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【编辑推荐】本研究通过分析欧洲与加拿大北极地区12个地点91个泥炭岩芯，首次揭示了近期气候变暖下北极泥炭地普遍发生快速侧向扩张的现象。研究发现，自公元1950年以来，部分扩张速率超过1米/年，且三分之二的研究点在约1990年后仍有新泥炭形成。这表明北极泥炭地的扩张是泛北极尺度的现象，其动态变化（包括侧向扩张（Lateral Expansion）、泥炭核融合（Coalescence of Peat Nuclei）与同步扩张（Simultaneous Expansion）等模式）受气候变暖、地形、水文及冻土（Permafrost）状态等多重因素控制，对未来北极陆地碳储存及碳循环具有深远影响。
研究背景与意义
北极泥炭地储存着约185±66 Gt C的巨大但脆弱的陆地碳库，覆盖面积约170万平方公里。泥炭的积累发生在植物凋落物产量持续超过分解速率的环境中，北极寒冷气候及广泛分布的永久冻土使得植物凋落物得以在数千年间缓慢积累为泥炭。自1979年以来，北极气温的上升速率几乎是全球平均水平的四倍，导致了包括永久冻土泥炭地融化（Permafrost peatland thaw）和植物生产力增强在内的广泛环境变化。气候变暖可能通过增加植物生长和水分可用性，产生新的泥炭形成点或增强现有泥炭的积累。然而，北极泥炭地未来的轨迹高度不确定，因为温度上升会引发复杂的生态水文响应，例如活动层（Active Layer）加深、加速好氧分解和CO2排放，以及导致广泛地表塌陷和淹没、增加CH4释放的永久冻土融化。这些因素可能在某些地区促进地表干燥和泥炭地萎缩，而在其他地区则可能导致淹没和扩张，凸显了气候变暖与北极泥炭地动态之间复杂的反馈关系。目前，北极永久冻土区表现为一个微弱但似乎正在增加的CO2>汇，湿地是次要的CH4源。北极泥炭地空间覆盖范围的潜在增加可能代表泥炭地生物群系向北推移，并增加高纬度碳封存（C sequestration）。然而，由于缺乏长期古生态数据，纬度极端地区近期泥炭地扩张的动态仍然缺乏约束。
材料与方法
本研究通过在北极12个代表性地点（图1）采集泥炭岩芯，调查泥炭地扩张证据。研究聚焦于四个区域，覆盖两条南北向样带：一条在欧洲（斯瓦尔巴群岛、拉普兰），另一条在加拿大（拜洛特岛、萨卢伊特）。更北的区域（拜洛特岛、斯瓦尔巴群岛）位于连续永久冻土带内，而更南的拉普兰地区已知在零星和不连续永久冻土带内有广泛的泥炭地覆盖。萨卢伊特代表了加拿大南北样带的南部，尽管处于连续永久冻土带，但年温度范围比拜洛特岛更温暖（表1）。通过这两条纬度样带，可以测试不同气候条件和纬度梯度对泥炭地侧向扩展速率的影响。研究使用消费级无人机获取高空间分辨率航空摄影，以了解泥炭地表面的生态系统特性，并生成精细空间分辨率（每像素2厘米）的表面地形异常产品（图2）。从每个泥炭地总共采集了91个整段岩芯，布设了14条从中心到边缘和3条从边缘到中心再到边缘的样带（图2），以记录侧向扩张速率。使用轻质取样盒尽可能深地插入泥炭地，直到触及基底沉积物或永久冻土层，采集未冻结活动层泥炭样本。对于一些更深的永久冻土泥炭，则使用冻土取芯器采集。对所有91个整段岩芯以1厘米分辨率进行子采样，分析容重、含水量和C/N，以确定每个岩芯的总泥炭深度。使用碳含量（≥25%）和干容重（≤0.25 g cm-3）的阈值定义泥炭深度。结合14C和210Pb测年技术构建每个岩芯的年龄-深度模型。使用rPlum包对78/91个岩芯拟合贝叶斯年龄深度模型，对于泥炭深度≤6厘米的岩芯，使用OxCal计算中位年龄和95%置信区间。通过将每个岩芯之间的距离除以其校准后的基底年龄差来计算侧向扩张速率。
结果
泥炭地扩张证据
