多种脂类碳同位素记录的泥炭地生态系统对百年尺度水位下降的生态响应

Peatlands are efficient terrestrial ecosystems in storing carbon. Under the influence of climate changes and human disturbances, water table drawdown is affecting the peatland carbon cycle. Herein it is a hot topic to study how peatland ecosystem responds to water level drawdown on different timescales. The current researches mainly focus on seasonal to annual timescales. In contrast, the knowledge of ecological responses on long-term timescales is constrained by the lack of effectively approaches. Peat deposits contain abundant lipid molecules, coming from different ecosystem components. The combination of the carbon isotopic compositions of various peat lipids have the potential to track how ecosystem components respond to long-term water level drawdown. This study will investigate the responses of the carbon isotope compositions of plant and microbe lipids to contemporary natural and artificial hydrogeological gradients and to prolong drought on centennial timescales, and elucidate the controls for their differential response. These results have important implications to improve the paleoecological applications of lipid carbon isotope compositions in peat deposits and in other terrestrial archives, and to serve for peatland protection and restoration.

在气候变化和人类活动的影响下，作为重要陆地储碳场所的泥炭地正在或即将遭受水位下降的威胁。泥炭地生态系统如何响应水位下降是当前的热点问题之一。目前的研究主要关注季节至年际尺度上泥炭地生态系统的响应，由于缺乏有效的研究方法，对百年尺度的生态响应研究非常薄弱。泥炭脂类来自泥炭地生态系统的不同成员，因而联合多种脂类碳同位素有潜力成为泥炭地生态系统对长时间尺度水位下降响应研究的有力工具。在高频的气象-水文条件监测的基础上，本项目将对自然水位梯度和人为（极端）水位梯度，以及百年尺度干旱条件下植物脂类和微生物脂类碳同位素值的对比研究，揭示不同脂类（叶蜡脂类，微生物脂类）单体碳同位素组成响应水位下降事件的差异及原因，探讨亚热带泥炭地生态系统对百年尺度水位下降事件的响应过程与机制，服务于脂类单体碳同位素古生态意义的挖掘，并为亚热带泥炭地的保护和可持续发展提供理论指导。

泥炭湿地是重要的陆地储碳场所，它的碳汇功能正在遭受气候变化和人类活动造成的水位下降的严重威胁。前期的研究主要关注泥炭地生态系统对季节至年际尺度上水位变化的响应，对百年尺度的生态响应认识非常薄弱，主要原因是缺乏有效的研究方法。针对该难题，本项目通过现代过程监测和泥炭柱研究，验证了联合多种脂类碳同位素是记录泥炭地生态系统对长时间尺度水位下降响应研究的有力工具。取得的主要进展包括：（1）利用多种脂类碳同位素重建了赵公亭泥炭地13 ka BP以来的古水文气候变化，提出藿烷碳同位素值的大幅度负偏可以指示甲烷氧化事件，发现了不同脂类的碳同位素与总有机质碳同位素之间存在不同程度的同位素值偏移；（2）综合利用多种指标，重建了中全新世中国东南部古水文条件的整体趋势和突变事件，结果显示中国东南部中全新世总体湿润，在7.1 ka、6.4 ka、5.6 ka、4.8 ka 和 4.2 ka等时段发生了突变，而叶蜡长链烷烃碳同位素组成对这些突变的响应更灵敏；（3）开展了控制条件下的泥炭藓分解实验，提供直接的证据证明了泥炭藓特征烷烃的可降解性，并指出氧化还原条件是影响降解的主要因素，温度的影响并不显著；（4）对比分析了湿润（湿地）和干旱环境（旱地）中生长的同种植物叶蜡烷烃的分子、碳与氢同位素组成，发现两种生境中叶蜡烷烃的平均碳链长度、碳优势指数和单体碳同位素组成的差异不明显，而叶蜡烷烃的单体氢同位素组成在生境间差异显著，提出淹水是造成单体氢组成差异的可能原因。发表标注论文17篇，包括第一标注8篇，第二标注7篇。这些成果揭示了泥炭湿地代表性植物中脂类分子和单体碳氢同位素特征及控制因素，提升了泥炭沉积中脂类代用指标的解译能力，建立了亚热带不同地区全新世水文气候演变历史和空间特征，揭示出长期干旱条件下亚热带泥炭地生态过程的响应，为预测未来气候变暖干条件下亚热带泥炭地碳汇功能的变化提供了重要的参考依据。