(shù)據(jù),但它們的覆蓋時(shí)間有限,不足以反映氣候變化對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)影響的機(jī)制,因此迫切需要古生態(tài)學(xué)指標(biāo).
在此背景下,本研究試圖回答以下兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題:(1)太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變過(guò)程(圖1a);(2)基于古生態(tài)學(xué)證據(jù)闡明全新世中期以來(lái)溫度和降水對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制,特別是土壤侵蝕的驅(qū)動(dòng)因素.太白山高海拔地區(qū)的跑馬梁湖沼具有連續(xù)的沉積物分布,因此能夠基于古生態(tài)學(xué)指標(biāo)重建局地尺度的高山生態(tài)系統(tǒng)演變.其中,總花粉濃度、喬木花粉濃度、喬木花粉與非喬木花粉的比例(AP/NAP)、總有機(jī)碳含量(TOC)以及總有機(jī)碳與總氮的比值(C/N)可以用來(lái)指示植被生產(chǎn)力的變化(Sugita,2007a,2007b;Kylander等,2013);平均粒徑和礦物磁性的一些參數(shù)則可以作為土壤侵蝕強(qiáng)度的代用指標(biāo)(Hu等,2001;Wang等,2016).
2材料和方法
2.1研究區(qū)域
秦嶺是中國(guó)北方和南方的地理分界線,也是溫帶氣候和亞熱帶氣候的過(guò)渡帶.太白山(107°19′~107°58′E;33°41′~34°10′N)海拔高達(dá)3767m(圖1a),是秦嶺的主峰,也是中國(guó)中東部大陸的最高峰.與周?chē)秃０蔚貐^(qū)相比,其高海拔地區(qū)的沉積物受人類(lèi)活動(dòng)的干擾非常小(Wang等,2016;Cheng等,2017).
跑馬梁湖沼(33°57′N,107°45′E;海拔3556m)是太白山南坡最高的湖沼洼地(圖1b).該湖沼周?chē)哪昶骄鶜鉁貫?minus;1℃,年降水量為680mm.流域面積約為0.95km2,主要分布有花崗巖風(fēng)化碎屑.土壤主要是深棕色或淺黃棕色的高山草甸土壤,其大部分被高山草甸和灌木所覆蓋.主要的灌木包括頭花杜鵑(Rhododendroncapitatum)、高山繡線菊(Spiraeaalpina)和杯腺柳(Salixcupularis)等.草本植物以粗喙苔草(Carexscabrirostris)、扁蕾(Gentianabarbata)和紫羊茅(Festucaovina)為主.
2.2采樣與實(shí)驗(yàn)室預(yù)處理
研究組于2013年在已經(jīng)接近干涸的跑馬梁湖沼鉆取了一個(gè)沉積物剖面,直至底部的基巖出現(xiàn).進(jìn)一步使用大小約為10cm×20cm的鋁盒沿著探坑的內(nèi)壁由下至上進(jìn)行取樣.最終,獲得了一個(gè)145cm長(zhǎng)的連續(xù)巖芯,將其命名為跑馬梁剖面(PML13).
同時(shí),在采樣點(diǎn)觀察并記錄了沉積物的巖性特征.剖面底部(145~119cm)為淺黃色粉砂質(zhì)黏土,中間層位(119~20cm)為淺灰色黏土,頂部(20~0cm)為棕色粉砂.
樣品的預(yù)處理在北京大學(xué)地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.所有樣品均在實(shí)驗(yàn)室條件下風(fēng)干,然后以1cm的間隔對(duì)PML13剖面進(jìn)行分樣,共獲得了145個(gè)樣品.
2.3AMS14C測(cè)年和年代模型的建立
由于跑馬梁湖沼處于太白山花崗巖分布區(qū),所以湖盆周?chē)淖陨妓猁}含量非常低.此外,該湖沼所處海拔較高,沒(méi)有其他河流注入其中,因此外源“老碳”的可能性很小.由于在沉積物中未發(fā)現(xiàn)任何植物殘留,因此選擇了有機(jī)質(zhì)全樣進(jìn)行了測(cè)年.
對(duì)PML13剖面的8個(gè)樣品進(jìn)行了14C年代的測(cè)定,分別在北京大學(xué)考古文博學(xué)院AMS實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,結(jié)果列于網(wǎng)絡(luò)版附表S1(http://earthcn.scichina.com).測(cè)定完成后,使用CalibRev7.0.4和IntCal13(Reimer等,2013)對(duì)年代進(jìn)行了矯正,并使用cal.aBP進(jìn)行表示.進(jìn)一步使用貝葉斯模型(Blaauw和Christen,2011)對(duì)各深度的年代進(jìn)行了分析計(jì)算(圖2).
2.4總有機(jī)碳、總氮和粒度的分析
對(duì)145個(gè)樣品進(jìn)行了總有機(jī)碳(TOC)和總氮(TN)含量的測(cè)定.將10mg左右的樣品放入錫舟中,并添加助燃劑.然后將樣品密封并放置在VarioMicroCube元素分析儀中進(jìn)行碳氮含量的測(cè)定,進(jìn)一步計(jì)算得到C/N比值.通常,沉積物的TOC含量反映了湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力以及流域內(nèi)的植被狀況,而C/N則反映了陸生和水生有機(jī)質(zhì)來(lái)源的相對(duì)貢獻(xiàn)(Wang等,2016)(表1).
對(duì)145個(gè)樣品進(jìn)行了粒度分析.將3g左右的樣品放置在燒杯中并進(jìn)行稱(chēng)重.依次將樣品通過(guò)15%的雙氧水(H2O2)、10%的稀鹽酸(HCl)和25%的六偏磷酸鈉((NaPO3)6),以除去其中的有機(jī)質(zhì)和膠結(jié).進(jìn)一步使用MalvernMastersizer2000激光粒度分析儀進(jìn)行粒度的測(cè)定,并計(jì)算出平均粒徑.一般而言,湖泊沉積物的平均粒徑可以指示流域內(nèi)土壤侵蝕的強(qiáng)度,即粗的平均粒徑表示侵蝕嚴(yán)重程度較高,反之亦然(Wang等,2016)(表1).
