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神农架大九湖泥炭地13000年以来水位变化与生态演化

2020-12-02阅读(543)

神农架大九湖泥炭地13000年以来水位变化与生态演化

论文摘要

全球泥炭地包含500-700 Gt碳,泥炭分布和演化重要的影响因子之一便是气候变化。目前,泥炭湿地沉积过程和生态演化如何响应气候变化是“全球变化与区域响应”研究的关键科学问题。在全球变化过程中,区域降水异常导致的洪涝灾害、干旱化等水文事件也在发生巨大的变化。水文事件对泥炭地生态、碳动态平衡乃至全球碳循环产生巨大影响。泥炭沉积中蕴藏着丰富的古环境、古生态信息,识别泥炭地生态演化如何响应水位变化极其重要。大九湖是中国中部少有的亚高山泥炭湿地,自末次冰消期以来开始发育。本文主要以大九湖泥炭地为研究对象,在AMS14C准确定年的基础上,结合现代生态调查及钻孔沉积物代用环境指标分析,恢复了13000年以来大九湖泥炭地的水文演化历史,得出大九湖水位变化与区域季风降水之间的关系,并深入探讨了湿地生态演化如何响应区域水文变化,主要取得以下进展。1、钻孔年代学与沉积学研究:ZK5理化参数重建了研究区的沉积环境特征。粒度频率曲线结果显示为单峰模型,峰值位于10μm左右,沉积环境相对稳定。微量元素（Cu、Pb、Zn、Cr除外）主要来源于原地矿物,其变化与总有机碳（TOC,Total Organic Carbon）呈显著负相关（R<-0.9）。沉积物理化学指标记录表明,大九湖盆地20000年来的沉积环境演化响应了北半球夏季太阳辐射控制的亚洲夏季风变化。2、现代生态调查与生境识别:大九湖湿地由湿润到干旱变化的6种生境类型组成,对应的植被类型分别为湿生泥炭沼泽、湿生草本沼泽、半湿生退化沼泽、湿生-中生草甸、中生-旱生草甸、旱生草甸。表土植硅体调查结果表明,大九湖常见植硅体类型包括,扇型、方型、长方型、鞍型、哑铃型、十字型、帽型、齿型、多铃型、棒型、发细胞及少量裸子类和阔叶类植硅体。沿水位埋深（DWT,Depth to Water Table）由低值到高值（对应湿润到干旱）排列,研究区43个样方表土植硅体的6个组合带敏感地指示了6种生境特征。3、基于现代过程的植硅体-DWT转换函数的创建:表土植硅体组合与8种环境因子（TOC、pH、磁化率（χ）、总氮、总磷、表土温度、DWT、粒度）的相关性分析结论如下:冗余分析（RDA,Redundancy Analysis）表明:8个环境变量共解释了51.6%的变异信息。其中,DWT是影响植硅体形态组成最主要的环境因子,单独解释了25%的变异信息,明显高于其他环境变量对植硅体变异的解释量。利用加权平均偏最小二乘（WA-PLS）模型构建了植硅体-DWT转换函数并用bootstrap cross-validation对模型进行评估发现,DWT的预测值与真实观测值最为接近。因此,本文基于WA-PLS创建的植硅体-DWT转换函数可用于钻孔沉积物实现泥炭地古水位定量重建。4、古气候重建及其环境意义:基于泥炭地表土数据库建立的植硅体-DWT转换函数,对ZK5古水位进行定量重建,将大九湖13000年来的古水位变化划分为5个阶段,包括3个长时间尺度的湿润期和2个长时间尺度的干旱期。3个DWT低值（湿润）时期主要发生在距今13000-11500 cal yr BP(DWTmean=7.28 cm)、9600-7500 cal yr BP(DWTmean=10.37 cm)、3000 cal yr BP-至今(DWTmean=7.11cm)。2个DWT高值（干旱）时期包括11500-9600 cal yr BP(DWTmean=19.14 cm)和7500-3000 cal yr BP(DWTmean=25.73 cm)。13000年以来大九湖水位与长江中游降水重建记录的对比结果显示,大九湖古水位变化敏感地响应了长江中游地区的季风降水变化。大九湖2015-2017年环境参数的原位监测显示,大九湖DWT夏季为低值(DWTmean=2.1cm),冬季为高值(DWTmean=6.0cm),与研究区季节性降雨(夏季Pmean=5.6mm,冬季Pmean=0.9mm)吻合。古今结合研究表明,大九湖是典型的雨养型泥炭沼泽,其水位波动主要受控于降水变化。此外,在全国表土植硅体和现代气候因子的相关分析基础上,利用全国表土植硅体-气候因子转换函数结合ZK5植硅体组合对大九湖进行了古温度定量重建,结果表明大九湖18000年来的温度变化响应了北半球气候变化阶段,依次为末次冰消期（18000-10000 cal yr BP）,全新世适宜期（10000-3000 cal yr BP）和全新世降温期（3000 cal yr BP-至今）。大九湖13000年来水热组合表明,B/A时期及中全新世时期气候以暖干为主。而YD时期,早全新世和晚全新世为冷湿气候。长江中游末次冰消期以来的水热配置在千年时间尺度上整体呈现暖干、冷湿的气候格局。5、古今生态演化的水文相关性分析:大九湖泥炭地现代及过去生态演化与DWT的相关性分析结果表明,泥炭地生态系统如碳循环、微生物活动、植被组成均敏感地响应了DWT变化。其中,DWT高值时期（干旱期）,CH4排放量下降(冬季日均5.3 nmol.m-2.s-1),CO2排放量增加(冬季日均0.7μmolCO2.m-2.s-1),泥炭（中全新世最低沉积速率约0.02mm/yr）及碳沉积速率下降（中全新世最低值6gC/yr/m2）,泥炭地碳埋藏能力及碳汇功能下降;与此同时,氧化环境下好氧细菌活动的增强导致藿烷通量增加（中全新世>1μg/g/yr）,指示干旱的有壳变形虫（如Trigonopyxis arcule,Euglypha rotunda type,Assulina muscorum,Habrotrocha angusticollis）和硅藻（如D.contenta,L.mutica,P.borealis,H.amphioxys）种类出现响应了干旱生境;早熟禾亚科比例有所下降,湿地植被类型多为草甸。DWT低值时期（湿润期）:CH4排放量增加(夏季日均30.8 nmol.m-2.s-1),CO2以吸收为主(夏季日均-3.6μmolCO2.m-2.s-1),泥炭及（早、晚全新世沉积速率>0.07 mm/yr）碳沉积速率上升（早、晚全新世>10 gC/yr/m2）,泥炭地碳埋藏能力及碳汇功能增强;还原环境下好氧细菌的活动减弱导致藿烷通量下降（早晚全新世约0.2μg/g/yr）,指示湿润的有壳变形虫和硅藻种类较多;早熟禾亚科比例增加,湿地生境类型多为沼泽。总之,本研究率先通过表土植硅体-DWT转换函数实现了大九湖泥炭地过去13000年来的DWT定量重建,揭示大九湖古DWT变化主要受控于长江中游古降水变化,该研究结果为长江中游地区现代全球变化研究提供了新证据。此外,生态演化与DWT变化关系的古今研究表明,湿地生态演化敏感地响应了DWT变化,为今后进一步探讨泥炭地生态响应全球变化提供了重要佐证。

