東北地理所在精準火歷史重建及對泥炭沼澤碳庫影響研究中取得進展
隨著氣候變化和人類活動加劇，自然生態系統中的野火的頻率和強度均明顯增加，野火對自然生態系統的影響也隨之增加。長時間尺度的火歷史研究不僅可以加強對野火驅動機制的理解，同時可深入探討野火對自然系統植被演替、碳累積過程等關鍵生態要素的影響過程。泥炭沼澤是一類以沼生或濕生植物為優勢植物并具有泥炭累積的一類濕地生態系統，其不僅作為重要地質沉積記錄被廣泛用于重建歷史時期區域環境特征，同時也受到嚴重的野火威脅。然而受技術和方法限制，傳統火歷史研究廣泛利用熱解產物的沉積通量對區域火歷史進行評估，在重建準確度和信息上已經無法滿足準確評估野火頻發對泥炭沼澤碳庫影響的需求。
為深入了解火燒對泥炭沼澤碳庫的影響，東北地理所科研人員以大興安嶺泥炭沼澤為研究對象。評估燃燒溫度和燃料類型對其優勢植被火后熱解碳的化學組成的影響，并嘗試利用熱解碳的化學特性對歷史時期野火燃料類型和野火強度等信息進行準確重建，評估其對泥炭沼澤中穩定性較高的含碳化合物(如芳香族化合物和Fe-OC聚合物)累積過程的影響。研究發現隨著燃燒溫度的增加，較高的燃燒溫度促使熱解碳中不穩定的化合物(例如脂肪族化合物和羧酸類化合物)損失，而高溫產生的熱解碳的熱穩定性更高。利用FTIR 1515/1050和FTIR1720/1050峰高比率可以簡單對熱解碳來源和燃燒溫度進行識別，既高的FTIR 1515/1050表示熱解碳來自于灌木燃燒，低的FTIR 1515/1050表示熱解碳來自草本燃燒;而高的FTIR 1720/1050表示熱解碳來自于低溫燃燒，低的FTIR 1720/1050表示熱解碳來自于高溫燃燒。其中對熱解碳產生溫度識別的準確性要明顯高于對熱解碳燃料來源的準確性。
圖1 大興安嶺優勢植被火后熱解產物FTIR圖譜。
利用泥炭沉積記錄中熱解碳化學結構，研究人員進一步對大興安嶺宏圖(HT)泥炭沼澤過去700年的野火強度和燃料類型進行重建，并評估其對泥炭沼澤碳庫的影響。研究發現氣候變化和野火強度已經成為影響過去長時間尺度大興安嶺泥炭沼澤碳庫累積過程的關鍵要素。與灌木火相比，高強度草本火在濕潤的氣候背景下更容易發生，并促使更多的熱解碳累積。燃燒類型對泥炭沼澤碳庫中Fe-OC累積速率的影響很弱，而野火強度的增加更易導致泥炭沼澤中累積更多的PyC，并累積形成更多的穩定性較高的芳香族化合物和Fe-OC聚合物。盡管氣候變暖和高強度火災都有利于穩定性較高的含碳化合物的積累，但當氣候溫暖且高強度野火同時出現時，芳香族化合物和總碳的累積速率并沒有顯著變化，而Fe-OC聚合物累積速率卻增加了約三倍。本研究表明，精準重建區域野火歷史將成為評估野火對泥炭沼澤碳庫影響的必要條件，而熱解碳的化學組分具有重建歷史時期野火強度和燃料來源的潛力并有望成為重建區域火災歷史和生態信息的重要代用指標之一。
圖2過去700年來大興安嶺北部野火強度和燃料來源變化及其對泥炭沼澤碳庫中穩定性碳組分(芳香族化合物)和活性碳固持量(Fe-OC聚合物)的影響。
相關研究成果于近期發表在國際期刊《Catena》和《International Journal of Wildland Fire》上，由東北地理所高傳宇副研究員、秦雷特別研究助理、王國平研究員、姜明研究員等共同完成。相關研究受國家自然科學基金(42171103. 42101108. 42230516. 42101114)、東北地理所青年科學家小組(2022QNXZ01)、中國科學院青年創新促進會(2020235)，“一帶一路”國際科學組織聯盟專題聯盟(ANSO-PA-2020-14)等項目共同資助。
論文信息及鏈接如下：
Gao, C., Cong, J., Wang, G., Freeman, C., Jiang, M*., Qin, L*. (2023) High intensity fire accelerates accumulation of a stable carbon pool in permafrost peatlands under climate warming. Catena, 227. 107108. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816223001996
Gao, C., Cong, J., Sun, Y., Han, D., & Wang, G*. (2022). Variability in pyrogenic carbon properties generated by different burning temperatures and peatland plant litters: implication for identifying fire intensity and fuel types. International Journal of Wildland Fire, 31(4), 395-408. https://www.publish.csiro.au/wf/WF21053
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