2.5孢粉分析
對(duì)145個(gè)樣品進(jìn)行了孢粉分析.主要使用鹽酸和氫氧化鈉對(duì)樣品進(jìn)行了前期處理,接下來(lái)使用重液對(duì)孢粉進(jìn)行提取(Moore等,1991).最后,在奧林巴斯光學(xué)顯微鏡下以400倍放大倍數(shù)對(duì)孢粉濃縮物進(jìn)行鑒定,每個(gè)樣品至少鑒定500粒.總花粉濃度,尤其是喬木花粉的濃度,可以用來(lái)反映植被的生產(chǎn)力.即濃度越高,生產(chǎn)力越高(Chen等,2006)(表1).喬木花粉與非喬木花粉的比例(AP/NAP)也可以用來(lái)反映太白山南坡的植被生產(chǎn)力,即比值越高,植被生產(chǎn)力越高(表1).
2.6礦物磁性的測(cè)量
對(duì)145個(gè)樣品進(jìn)行了礦物磁性參數(shù)的測(cè)量.使用BartingtonMS2磁化率儀在0.47kHz頻率上測(cè)定低頻磁化率,在4.7kHz頻率上測(cè)量高頻磁化率.
為了測(cè)量非滯后性剩磁(ARM),將樣品置于交變退磁儀(AFDemagnetizer)中以獲得非磁滯剩磁.其中,交變磁場(chǎng)的峰值為100mT,直流磁場(chǎng)為0.04mT.隨后將樣品置于旋轉(zhuǎn)磁力儀(Flux-gateMagnetometer)中進(jìn)行測(cè)量.最后將測(cè)得的非滯后性剩磁除以樣品的質(zhì)量密度,以獲得單位質(zhì)量樣品的非滯后性剩磁的強(qiáng)度(Oldfield,1991).
為了測(cè)量等溫剩磁(IRM),用脈沖磁化儀分別給樣品施加相應(yīng)的磁場(chǎng),場(chǎng)強(qiáng)分別為300、1000、−100和−300mT.然后將樣品置于旋轉(zhuǎn)磁力儀中進(jìn)行測(cè)量.其中,IRM1000mT用作飽和等溫剩磁強(qiáng)度(SIRM).然后計(jì)算得出IRM300mT/SIRM、IRM−100mT/SIRM、IRM−300mT/SIRM和ARM/SIRM等參數(shù)的值.各參數(shù)表征的環(huán)境意義在網(wǎng)絡(luò)版附表S2中給出(Dearing,1999;Evans和Heller,2003;Wang等,2010).
對(duì)于湖泊沉積物的磁性礦物,其主要是由流域內(nèi)的磁性巖體經(jīng)過(guò)侵蝕、搬運(yùn)和沉積作用而形成(Dearing,1999).礦物磁性的參數(shù)通常用作土壤侵蝕嚴(yán)重程度的指標(biāo),也可用于識(shí)別亞鐵磁性礦物和反鐵磁性礦物的含量以及磁性礦物的粒徑(Royall,2001).如果侵蝕嚴(yán)重,底層土壤將受到嚴(yán)重干擾,地表徑流將大量反鐵磁性礦物帶入湖泊.這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致反鐵磁性礦物的含量較高(IRM−100mT和IRM−300mT),并且反鐵磁性礦物的相對(duì)含量(包括IRM−100mT/SIRM和IRM−300mT/SIRM)也會(huì)增加.與此同時(shí),由于侵蝕較為強(qiáng)烈,地表徑流帶入湖泊的亞鐵磁性礦物的含量則會(huì)降低,表現(xiàn)為χlf、IRM300mT、SIRM等參數(shù)的降低;亞鐵磁性礦物的相對(duì)含量、較細(xì)的超順磁(SP)顆粒和穩(wěn)定單疇(SSD)顆粒也會(huì)有所降低,表現(xiàn)為IRM300mT/SIRM、ARM以及ARM/SIRM這些參數(shù)的降低(Evans和Heller,2003;Wang等,2010).相反,當(dāng)侵蝕程度較輕時(shí),只有表層土壤受到干擾,通過(guò)地表徑流帶入湖泊的反鐵磁性礦物的含量及其相對(duì)含量則會(huì)降低,即IRM−100mT、IRM−300mT、IRM−100mT/SIRM和IRM−300mT/SIRM這些參數(shù)會(huì)有所降低,而亞鐵磁性礦物的含量及其相對(duì)含量、SP顆粒和SSD顆粒則會(huì)增加,表現(xiàn)為χlf、ARM、IRM300mT、SIRM、IRM300mT/SIRM和ARM/SIRM這些參數(shù)的升高(Evans和Heller,2003;Wang等,2010).
最后,在多個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)之上,使用主成分分析法建立了土壤侵蝕的綜合指標(biāo)(圖3g;網(wǎng)絡(luò)版附表S3~S5).
2.7冗余分析
使用冗余分析(RDA)(Lepš和Šmilauer,2003)探究了環(huán)境代用指標(biāo)對(duì)氣候變量的敏感性.環(huán)境代用指標(biāo)包括TOC、C/N比值、總花粉濃度、喬木花粉濃度,AP/NAP比值、平均粒度以及礦物磁性的多個(gè)參數(shù).氣候變量為東亞夏季風(fēng)指數(shù)、夏季降水量和年平均氣溫.東亞夏季風(fēng)指數(shù)來(lái)自三寶洞的石筍氧同位素記錄,以及董哥洞的石筍氧同位素記錄(Wang等,2005,2008;Liu等,2014).全新世溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于TraCE21ka數(shù)據(jù)集(http://www.cgd.ucar.edu/ccr/TraCE/)(He,2011;Liu等,2014).
3結(jié)果
3.1全新世以來(lái)植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變
在5850~4000cal.aBP期間,TOC、C/N、總花粉濃度、喬木花粉濃度、AP/NAP比值非常低,而從4000cal.aBP開(kāi)始逐漸增加.這表明早期的植被生產(chǎn)力較低(植被覆蓋稀疏),后期又有所增加(圖3和表1).
