内流河流域全新世环境变化与碳循环——以石羊河流域为例

摘要

全球碳循环作为地球各圈层相互连接的纽带，是地球系统物质、能量循环的关键，已有诸多科学研究关注陆地和海洋碳循环。干旱半干旱地区占陆地表面积的47％，在全球碳循环中扮演着重要角色，被认为是全球陆地碳预算的重要组成部分。但是，对这一地区碳循环机制的研究还存在争议，干旱半干旱区实际碳库的大小尚不明确。与此同时，自然气候条件下有机、无机碳库的定量估算和碳循环过程的研究，依赖于研究区长时间尺度气候变化与环境演变情况的定量重建，这对理解气候、环境演变与碳循环过程间反馈机制，衡量其在全球碳循环中重要性，深入理解全球碳预算，精确预测未来碳循环演变趋势至关重要。
　　对区域碳循环过程和机制的充分了解，是实现全面、可靠评估全球碳循环过程与碳预算的基础。内流河流域(Endorheic Basin)大多分布于干旱、半干旱区，对气候和变化极度敏感，由于其拥有相对封闭的地理条件和一个相对独立和完整的碳循环系统，使其成为研究区域陆地碳循环过程的理想对象。本文针对干旱、半干旱区存在的无机碳库实际大小，有机、无机碳库相对重要性的争论，及碳循环与气候、环境演变响应等问题，结合内流河流域本身地理条件优势，以石羊河流域为例，实现了对干旱、半干旱地区全新世千年尺度环境演变的定量重建，和不同时间尺度有机、无机碳库的定量估算。在深入理解区域碳循环过程及其与环境演变反馈机理的基础上，建立终端区域评价模式，定量估算全球内流河流域中全新世与现代无机碳库，并评估其在全球碳循环中的重要性。本项研究有助于实现全球碳循环定量化，确立现代全球碳预算，理解和预测未来碳循环与气候、环境演变相互关系，对全球政治经济稳定和人类社会可持续发展有重要意义。
　　本文通过对石羊河流域千年尺度气候变化过程和驱动力的研究，以及现代表土花粉传播特征与对应植被带的数理分析，综合全流域不同位置8个沉积剖面全新世孢粉记录，首次根据孢粉记录的植被垂直地带性，提出一种新的Pollen-precipitation indices，定量重建了石羊河流域全新世不同时期植被带范围变化。全新世早期(~10000-~7000cal a BP)，石羊河流域海拔2700-3100m为亚高山灌丛植被带，海拔2500-2700m发育森林植被带，海拔1500-2100m发育山前草原植被带，1500m以下为荒漠草原植被带；全新世中期(~7000-~3500cal a BP)植被类型较全新世早期并未发生变化，但呈现出干旱化趋势，亚高山灌丛植被带分布于海拔2750-3150m范围，森林植被带退缩至海拔2550-2750m，海拔1550-2150m为山前草原植被带，1550m以下为荒漠草原植被带；全新世晚期(~3500-~0cal a BP)，石羊河流域干旱化趋势更为明显，林线退缩程度增大，亚高山灌丛植被带分布区为海拔3150~3550m，森林植被带位于海拔2950-3150m，海拔1950-2550m为山前草原植被带，海拔1450-1950m为荒漠草原植被带，荒漠植被带扩展至海拔1250-1450m范围，流域终端湖猪野泽东北边缘处出现少量沙漠植被带，海拔范围1050-1250m。此外，结合石羊河流域2000年-2014年夏季(6~8月)NDVI空间与时间变化定量分析结果，发现虽然气候变化的主导作用使石羊河流域植被覆盖年际变化总体呈现一致性，但现行流域治理方法对流域植被变化的影响仍较为明显，流域现行治理规划措施基本符合石羊河流域自然状态下演化趋势，使生态环境得到一定程度恢复，满足生态恢复长期目标的要求。
　　本文以石羊河流域中全新世8个沉积剖面共计584个矿物成分分析数据，132个总碳酸盐含量数据和92个radiocarbon/OSL(Optically Stimulated Luminescence)测年数据为依据，结合中全新世猪野泽湖泊面积重建结果，提出“终端区域评价法”，定量计算石羊河流域中全新世无机碳库。同时，为检验干旱区内流河流域无机碳库和有机碳库的相对重要性，通过定量化现代NEP数据与流域植被带分布的关系，结合流域千年尺度环境定量重建结果，计算石羊河流域中全新世有机碳汇。结果显示，石羊河流域中全新世DIC储量为0.13Pg，平均碳汇速率0.89g C m-2yr-1。这一数值与全球地下水无机碳通量近似(1.34g C m-2yr-1globally and lower in the arid zone)。