中国东北老里克泥炭地的环境水文变化：基于粒径分布和端元模型分析的证据

《CATENA》：Hydro-environmental shifts in Laolike peatland of Northeast China: Evidence from grain size distributions and end-member modeling analysis

泥炭地水文动态受气候与古地形协同调控，空间异质性显著。基于长白山老来克泥炭地两个 cores（LLK17C、LLK-D-2019）的粒度分布（GSD）与端元建模（EMMA），结合年代框架与古地形重建，揭示11-4.2 kyr BP气候主导水文演变，4.2 kyr BP后地形低洼区水文趋于稳定。局部地形与自组织过程进一步调节内部水文条件，凸显多 cores 研究必要性，为泥炭地水文重建提供新方法。

　　

李静|董彦民|李宏凯|徐志伟|王胜中

中国东北师范大学地理科学学院，教育部长白山地理过程与生态安全重点实验室，长春130024

摘要

泥炭作为陆地生态系统中的关键地质档案，因其能够在其形成过程中保存高分辨率的气候和环境记录而具有重要意义。泥炭地的水文条件对气候变化非常敏感，常被用作古气候重建的关键指标。然而，泥炭地内的水文条件表现出显著的空间异质性，这受到局部环境因素（如古地形）和自组织过程的影响，而这些因素尚未得到充分研究。本研究分析了长白山老里科泥炭地的两个泥炭芯（LLK17C和LLK-D-2019），使用了粒径分布（GSDs）和端元建模分析方法。在可靠的时间框架和古地形重建的支持下，研究了不同古地形条件下的GSDs，以评估水文动态及其驱动机制。结果表明，泥炭地内的水文演变存在明显的空间异质性。LLK17C芯含有细粒沉积物，其中风成和水成成分难以有效分离；而LLK-D-2019芯则产生了四个不同的端元。在11000至4200年前，气候是老里科泥炭地水文演变的主要控制因素。4200年后，位于最低地形的LLK-D-2019芯进入了一个稳定的泥炭积累阶段，这一变化通过GSDs、总有机碳和C/N比值的突然变化得到证实。此外，局部古地形和自组织过程进一步调节了内部水文条件及其演变轨迹。这些发现强调了泥炭地水文演变中空间异质性的重要性，并表明基于单个泥炭芯的古水文重建可能具有局限性。本研究有助于提高我们对泥炭地内部水文变异性及其长期发展动态的理解。

引言

泥炭通常在水分饱和条件下形成和发展（Millar等人，2018年）。厌氧环境和持续的缓慢沉积使泥炭成为全新世古环境研究的重要地质档案，能够保存高分辨率的沉积环境演变记录（Hong等人，2001年；Barber等人，2003年；Chambers等人，2012年）。早期的泥炭研究主要集中在其物质组成及其与气候系统的关系上。继Godwin（1949年）在西北欧进行的开创性泥炭花粉研究之后，泥炭逐渐成为重建环境变化历史的关键档案，并建立了整合生物、物理和地球化学指标的多代理研究框架（Chambers和Charman，2004年）。

先前的研究表明，泥炭地环境受到自生因素（如水文、地形和植被组成）和异生因素（如气候）的影响（Payette，1988年；Morris等人，2015年；Liu等人，2024年）。自生因素（包括地形配置）可以调节泥炭地内的水文条件（Klein等人，2013年；Loisel和Yu，2013年），而气候则通过温度、降水和蒸发过程改变水文和植被条件，从而导致沉积环境的空间变异性（Charman等人，2013年；Xing等人，2015年；Dong等人，2025年）。由微地形引起的水文差异加剧了碳积累和生物地球化学过程的空间异质性（van Bellen等人，2011年；Hobbie等人，2017年；McFarlane等人，2018年；Dong等人，2025年）。先前的研究还表明，泥炭地的微形态通常驱动北部泥炭地碳积累动态的空间异质性（McFarlane等人，2018年）。特别是在中国东北部的金川泥炭地，与古地形相关的水文差异被认为是碳积累率空间变化的主要控制因素（Dong等人，2025年）。作为关键的中间过程，水文通过水位波动直接影响有机物的产生和分解平衡，从而控制泥炭地的演变，并对气候具有高度敏感性（Anderson，1998年；Hendon等人，2001年；Zhang等人，2016年）。例如，由于北大西洋环流的影响，苏格兰北部的泥炭地在全新世经历了湿润-干燥-湿润的水文振荡（Anderson，1998年）。Zhang等人（2016年）提出，东亚季风调节的水文条件是中国东北部洪河泥炭地演变轨迹的主要驱动力。基于同一气候区的多芯水位重建，Hendon等人（2001年）表明，古水文条件随时间趋于一致，表明区域气候而非局部自生因素主导了水文模式。尽管如此，在实际重建中，自生调节仍然不可忽视。例如，在泥炭地初期发育阶段，更大的微地形变异性，特别是Sphagnum丘的形成，可能导致相邻泥炭芯之间的水文和沉积差异（Charman等人，1999年）。因此，需要进一步实证研究自生和异生因素对水文变异性的影响。