盡管平均粒徑在百年尺度上的波動(dòng)較大,但在5850~4000cal.aBP期間,粗粒徑的比例很高,而從4000cal.aBP開(kāi)始,細(xì)粒徑的比例開(kāi)始升高(圖3).礦物磁性參數(shù),如χlf、ARM、IRM300mT、SIRM、IRM300mT/SIRM以及ARM/SIRM的值在5850~4000cal.aBP期間較低,而自4000cal.aBP開(kāi)始,顯著升高(圖4;網(wǎng)絡(luò)版附表S2).相反,IRM−100mT、IRM−300mT、IRM−100mT/SIRM和IRM−300mT/SIRM的值呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)(圖4;網(wǎng)絡(luò)版附表S2).根據(jù)方法部分的解譯模式,礦物磁性的參數(shù)變化表明在5850~4000cal.aBP期間,侵蝕作用相對(duì)強(qiáng)烈,擴(kuò)展到了土壤的底層(圖4;網(wǎng)絡(luò)版附表S2),而自4000cal.aBP開(kāi)始,侵蝕作用相對(duì)較弱,僅局限于土壤的表層(圖4;網(wǎng)絡(luò)版附表S2).此外,土壤侵蝕的綜合指標(biāo)也指示出相似的侵蝕程度變化(圖3g).
根據(jù)TraCE-21ka的數(shù)據(jù)集結(jié)果,全新世中期以來(lái)的年平均溫度范圍為0.19~1.01℃,多年平均值為0.64℃(圖3)(He,2011;Liu等,2014).在5850~4000cal.aBP期間,年平均溫度較低,而在4000~0cal.aBP期間,年平均溫度較高(圖3).此外,全新世中期以來(lái)的夏季降水量逐漸減少(圖3).即在5850~4000cal.aBP期間,夏季降水量豐沛,此階段東亞夏季風(fēng)較強(qiáng);從4000cal.aBP開(kāi)始,夏季降水量匱乏,此階段東亞夏季風(fēng)較弱(圖3)(Wang等,2005,2008;He,2011;Liu等,2014).因此,在太白山高海拔地區(qū),全新世中期的氣候特征是年平均氣溫較低,而夏季降水量高;全新世晚期的年平均溫度較高,但夏季降水量低.
因此,在5850~4000cal.aBP期間,當(dāng)年平均氣溫較低而夏季降水豐沛時(shí),植被生產(chǎn)力較低,土壤侵蝕程度較高(圖3).而自4000cal.aBP開(kāi)始,當(dāng)年平均溫度開(kāi)始上升而夏季降水減少時(shí),植被生產(chǎn)力則顯著升高,而土壤侵蝕程度則較低(圖3).因此,太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力主要與年平均溫度的變化有關(guān),土壤侵蝕與夏季降水的變化密切相關(guān).
3.2植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕變化的驅(qū)動(dòng)力
研究進(jìn)一步使用冗余分析提取并總結(jié)了沉積物指標(biāo)所放映的環(huán)境信息.結(jié)果表明,軸1和軸2分別解釋了環(huán)境代用指標(biāo)變化的53.1%和1.1%(圖5和網(wǎng)絡(luò)版附表S6).因此,需要重點(diǎn)關(guān)注影響第一軸的氣候因素.第一軸和東亞夏季風(fēng)指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.92(p˂0.01),與夏季降水之間的關(guān)系為0.79(p˂0.01),與年平均溫度之間的關(guān)系為−0.92(p˂0.01)(網(wǎng)絡(luò)版附表S7).因此,年平均溫度和夏季降水對(duì)環(huán)境代用指標(biāo)的影響較大.
4討論
研究發(fā)現(xiàn)太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力主要與年平均溫度的變化有關(guān),而土壤侵蝕與夏季降水的變化密切相關(guān)(圖6).同時(shí),本研究還發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕也受到植被生產(chǎn)力(植被覆蓋度)的影響,這與在鄰近的黃土高原所觀察到的現(xiàn)象相似(例如,Fu等,2011;Zhao等,2013).通常,大量的降水增加了地表徑流從流域內(nèi)侵蝕和搬運(yùn)土壤的能力,從而增加了土壤侵蝕的強(qiáng)度,降水不足時(shí)侵蝕能力則會(huì)降低(Wang等,2016,2019).土壤侵蝕的相對(duì)強(qiáng)度也與植被覆蓋度有關(guān)(Dearing,1999;Nunes等,2008).具體而言,在5850~4000cal.aBP期間,由于植被稀疏,其保護(hù)流域的土壤免受侵蝕的能力較弱,因此土壤侵蝕可能相對(duì)劇烈.從4000cal.aBP開(kāi)始,高的植被覆蓋度對(duì)流域內(nèi)的土壤保護(hù)能力較強(qiáng),只有較細(xì)的顆粒才能被搬運(yùn),土壤侵蝕程度則相對(duì)較輕.因此,盡管在千年時(shí)間尺度上,夏季降水變化主導(dǎo)了土壤侵蝕的強(qiáng)度(Wang等,2016,2019),但太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力變化(導(dǎo)致植被密集或稀疏)也會(huì)影響到土壤侵蝕強(qiáng)度的變化.該聯(lián)系表明古生態(tài)學(xué)證據(jù)在探究長(zhǎng)時(shí)間尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)演變方面的作用,可為制定氣候變化影響下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展政策提供幫助.
但是,值得注意的是,不同代用指標(biāo)所重建的溫度可能會(huì)有較大差異.許多研究表明全新世中期的溫度較高(例如,Zhao等,2009;Liu等,2014;Xu等,2017),而由此引起的低濕度可能是導(dǎo)致植被生產(chǎn)力低的另一個(gè)因素.此外,從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看,不穩(wěn)定或頻繁的氣候波動(dòng)也可能會(huì)加劇土壤侵蝕.例如,全新世中期氣候適宜,而全新世晚期氣候惡化,因此該氣候過(guò)渡期可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的土壤侵蝕(Wang等,2008;Huang等,2015).值得注意的是,由于本研究區(qū)域位于黃土高原的南部,因此風(fēng)成沉積也可能對(duì)湖沼沉積物有所貢獻(xiàn).然而,已有研究表明,太白山高山和亞高山帶的湖泊沉積物主要來(lái)自局地流域內(nèi)的土壤侵蝕(Wang等,2010,2016,2019),這與本研究的結(jié)果相吻合.