在所有四个研究区域，泥炭地自约公元1950年以来面积都有所扩大，这一时期正值北极广泛变暖时期（图3a,b）。这种扩张仍在持续，三分之二（8/12）的泥炭地研究点在约公元1990年后有新的泥炭形成证据。在大多数样带（12/17或71%）中，最年轻的基底泥炭年龄记录在泥炭地边缘，表明这些地点近期发生了侧向扩张。其中七个样带（安吉拉天堂、鲑鱼河、拜洛特岛庞德因莱特、斯瓦尔巴群岛科尔斯达伦样带1、萨卢伊特伊卡鲁图特山谷、萨卢伊特基苏贾卢克低地、萨卢伊特泥炭奇拉拉里亚克、拉普兰苏奥斯亚夫里样带2）完全包含公元1800年后发育的年轻泥炭。对于伊卡鲁图特山谷、科尔斯达伦样带1和苏奥斯亚夫里样带2，泥炭地的发育和扩张尤为近期，所有研究样带上的泥炭都在公元1900年后发育，其中60%的泥炭整段岩芯在公元2000年后才开始形成。这些非常年轻的泥炭剖面通常表现出较低的干容重值，因为它们以腐殖化程度低的泥炭藓（Sphagnum）泥炭为主，压实度低，近期垂直堆积的表观速率高。
相反，在剩下的五个样带（拜洛特岛庞德因莱特东、斯瓦尔巴群岛布洛姆斯特兰德样带1、拉普兰卡莱博滕样带1、卡莱博滕样带2和苏奥斯亚夫里样带1）中，来自泥炭地边缘的泥炭整段岩芯基底年代比其他位置更老，其中三例边缘泥炭是整个样带最古老的年代。布洛姆斯特兰德和卡莱博滕的泥炭地似乎比上述年轻泥炭地发育得早得多，由压实度更高的泥炭组成，平均干容重分别为0.24 g cm-3和0.14 g cm-3。此外，有几个地点显示了泥炭地扩张的非线性模式。
扩张速率与区域变异性
侧向扩张速率因地区而异，从斯瓦尔巴群岛布洛姆斯特兰德的0.3 cm yr.-1到拉普兰苏奥斯亚夫里的最大值1300 cm yr.-1。研究中记录的最高侧向扩张速率都发生在公元1800年后形成的年轻泥炭之间，尤其是在低北极地区（拉普兰和萨卢伊特；图5b）。公元1800年前形成的泥炭扩张更慢，不超过3.5 cm yr.-1。高北极研究地点表现出相对较低的侧向泥炭扩张区域平均速率（斯瓦尔巴群岛：均值=14.5 cm yr.-1，σ=22.6；庞德因莱特-拜洛特：均值=10 cm yr.-1，σ=14.5）低于低北极地点（拉普兰：均值=173 cm yr.-1，σ=384.9；萨卢伊特：均值=145 cm yr.-1，σ=214.9；图5a）。然而，这一更高的平均值因苏奥斯亚夫里（拉普兰，均值=469 cm yr.-1）、伊卡鲁图特山谷（萨卢伊特，均值=436 cm yr.-1）和凯沃（拉普兰，均值=41 cm yr.-1）的极高速率而产生偏差。其余低北极地点的侧向扩张速率（均值=14.9 cm yr.-1）与高北极平均值相当，突显了研究中泥炭地扩张速率的显著区域内变异性。侧向扩张值范围最广的是拉普兰，从卡莱博滕的0.44 cm yr.-1到苏奥斯亚夫里的1300 cm yr.-1，而斯瓦尔巴群岛的泥炭地表现出更强的区域一致性，范围从布洛姆斯特兰德的3.2 cm yr.-1到科尔斯达伦的22 cm yr.-1。
讨论
主要发现
本研究首次在区域尺度上、跨纬度和气候梯度，约束了北极泥炭地侧向扩张动态的长期证据。研究强调，在泛北极的四个区域，泥炭地自约公元1950年以来显示出近期扩张，这与北极广泛变暖时期相对应。研究中75%（9/12）的泥炭地地点显示出在过去50年（其中8个在过去30年内）有新泥炭地形成的证据。大多数样带（12/17或71%）在泥炭地边缘表现出最年轻的基底泥炭年龄，其中七个包含自公元1800年以来形成的近期泥炭。
这些结果是通过基于样带的泥炭整段岩芯取样来确定的。这项技术最近也在芬兰泥炭地得到应用，但本研究是首次在泛北极不同区域大规模应用，允许在单个区域内和不同北极区域之间进行比较。研究分析了晚全新世北极泥炭地扩张速率和动态的时空变异性。此外，方法结合了古生态学方法和遥感调查，使得长期泥炭地动态能够与对泥炭地表层模式和过程的当代观测联系起来。
变暖气候下北极泥炭地的侧向扩张