粒径分布（GSDs）是高度敏感的环境变化古环境代用指标（Mason和Folk，1958年；Duane，1964年；Friedman，1962年）。标准差分析、端元建模分析（EMMA）和通用分解模型可以将多模态GSDs分解为遗传上不同的组分，从而识别沉积物来源、传输路径、分选条件和沉积动态，具有广泛的应用价值（Visher，1969年；Sun等人，2004年；Dietze等人，2013年）。在黄土中，亚粗粒组分（20–63 μm）是东亚冬季季风（EAWM）强度的可靠指标（Lu和An，1998年；Wyrwoll等人，2016年）。在近海海洋环境中，强风通过海洋 currents增加高浓度矿物质的传输，使得敏感的粒径组分能够重建不同时间尺度上的EAWM变化（Tu等人，2017年）。在湖泊和海洋沉积物中，水动力占主导地位，GSDs被广泛用于推断沉积物来源（Wang等人，2015年；Chen等人，2021年）、水位变化（Xiao等人，2009年；Yi等人，2012年）和水文传输机制（Shu和Collins，2001年；Dietze等人，2013年）。然而，GSDs在泥炭中的应用相对有限。大多数现有研究将敏感的粒径组分与季风强度指数相关联（Yu等人，2006年；Zhang等人，2014年；Bai等人，2023年）。例如，Li等人（2017年）和Wang等人（2024年）将<37 μm组分确定为EAWM强度的敏感指标。相比之下，GSDs尚未在评估泥炭地内自生影响（特别是局部水文条件）的研究中得到充分利用。

本研究选择长白山的老里科泥炭地作为研究区域。基于GSDs和EMMA，我们分析了位于不同古地形条件下的两个泥炭芯（LLK17C和LLK-D-2019）的沉积演变历史。具体目标包括：（1）通过整合GSDs解释提取的端元（EMs）的环境意义；（2）重建LLK泥炭地的水文演变；（3）评估地形对洼地泥炭地水文动态的调节作用。

区域背景

老里科泥炭地（北纬42°28′48″，东经126°40′12″；海拔1475米）位于镇峰山顶（图1a和b），是在高山湖泊盆地中形成的贫瘠沼泽。泥炭地周围是混合的针叶林和阔叶落叶林（Stebich等人，2015年）。泥炭地的现代植被表现出明显的空间异质性。主要木本物种包括Abies fabri、Picea asperata、Ledum palustre和Andromeda polifolia，而草本植被

野外调查和采样

共建立了54个测量点以测定泥炭地内的泥炭厚度（Dong等人，2021年）。使用搭载在无人机上的LiDAR获取高分辨率地形数据，生成了LLK泥炭地的数字高程模型（DEM）。利用ArcMap中的克里金插值法重建了代表古地形的基底地形。基于现代地形、泥炭厚度和水文沉积环境，提取了两个泥炭芯

年龄-深度模型和泥炭积累率

详细的时间序列数据已在先前的研究中呈现（Dong等人，2021年）。年龄-深度模型显示两个泥炭芯具有不同的基底年龄和沉积历史，其中LLK17C始于11600年前，平均时间分辨率为23年（图2a），而LLK-D-2019开始沉积的时间较晚，为10500年前，分辨率更细，为14年（图2b）。沉积速率（SR）分析表明，LLK-D-2019保持了更高的平均积累率

端元（EMs）所指示的环境意义

EMMA通过数学方法将多模态沉积物组成分解为环境诊断性的单峰子群体。每个EM代表由特定传输过程、来源特征或沉积环境定义的遗传上不同的沉积组分（Weltje和Prins，2007年；Dietze等人，2013年；Yu等人，2016年）。模态大小和分布特征与区域气候记录相结合，可以重建沉积环境（Tanner，

结论

本研究分析了来自老里科泥炭地的两个泥炭芯，分别采集于中坡（LLK17C）和沉积中心（LLK-D-2019），并通过GSD分析和端元建模结合α-纤维素碳同位素记录重建了水文演变。结果表明，在不同的古地形条件下，水文条件表现出明显的空间异质性。在11000至4200年前，泥炭地的水文状况主要由

CRediT作者贡献声明

李静：撰写——初稿，调查，正式分析，概念化。董彦民：监督，资源，项目管理，方法论，资金获取。李宏凯：调查，正式分析。徐志伟：资源，资金获取。王胜中：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42501117、32571854、32241033）、国家重点研发计划（2023YFF0806900）和中央高校基本科研业务费（2412023QD024）的共同支持。