此外,跑馬梁湖沼位于海拔3556m處,接近現(xiàn)代林線的位置.該海拔的水蒸氣相對(duì)飽和,因此溫度而非相對(duì)濕度是限制植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素(Cheng等,2017).過(guò)去有關(guān)氣候變化影響的研究主要聚焦在中國(guó)大陸中東部的低海拔地區(qū).然而,氣候變化對(duì)高海拔地區(qū)植被的影響可能不同于低海拔地區(qū).在低海拔地區(qū),許多研究已經(jīng)證實(shí)了東亞夏季風(fēng)的主導(dǎo)作用(例如,Zhao等,2009,2010;Xu等,2017;Li等,2018).但是,本研究的沉積記錄不僅提供了東亞夏季風(fēng)(夏季降水)對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)影響的直接證據(jù),而且還提出了年平均溫度對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)影響的新認(rèn)識(shí),這可以進(jìn)一步深化氣候變化對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)制的理解.
盡管多項(xiàng)研究預(yù)測(cè)了未來(lái)氣候變暖下的植被動(dòng)態(tài),但很少有研究指出高山生態(tài)系統(tǒng)的潛在變化(Harsch等,2009;Ernakovich等,2014).氣候變化有可能使高海拔地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)(包括高山生態(tài)系統(tǒng))對(duì)升溫更加敏感.因此,為了應(yīng)對(duì)全球變暖對(duì)高海拔地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的威脅,應(yīng)更加注意年平均溫度的變化.但是,太白山的地形特別復(fù)雜,可能使高山生態(tài)系統(tǒng)的變化具有很大不確定性.因此,建議對(duì)中緯度高海拔地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的變化機(jī)制進(jìn)行更為詳細(xì)的研究.此外,與人口稠密的中東部大陸低海拔地區(qū)相比,太白山高海拔地區(qū)一直未受到人類(lèi)活動(dòng)的影響(Wang等,2016;Cheng等,2017),其僅有的人類(lèi)活動(dòng)均集中在海拔僅700m以下的范圍(Liu等,2002).因此,自全新世中期以來(lái),太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的變化主要是由自然因素引起的,是氣候變化的重要指標(biāo).
5結(jié)論
自全新世中期以來(lái),處于季風(fēng)影響區(qū)的太白山高海拔地區(qū)(海拔3767m)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著變化,主要受到夏季降水和年平均溫度的影響.根據(jù)高分辨率高山湖沼記錄結(jié)果,植被生產(chǎn)力與年平均溫度密切相關(guān),而土壤侵蝕則與夏季降水有關(guān).在5850~4000cal.aBP期間,當(dāng)年平均溫度低且夏季降水豐沛時(shí),植被生產(chǎn)力低,土壤侵蝕較為嚴(yán)重.從4000cal.aBP開(kāi)始,隨著年平均溫度的升高和夏季降水的減少,植被生產(chǎn)力顯著升高,而土壤侵蝕則減緩.這些結(jié)果表明古生態(tài)學(xué)記錄可為研究較長(zhǎng)時(shí)間尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供有力證據(jù),可以幫助制定氣候變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展政策.——論文作者：程穎1,2,劉鴻雁2*,王紅亞2†,陳德亮3,PhilippeCIAIS4,羅耀2,吳秀臣5,6,印軼7
相關(guān)期刊推薦： 摘要 盡管普遍認(rèn)為高山生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)非常敏感, 但很少有研究探究氣候變化對(duì)高山植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的影響. 基于古生態(tài)學(xué)記錄, 探究了全新世中期以來(lái)處于東亞季風(fēng)影響區(qū)的太白山高海拔區(qū)植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變. 高分辨率高山湖沼記錄顯示, 植被生產(chǎn)力與年平均溫度密切相關(guān), 而土壤侵蝕主要受到東亞夏季風(fēng)所帶來(lái)的降水的影響. 即在5800~4000cal. a BP期間, 年平均溫度較低而夏季降水充沛, 高山生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為低的植被生產(chǎn)力且土壤侵蝕嚴(yán)重. 但是, 從4000cal. a BP開(kāi)始, 年平均溫度升高而夏季降水減少, 植被生產(chǎn)力顯著提高且土壤侵蝕減緩. 這些結(jié)果表明, 古生態(tài)學(xué)記錄可為研究較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供有力證據(jù), 可幫助制定氣候變化下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展政策.
關(guān)鍵詞 花粉, 植被動(dòng)態(tài), 高山湖沼沉積物, 侵蝕強(qiáng)度, 古生態(tài)指標(biāo)
1 引言
與周?chē)秃０蔚貐^(qū)相比, 高海拔地區(qū)的升溫速度更快, 并且特別容易受到氣候變化的影響(Solomon等, 2007). 已有研究表明, 氣候變化改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的兩個(gè)重要方面, 即高山植被生產(chǎn)力和土壤保持能力 (Maher和Chamberlain, 2014; Jeffers等, 2015; Berhe等, 2018; Ding等, 2018). 進(jìn)一步, 高山植被的變化會(huì)通過(guò)區(qū)域內(nèi)的徑流和水土流失影響到低海拔地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng). 鑒于當(dāng)前和未來(lái)氣候變暖的威脅, 有必要探討其對(duì)高山植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的影響, 這可為確定氣候變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響提供證據(jù), 并確保這些地區(qū)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展. 基于此, 重建全新世溫暖期的植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕演變, 可為預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變暖可能導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)變化提供參考.
截至目前, 已有研究缺乏生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)長(zhǎng)期變化的探討, 特別是關(guān)于高山植被生產(chǎn)力及其在調(diào)節(jié)土壤侵蝕中的作用的探討更為少見(jiàn)(Dearing等, 2012). 目前大多數(shù)研究都只集中在植被動(dòng)態(tài)的演變或土壤侵蝕強(qiáng)度的變化上(Wang等, 2016, 2019; Cheng等, 2017), 很少有研究嘗試從古生態(tài)學(xué)角度探討這兩個(gè)要素的協(xié)同演變過(guò)程及其之間的關(guān)系. 由于森林、灌木和其他生態(tài)系統(tǒng)可以持續(xù)數(shù)百年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間, 因此迫切需要探索它們?cè)诟呱缴鷳B(tài)系統(tǒng)中的演變過(guò)程.