论文目录

  • 作者简历
  • 摘要
  • abstract
  • 缩写词注释表（按照首字母排列）
  • 第一章 绪论
  •   1.1 全球泥炭分布及气候意义
  •   1.2 泥炭古水位重建研究进展
  •   1.3 泥炭地生态演化与水位变化研究进展
  •   1.4 末次冰消期以来气候变化
  •   1.5 选题依据
  •   1.6 研究目标和研究内容
  •     1.6.1 研究目标
  •     1.6.2 研究内容
  •   1.7 选题意义及创新
  •     1.7.1 选题意义
  •     1.7.2 拟解决的关键问题
  •     1.7.3 特色与创新
  • 第二章 研究区概况、材料与方法
  •   2.1 研究区概况
  •     2.1.1 地理位置
  •     2.1.2 区域地质演化简史与大九湖盆地形成演化
  •     2.1.3 地貌环境
  •     2.1.4 第四系
  •     2.1.5 水文条件
  •     2.1.6 气候与植被
  •     2.1.7 人类活动历史
  •   2.2 样品采集
  •   2.3 表土样品测试与分析
  •   2.4 钻孔样品测试与分析
  •     2.4.1 钻孔岩性特征
  •     2.4.2 年代学框架
  •     2.4.3 理化测试
  •   2.5 植硅体分析
  •     2.5.1 植硅体的分类与命名
  •     2.5.2 泥炭植硅体处理方法
  • 第三章 元素地球化学记录沉积环境演化
  •   3.1 钻孔剖面岩性对比
  •   3.2 钻孔沉积环境演化
  •     3.2.1 剖面粒度的变化特征
  •     3.2.2 微量元素来源分析
  •     3.2.3 剖面元素的变化特征
  •     3.2.4 沉积环境演化的阶段性及其环境意义
  •   3.3 小结
  • 第四章 植硅体-水位转换函数确立
  •   4.1 序言
  •   4.2 大九湖现代植被环境调查
  •   4.3 大九湖表土植硅体类型
  •   4.4 表土植硅体-DWT转换函数建立
  •     4.4.1 表土植硅体组合特征
  •     4.4.2 植硅体组合与环境变量之间的相关性分析
  •     4.4.3 植硅体-DWT转换函数建立
  •   4.5 小结
  • 第五章 末次冰消期以来植被演替与气候重建
  •   5.1 序言
  •   5.2 大九湖钻孔植硅体记录
  •     5.2.1 钻孔植硅体类型
  •     5.2.2 植硅体组合
  •   5.3 大九湖13000 年水位变化及区域对比
  •     5.3.1 大九湖泥炭地古水位重建
  •     5.3.2 大九湖水位响应长江中游季风降雨研究
  •   5.4 古温度定量重建
  •     5.4.1 植硅体古温度重建
  •     5.4.2 温度变化与区域对比
  •   5.5 小结
  • 第六章 大九湖水位变化与湿地生态演化研究
  •   6.1 大九湖湿地现代生态响应水位变化
  •     6.1.1 大九湖湿地现代碳通量响应水位变化
  •     6.1.2 大九湖湿地现代植被分布响应水位变化
  •     6.1.3 大九湖湿地现代微体生物响应水位变化
  •   6.2 13000 年以来大九湖生态响应水位变化
  •   6.3 小结
  • 第七章 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附表

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 刘红叶

    导师: 程胜高,顾延生

    关键词: 大九湖,泥炭地,水位,定量重建,生态演化

    来源: 中国地质大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 地质学,环境科学与资源利用

    单位: 中国地质大学

    分类号: P641;X143

    DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000167

    总页数: 126

    文件大小: 5391K

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