根据石羊河流域碳酸盐同位素数据和地下水化学特征，终端湖地区的DIC储量代表了全流域的无机碳汇能力，如果将终端湖作为独立碳库研究，会导致DIC沉积速率的异常高值，例如在猪野泽地区，这一数值为57.58g C m-2yr-1。同时，2000-2014年石羊河流域平均单位NEP为85.07g C m-2yr-1，年均NEP总量为3.43×1012g C yr-1，总体呈增加趋势，多年累积NEP总量达5.16×1013g C。结合全新世植被带重建结果，石羊河流域中全新世有机碳汇速率为~125g C m-2yr-1，远高于无机碳库。此外，流域不同部位生态系统碳汇对气候变化的响应具有差异性，NEP与降水、温度等气候因子的相关关系区域差异明显。下游降水增加促进生态系统碳排放，上游温度升高促进生态系统碳吸收，中上游降水对碳汇的促进作用明显，而温度的促进作用有限，甚至对农田生态系统碳汇具有抑制作用，太阳辐射因子与生态系统碳汇强正相关集中在下游荒漠区。
　　在定量计算石羊河流域无机碳汇和深入理解其长时间尺度碳循环机理的基础上，根据全球49个内流河流域终端湖的湖泊面积及各项湖水理化指标，本文通过定义一个权重系数，Alkalinity×Lake area，来确定碳酸盐型(carbonate)，硫酸盐型(sulfate)和岩盐型(chlorine)流域所占的比例。之后选取全球不同位置11个内流河流域，运用“终端湖评价方法”评估全球内流河流域中全新世DIC含量及现代DIC沉积速率。最终计算得到全球内流河流域现代无机碳汇速率为0.152Pg C yr-1，中全新世为0.211Pg C yr-1，而全球内流河流域中全新世无机碳库总量则达到了739.1Pg。与全球碳循环中的其他通量相比，如深海碳埋藏(0.2Pg C yr-1)、河流搬运的无机碳负载(0.3Pg C yr-1)及地下水无机碳汇(~0.2Pg C yr-1)，全球内流河流域现代无机碳汇(0.152Pg C yr-1)相对较弱。同时，由于本研究使用的“终端区域评价法”并未考虑流域内盐/碱性土壤对CO2的吸收，尽管碳库效应对结果同样可以产生影响，得出的全球无机碳估算量可能是真实值的一个合理下限。与此同时，由于全球内流河流域总体上呈现增温增湿态势，NEP总量将有所增加，但中亚北部、澳大利亚中西部和南美洲南部荒漠区降水量的减少将降低生态系统的碳汇能力。本项研究结果显示全球内流河流域无机碳循环确实并不像之前研究提出的那样显著(现代0.152Pg C yr-1，中全新世0.211Pg C yr-1)，但依然是陆地碳预算中的重要组成部分。
　　全球碳预算最大的不确定性来源于陆地碳库中的碳失汇(“missing”or“residual”terrestrial carbon sink)，陆地碳失汇的不确定性及其机理的不明确限制了对陆地和海洋净汇碳能力计算结果的可信度。目前虽然已有相当多的科学研究通过卫星观测，模型模拟或基于已知碳库的估算，关注陆地和海洋碳库的汇碳能力，但是如何更加准确的计算全球碳循环过程和碳预算中主要指标，并定量估算和预测如碳与气候之间的反馈机制等未来可能存在的不确定性因素，是未来碳循环研究的重点，对全球政治经济稳定和人类社会可持续发展有重要意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 存在问题，研究目标与意义

第二章 研究区概况

2.1 石羊河流域自然地理概况

2.2 石羊河流域气候

2.3石羊河流域水文与水资源

2.4 石羊河流域土壤与植被

2.5 猪野泽自然地理概况

第三章 材料与方法

3.1 沙坑井(SKJ)、九驼梁(JTL)剖面全新世孢粉记录

3.2 石羊河流域不同植被带现代表土花粉沉积特征

3.3基于矿物成分分析的孢粉浓缩物提取方法改进

3.4 黄羊河剖面(HYHa, HYHb)粒度数值分析与有机地化指标分析

3.5 石羊河流域有机碳库计算

3.6 石羊河流域无机碳库测量

第四章 石羊河流域千年尺度环境定量重建

4.1 石羊河流域千年尺度孢粉定量重建

4.2 石羊河流域千年尺度粒度与矿物重建

4.3石羊河流域千年尺度同位素重建

第五章 石羊河流域全新世碳循环

5.1 石羊河流域全新世有机碳循环

5.2石羊河流域全新世无机碳循环

5.3全球内流河流域无机碳循环

第六章 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2问题与展望

参考文献

在学期间主要研究成果

致谢