氣候不僅決定植被的生產(chǎn)力, 而且會(huì)直接或間接地影響流域內(nèi)的土壤侵蝕. 已有研究表明, 氣候、植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕強(qiáng)度之間的關(guān)系并不是線性的 (Zhou等, 2006; Nunes等, 2008). 例如, 高海拔地區(qū)的植被一般受到溫度的限制(Cheng等, 2017), 而土壤侵蝕通常被認(rèn)為受到降水的影響, 同時(shí)也可能受到植被的影響. 高的植被生產(chǎn)力通常與高的植被覆蓋度相一致 (Johnson, 2003; Kerns等, 2018), 這進(jìn)一步?jīng)Q定了其在保護(hù)流域土壤中的作用, 從而間接影響到土壤侵蝕的強(qiáng)度. 這一聯(lián)系表明, 植被生產(chǎn)力與土壤侵蝕之間的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜, 需要詳細(xì)探究以了解其在氣候變化背景下的獨(dú)特性.
盡管基于多情景的分析表明, 由于氣候變化, 若干生態(tài)系統(tǒng)的要素已發(fā)生不同程度的改變, 但這些研究仍缺乏局地尺度的實(shí)證分析(例如, Schröter等, 2005; Anderson等, 2011). 因此, 有必要以較小的空間尺度作為分析對(duì)象, 著重探討這些地點(diǎn)的獨(dú)特過(guò)程, 以便于制定因地制宜的可持續(xù)發(fā)展政策.
東亞是世界上人口最稠密的地區(qū)之一, 其高山地區(qū)的植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕對(duì)周?chē)秃０蔚貐^(qū)的生態(tài)系統(tǒng)及人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生直接影響(Mace等, 2012; Jeffers 等, 2015). 值得注意的是, 亞洲夏季風(fēng)攜帶來(lái)自太平洋和印度洋的水汽, 使得東亞地區(qū)(包括中國(guó)中部和東部)的夏季降水相對(duì)充沛. 已有研究表明, 東亞夏季風(fēng)帶來(lái)的降水對(duì)低海拔地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)演變具有顯著影響(Zhao等, 2009, 2010; Liu等, 2014; Xu等, 2017; Li等, 2018). 但是, 考慮到溫度對(duì)高山植被的限制作用, 過(guò)去氣候變化對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制可能與低海拔地區(qū)不同. 因此, 對(duì)于缺乏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的山區(qū), 有必要使用古生態(tài)學(xué)記錄作為指標(biāo)來(lái)探究植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)因素. 此外, 植被(尤其是森林)的演化是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程, 有些地方即便是有觀測(cè)數(shù)據(jù), 但它們的覆蓋時(shí)間有限, 不足以反映氣候變化對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)影響的機(jī)制, 因此迫切需要古生態(tài)學(xué)指標(biāo).
在此背景下, 本研究試圖回答以下兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題: (1) 太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變過(guò)程(圖1a); (2) 基于古生態(tài)學(xué)證據(jù)闡明全新世中期以來(lái)溫度和降水對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制, 特別是土壤侵蝕的驅(qū)動(dòng)因素. 太白山高海拔地區(qū)的跑馬梁湖沼具有連續(xù)的沉積物分布, 因此能夠基于古生態(tài)學(xué)指標(biāo)重建局地尺度的高山生態(tài)系統(tǒng)演變. 其中, 總花粉濃度、喬木花粉濃度、喬木花粉與非喬木花粉的比例 (AP/NAP)、總有機(jī)碳含量(TOC)以及總有機(jī)碳與總氮的比值(C/N)可以用來(lái)指示植被生產(chǎn)力的變化(Sugita, 2007a, 2007b; Kylander等, 2013); 平均粒徑和礦物磁性的一些參數(shù)則可以作為土壤侵蝕強(qiáng)度的代用指標(biāo)(Hu 等, 2001; Wang等, 2016).
2 材料和方法
2.1 研究區(qū)域
秦嶺是中國(guó)北方和南方的地理分界線, 也是溫帶氣候和亞熱帶氣候的過(guò)渡帶. 太白山(107°19′~107°58′E; 33°41′~34°10′N)海拔高達(dá)3767m(圖1a), 是秦嶺的主峰, 也是中國(guó)中東部大陸的最高峰. 與周?chē)秃０蔚貐^(qū)相比, 其高海拔地區(qū)的沉積物受人類(lèi)活動(dòng)的干擾非常小 (Wang等, 2016; Cheng等, 2017).
跑馬梁湖沼(33°57′N, 107°45′E; 海拔3556m)是太白山南坡最高的湖沼洼地(圖1b). 該湖沼周?chē)哪昶骄鶜鉁貫?minus;1℃, 年降水量為680mm. 流域面積約為 0.95km2 , 主要分布有花崗巖風(fēng)化碎屑. 土壤主要是深棕色或淺黃棕色的高山草甸土壤, 其大部分被高山草甸和灌木所覆蓋. 主要的灌木包括頭花杜鵑(Rhododendron capitatum)、高山繡線菊(Spiraea alpina)和杯腺柳(Salix cupularis)等. 草本植物以粗喙苔草(Carex scabrirostris)、扁蕾(Gentiana barbata)和紫羊茅(Festuca ovina)為主.
2.2 采樣與實(shí)驗(yàn)室預(yù)處理
研究組于2013年在已經(jīng)接近干涸的跑馬梁湖沼鉆取了一個(gè)沉積物剖面, 直至底部的基巖出現(xiàn). 進(jìn)一步使用大小約為10cm×20cm的鋁盒沿著探坑的內(nèi)壁由下至上進(jìn)行取樣. 最終, 獲得了一個(gè)145cm長(zhǎng)的連續(xù)巖芯, 將其命名為跑馬梁剖面(PML13).
同時(shí), 在采樣點(diǎn)觀察并記錄了沉積物的巖性特征. 剖面底部(145~119cm)為淺黃色粉砂質(zhì)黏土, 中間層位 (119~20cm)為淺灰色黏土, 頂部(20~0cm)為棕色粉砂.
樣品的預(yù)處理在北京大學(xué)地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成. 所有樣品均在實(shí)驗(yàn)室條件下風(fēng)干, 然后以1cm的間隔對(duì)PML13剖面進(jìn)行分樣, 共獲得了145個(gè)樣品.
2.3 AMS 14C測(cè)年和年代模型的建立
由于跑馬梁湖沼處于太白山花崗巖分布區(qū), 所以湖盆周?chē)淖陨妓猁}含量非常低. 此外, 該湖沼所處海拔較高, 沒(méi)有其他河流注入其中, 因此外源“老碳”的可能性很小. 由于在沉積物中未發(fā)現(xiàn)任何植物殘留, 因此選擇了有機(jī)質(zhì)全樣進(jìn)行了測(cè)年.
對(duì)PML13剖面的8個(gè)樣品進(jìn)行了14C年代的測(cè)定, 分別在北京大學(xué)考古文博學(xué)院AMS實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)Beta 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行, 結(jié)果列于網(wǎng)絡(luò)版附表S1(http://earthcn.scichina.com). 測(cè)定完成后, 使用Calib Rev 7.0.4和IntCal 13(Reimer等, 2013)對(duì)年代進(jìn)行了矯正, 并使用cal. a BP進(jìn)行表示. 進(jìn)一步使用貝葉斯模型(Blaauw和Christen, 2011)對(duì)各深度的年代進(jìn)行了分析計(jì)算(圖2).
2.4 總有機(jī)碳、總氮和粒度的分析
對(duì)145個(gè)樣品進(jìn)行了總有機(jī)碳(TOC)和總氮(TN) 含量的測(cè)定. 將10mg左右的樣品放入錫舟中, 并添加助燃劑. 然后將樣品密封并放置在Vario Micro Cube 元素分析儀中進(jìn)行碳氮含量的測(cè)定, 進(jìn)一步計(jì)算得到 C/N比值. 通常, 沉積物的TOC含量反映了湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力以及流域內(nèi)的植被狀況, 而C/N則反映了陸生和水生有機(jī)質(zhì)來(lái)源的相對(duì)貢獻(xiàn)(Wang等, 2016) (表1).
對(duì)145個(gè)樣品進(jìn)行了粒度分析. 將3g左右的樣品放置在燒杯中并進(jìn)行稱(chēng)重. 依次將樣品通過(guò)15%的雙氧水 (H2O2 )、10%的稀鹽酸(HCl)和25%的六偏磷酸鈉 ((NaPO3)6), 以除去其中的有機(jī)質(zhì)和膠結(jié). 進(jìn)一步使用 Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析儀進(jìn)行粒度的測(cè)定, 并計(jì)算出平均粒徑. 一般而言, 湖泊沉積物的平均粒徑可以指示流域內(nèi)土壤侵蝕的強(qiáng)度, 即粗的平均粒徑表示侵蝕嚴(yán)重程度較高, 反之亦然(Wang等, 2016)(表1).
2.5 孢粉分析
對(duì)145個(gè)樣品進(jìn)行了孢粉分析. 主要使用鹽酸和氫氧化鈉對(duì)樣品進(jìn)行了前期處理, 接下來(lái)使用重液對(duì)孢粉進(jìn)行提取(Moore等, 1991). 最后, 在奧林巴斯光學(xué)顯微鏡下以400倍放大倍數(shù)對(duì)孢粉濃縮物進(jìn)行鑒定, 每個(gè)樣品至少鑒定500粒. 總花粉濃度, 尤其是喬木花粉的濃度, 可以用來(lái)反映植被的生產(chǎn)力. 即濃度越高, 生產(chǎn)力越高(Chen等, 2006)(表1). 喬木花粉與非喬木花粉的比例(AP/NAP)也可以用來(lái)反映太白山南坡的植被生產(chǎn)力, 即比值越高, 植被生產(chǎn)力越高(表1).
2.6 礦物磁性的測(cè)量
對(duì)145個(gè)樣品進(jìn)行了礦物磁性參數(shù)的測(cè)量. 使用 Bartington MS2磁化率儀在0.47 kHz頻率上測(cè)定低頻磁化率, 在4.7 kHz頻率上測(cè)量高頻磁化率.
為了測(cè)量非滯后性剩磁(ARM), 將樣品置于交變退磁儀(AF Demagnetizer)中以獲得非磁滯剩磁. 其中, 交變磁場(chǎng)的峰值為100mT, 直流磁場(chǎng)為0.04mT. 隨后將樣品置于旋轉(zhuǎn)磁力儀(Flux-gate Magnetometer)中進(jìn)行測(cè)量. 最后將測(cè)得的非滯后性剩磁除以樣品的質(zhì)量密度, 以獲得單位質(zhì)量樣品的非滯后性剩磁的強(qiáng)度(Oldfield, 1991).
為了測(cè)量等溫剩磁(IRM), 用脈沖磁化儀分別給樣品施加相應(yīng)的磁場(chǎng), 場(chǎng)強(qiáng)分別為300、1000、−100和 −300mT. 然后將樣品置于旋轉(zhuǎn)磁力儀中進(jìn)行測(cè)量. 其中, IRM1000mT用作飽和等溫剩磁強(qiáng)度(SIRM). 然后計(jì)算得出IRM300mT/SIRM、IRM−100mT/SIRM、IRM−300mT/ SIRM和ARM/SIRM等參數(shù)的值. 各參數(shù)表征的環(huán)境意義在網(wǎng)絡(luò)版附表S2中給出(Dearing, 1999; Evans和Heller, 2003; Wang等, 2010).
對(duì)于湖泊沉積物的磁性礦物, 其主要是由流域內(nèi)的磁性巖體經(jīng)過(guò)侵蝕、搬運(yùn)和沉積作用而形成(Dearing, 1999). 礦物磁性的參數(shù)通常用作土壤侵蝕嚴(yán)重程度的指標(biāo), 也可用于識(shí)別亞鐵磁性礦物和反鐵磁性礦物的含量以及磁性礦物的粒徑(Royall, 2001). 如果侵蝕嚴(yán)重, 底層土壤將受到嚴(yán)重干擾, 地表徑流將大量反鐵磁性礦物帶入湖泊. 這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致反鐵磁性礦物的含量較高(IRM−100mT和IRM−300mT), 并且反鐵磁性礦物的相對(duì)含量(包括IRM−100mT/SIRM和IRM−300mT/ SIRM)也會(huì)增加. 與此同時(shí), 由于侵蝕較為強(qiáng)烈, 地表徑流帶入湖泊的亞鐵磁性礦物的含量則會(huì)降低, 表現(xiàn)為χlf、IRM300mT、SIRM等參數(shù)的降低; 亞鐵磁性礦物的相對(duì)含量、較細(xì)的超順磁(SP)顆粒和穩(wěn)定單疇 (SSD)顆粒也會(huì)有所降低, 表現(xiàn)為IRM300mT/SIRM、 ARM以及ARM/SIRM這些參數(shù)的降低(Evans和Heller, 2003; Wang等, 2010). 相反, 當(dāng)侵蝕程度較輕時(shí), 只有表層土壤受到干擾, 通過(guò)地表徑流帶入湖泊的反鐵磁性礦物的含量及其相對(duì)含量則會(huì)降低, 即IRM−100mT、 IRM−300mT、IRM−100mT/SIRM和IRM−300mT/SIRM這些參數(shù)會(huì)有所降低, 而亞鐵磁性礦物的含量及其相對(duì)含量、SP顆粒和SSD顆粒則會(huì)增加, 表現(xiàn)為χlf、ARM、 IRM300mT、SIRM、IRM300mT/SIRM和ARM/SIRM這些參數(shù)的升高(Evans和Heller, 2003; Wang等, 2010).
最后, 在多個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)之上, 使用主成分分析法建立了土壤侵蝕的綜合指標(biāo)(圖3g; 網(wǎng)絡(luò)版附表S3~S5).
2.7 冗余分析
使用冗余分析(RDA)(Lepš和Šmilauer, 2003)探究了環(huán)境代用指標(biāo)對(duì)氣候變量的敏感性. 環(huán)境代用指標(biāo)包括TOC、C/N比值、總花粉濃度、喬木花粉濃度, AP/NAP比值、平均粒度以及礦物磁性的多個(gè)參數(shù). 氣候變量為東亞夏季風(fēng)指數(shù)、夏季降水量和年平均氣溫. 東亞夏季風(fēng)指數(shù)來(lái)自三寶洞的石筍氧同位素記錄, 以及董哥洞的石筍氧同位素記錄(Wang等, 2005, 2008; Liu等, 2014). 全新世溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于TraCE21ka數(shù)據(jù)集(http://www.cgd.ucar.edu/ccr/TraCE/)(He, 2011; Liu等, 2014).
3 結(jié)果
3.1 全新世以來(lái)植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的演變
在5850~4000cal. a BP期間, TOC、C/N、總花粉濃度、喬木花粉濃度、AP/NAP比值非常低, 而從 4000cal. a BP開(kāi)始逐漸增加. 這表明早期的植被生產(chǎn)力較低(植被覆蓋稀疏), 后期又有所增加(圖3和表1).
盡管平均粒徑在百年尺度上的波動(dòng)較大, 但在 5850~4000cal. a BP期間, 粗粒徑的比例很高, 而從 4000cal. a BP開(kāi)始, 細(xì)粒徑的比例開(kāi)始升高(圖3). 礦物磁性參數(shù), 如χlf、ARM、IRM300mT、SIRM、IRM300mT/ SIRM以及ARM/SIRM的值在5850~4000cal. a BP期間較低, 而自4000cal. a BP開(kāi)始, 顯著升高(圖4; 網(wǎng)絡(luò)版附表S2). 相反, IRM−100mT、IRM−300mT、IRM−100mT/SIRM 和IRM−300mT/SIRM的值呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)(圖4; 網(wǎng)絡(luò)版附表S2). 根據(jù)方法部分的解譯模式, 礦物磁性的參數(shù)變化表明在5850~4000cal. a BP期間, 侵蝕作用相對(duì)強(qiáng)烈, 擴(kuò)展到了土壤的底層(圖4; 網(wǎng)絡(luò)版附表S2), 而自 4000cal. a BP開(kāi)始, 侵蝕作用相對(duì)較弱, 僅局限于土壤的表層(圖4; 網(wǎng)絡(luò)版附表S2). 此外, 土壤侵蝕的綜合指標(biāo)也指示出相似的侵蝕程度變化(圖3g).
根據(jù)TraCE-21ka的數(shù)據(jù)集結(jié)果, 全新世中期以來(lái)的年平均溫度范圍為0.19~1.01℃, 多年平均值為 0.64℃(圖3)(He, 2011; Liu等, 2014). 在5850~4000cal. a BP期間, 年平均溫度較低, 而在4000~0cal. a BP期間, 年平均溫度較高(圖3). 此外, 全新世中期以來(lái)的夏季降水量逐漸減少(圖3). 即在5850~4000cal. a BP期間, 夏季降水量豐沛, 此階段東亞夏季風(fēng)較強(qiáng); 從4000cal. a BP開(kāi)始, 夏季降水量匱乏, 此階段東亞夏季風(fēng)較弱 (圖3)(Wang等, 2005, 2008; He, 2011; Liu等, 2014). 因此, 在太白山高海拔地區(qū), 全新世中期的氣候特征是年平均氣溫較低, 而夏季降水量高; 全新世晚期的年平均溫度較高, 但夏季降水量低.
因此, 在5850~4000cal. a BP期間, 當(dāng)年平均氣溫較低而夏季降水豐沛時(shí), 植被生產(chǎn)力較低, 土壤侵蝕程度較高(圖3). 而自4000cal. a BP開(kāi)始, 當(dāng)年平均溫度開(kāi)始上升而夏季降水減少時(shí), 植被生產(chǎn)力則顯著升高, 而土壤侵蝕程度則較低(圖3). 因此, 太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力主要與年平均溫度的變化有關(guān), 土壤侵蝕與夏季降水的變化密切相關(guān).
3.2 植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕變化的驅(qū)動(dòng)力
研究進(jìn)一步使用冗余分析提取并總結(jié)了沉積物指標(biāo)所放映的環(huán)境信息. 結(jié)果表明, 軸1和軸2分別解釋了環(huán)境代用指標(biāo)變化的53.1%和1.1%(圖5和網(wǎng)絡(luò)版附表 S6). 因此, 需要重點(diǎn)關(guān)注影響第一軸的氣候因素. 第一軸和東亞夏季風(fēng)指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.92(p˂0.01), 與夏季降水之間的關(guān)系為0.79(p˂0.01), 與年平均溫度之間的關(guān)系為−0.92(p˂0.01)(網(wǎng)絡(luò)版附表S7). 因此, 年平均溫度和夏季降水對(duì)環(huán)境代用指標(biāo)的影響較大.
4 討論
研究發(fā)現(xiàn)太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力主要與年平均溫度的變化有關(guān), 而土壤侵蝕與夏季降水的變化密切相關(guān)(圖6). 同時(shí), 本研究還發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕也受到植被生產(chǎn)力(植被覆蓋度)的影響, 這與在鄰近的黃土高原所觀察到的現(xiàn)象相似(例如, Fu等, 2011; Zhao 等, 2013). 通常, 大量的降水增加了地表徑流從流域內(nèi)侵蝕和搬運(yùn)土壤的能力, 從而增加了土壤侵蝕的強(qiáng)度, 降水不足時(shí)侵蝕能力則會(huì)降低(Wang等, 2016, 2019). 土壤侵蝕的相對(duì)強(qiáng)度也與植被覆蓋度有關(guān)(Dearing, 1999; Nunes等, 2008). 具體而言, 在5850~4000cal. a BP 期間, 由于植被稀疏, 其保護(hù)流域的土壤免受侵蝕的能力較弱, 因此土壤侵蝕可能相對(duì)劇烈. 從4000cal. a BP 開(kāi)始, 高的植被覆蓋度對(duì)流域內(nèi)的土壤保護(hù)能力較強(qiáng), 只有較細(xì)的顆粒才能被搬運(yùn), 土壤侵蝕程度則相對(duì)較輕. 因此, 盡管在千年時(shí)間尺度上, 夏季降水變化主導(dǎo)了土壤侵蝕的強(qiáng)度(Wang等, 2016, 2019), 但太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力變化(導(dǎo)致植被密集或稀疏)也會(huì)影響到土壤侵蝕強(qiáng)度的變化. 該聯(lián)系表明古生態(tài)學(xué)證據(jù)在探究長(zhǎng)時(shí)間尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)演變方面的作用, 可為制定氣候變化影響下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展政策提供幫助.
但是, 值得注意的是, 不同代用指標(biāo)所重建的溫度可能會(huì)有較大差異. 許多研究表明全新世中期的溫度較高(例如, Zhao等, 2009; Liu等, 2014; Xu等, 2017), 而由此引起的低濕度可能是導(dǎo)致植被生產(chǎn)力低的另一個(gè)因素. 此外, 從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看, 不穩(wěn)定或頻繁的氣候波動(dòng)也可能會(huì)加劇土壤侵蝕. 例如, 全新世中期氣候適宜, 而全新世晚期氣候惡化, 因此該氣候過(guò)渡期可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的土壤侵蝕(Wang等, 2008; Huang等, 2015). 值得注意的是, 由于本研究區(qū)域位于黃土高原的南部, 因此風(fēng)成沉積也可能對(duì)湖沼沉積物有所貢獻(xiàn). 然而, 已有研究表明, 太白山高山和亞高山帶的湖泊沉積物主要來(lái)自局地流域內(nèi)的土壤侵蝕(Wang等, 2010, 2016, 2019), 這與本研究的結(jié)果相吻合.
此外, 跑馬梁湖沼位于海拔3556m處, 接近現(xiàn)代林線的位置. 該海拔的水蒸氣相對(duì)飽和, 因此溫度而非相對(duì)濕度是限制植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素(Cheng等, 2017). 過(guò)去有關(guān)氣候變化影響的研究主要聚焦在中國(guó)大陸中東部的低海拔地區(qū). 然而, 氣候變化對(duì)高海拔地區(qū)植被的影響可能不同于低海拔地區(qū). 在低海拔地區(qū), 許多研究已經(jīng)證實(shí)了東亞夏季風(fēng)的主導(dǎo)作用(例如, Zhao等, 2009, 2010; Xu等, 2017; Li等, 2018). 但是, 本研究的沉積記錄不僅提供了東亞夏季風(fēng)(夏季降水)對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)影響的直接證據(jù), 而且還提出了年平均溫度對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)影響的新認(rèn)識(shí), 這可以進(jìn)一步深化氣候變化對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)制的理解.
盡管多項(xiàng)研究預(yù)測(cè)了未來(lái)氣候變暖下的植被動(dòng)態(tài), 但很少有研究指出高山生態(tài)系統(tǒng)的潛在變化 (Harsch等, 2009; Ernakovich等, 2014). 氣候變化有可能使高海拔地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)(包括高山生態(tài)系統(tǒng))對(duì)升溫更加敏感. 因此, 為了應(yīng)對(duì)全球變暖對(duì)高海拔地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的威脅, 應(yīng)更加注意年平均溫度的變化. 但是, 太白山的地形特別復(fù)雜, 可能使高山生態(tài)系統(tǒng)的變化具有很大不確定性. 因此, 建議對(duì)中緯度高海拔地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的變化機(jī)制進(jìn)行更為詳細(xì)的研究. 此外, 與人口稠密的中東部大陸低海拔地區(qū)相比, 太白山高海拔地區(qū)一直未受到人類(lèi)活動(dòng)的影響(Wang等, 2016; Cheng等, 2017), 其僅有的人類(lèi)活動(dòng)均集中在海拔僅 700m以下的范圍(Liu等, 2002). 因此, 自全新世中期以來(lái), 太白山高海拔地區(qū)的植被生產(chǎn)力和土壤侵蝕的變化主要是由自然因素引起的, 是氣候變化的重要指標(biāo).
5 結(jié)論
自全新世中期以來(lái), 處于季風(fēng)影響區(qū)的太白山高海拔地區(qū)(海拔3767m)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著變化, 主要受到夏季降水和年平均溫度的影響. 根據(jù)高分辨率高山湖沼記錄結(jié)果, 植被生產(chǎn)力與年平均溫度密切相關(guān), 而土壤侵蝕則與夏季降水有關(guān). 在5850~4000cal. a BP期間, 當(dāng)年平均溫度低且夏季降水豐沛時(shí), 植被生產(chǎn)力低, 土壤侵蝕較為嚴(yán)重. 從4000cal. a BP開(kāi)始, 隨著年平均溫度的升高和夏季降水的減少, 植被生產(chǎn)力顯著升高, 而土壤侵蝕則減緩. 這些結(jié)果表明古生態(tài)學(xué)記錄可為研究較長(zhǎng)時(shí)間尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供有力證據(jù), 可以幫助制定氣候變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展政策.——論文作者：程穎1,2, 劉鴻雁2*, 王紅亞2†, 陳德亮3 , Philippe CIAIS4 , 羅耀2 , 吳秀臣5,6, 印軼7
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