研究结果表明，研究中的12个北极泥炭地目前覆盖的空间面积比过去200-300年（可能更早）任何时期都大，并且正在整个样带长度上积极积累新泥炭和碳。关于北极泥炭地侧向扩张在泛北极尺度上持续的发现，与先前在北极和亚北极地区特定地点泥炭积累增加的证据一致，尽管这些新出现的浅层泥炭的分解可能不完全。然而，泛北极分析也揭示了小冰期（Little Ice Age， LIA）以来侧向扩张速率的显著变异性，可能与区域气候控制和局地过程有关。通过综合泛北极范围的结果，研究者提出了北极系统内泥炭地扩张的三种可能模式。
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侧向扩张：这是最简单的模式，描述泥炭边缘随时间的逐渐向外蔓延，在亚北极和北方泥炭地的较长时间尺度上已被广泛观察到。在本研究中，在几个研究地点发现了近似线性的侧向扩张模式证据，其中边缘泥炭的年龄比更中心、更深处的泥炭年轻得多。
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泥炭核融合：其次，侧向扩张也可能发生在先前在景观中不同位置（如地形洼地或低中心冰楔多边形内）发育的小泥炭核融合过程中，这些泥炭核最终积累足够的泥炭，合并成一个成熟的北极泥炭地。这仍然导致泥炭在景观上的侧向扩张，但扩张是非线性的，特别是在存在向外扩张的地形障碍时。这种扩张模式的证据包括泥炭边缘的基底泥炭年龄比样带上更中心点的年龄更老的例子。
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同步扩张：最后，研究发现景观中相隔数十米的区域几乎同时形成泥炭的证据。这一过程似乎发生在通过快速气候转变或冰盖广泛退缩而迅速变得适合泥炭萌生的北极地区，并且没有泥炭形成的地形障碍。这意味着泥炭可以在变暖的景观中大面积同时形成，而不是从单一原点向外扩张。
泛北极泥炭地侧向扩张速率的时空变异性
上述概述的北极泥炭地扩张的可变模式导致了广泛的扩张速率范围。当使用泥炭地扩张从泥炭地中心单向向边缘发生的假设计算这些值时，尤其如此。事实上，通常很难确定北极泥炭地的中心实际位于何处，因为这些地点是完整和退化永久冻土地貌、热喀斯特池、沼泽和酸沼的异质复合体。从泥炭地边缘采集的整段岩芯样带分析为分析边缘扩张速率提供了有用的方法，但北极泥炭地的复杂性导致严格线性梯度（即向泥炭边缘越来越浅、越来越年轻的泥炭）的例子相对较少。然而，无论采用何种方法计算泥炭地扩张，研究结果总体支持北极泥炭地在近几十年扩张的假设，这与这些地区变暖加剧的时期相一致。
当仅考虑那些提供更典型、线性侧向扩张模式证据的北极泥炭地时，由于气候、局地地形和站点特异性控制（包括冻土动态和景观水文）引入的显著变异性，区域之间的侧向扩张速率没有发现明显趋势。例如，萨卢伊特边缘泥炭的基底年龄比拉普兰地点的边缘泥炭年轻得多。来自加拿大北极泥炭地的整段岩芯尤其显示出年轻的泥炭起始年龄和近期（公元1950年后）腐殖化程度低的泥炭藓泥炭扩张。这可能表明对气候变暖的阈值响应，特别是本研究中加拿大泥炭地比拉普兰和斯瓦尔巴群岛的泥炭地更寒冷。晚20世纪气温上升速率在斯瓦尔巴群岛和加拿大群岛部分地区更高，由北极放大反馈驱动。因此，加拿大群岛研究地点的寒冷基线气候可能意味着，夏季温度阈值（植物生产力足以支持泥炭重新积累）在这些泥炭地被超越的时间可能晚于其他地区，如拉普兰。
气候观测表明，北极地区温度的升高与降水并不直接相关，因此泥炭地扩张的温度依赖性控制应与水分可用性同时考虑。后者对于植物生长以及变暖气候下植物凋落物的限制性分解和泥炭形成至关重要。温度升高可以增加对流驱动的降水，但也增加蒸散，引起从降雪到降雨的转变，并改变季节性融雪的时间和强度，对北极环境的地景水文具有重要意义。文献证据强调，水分/水文是所有泥炭地扩张模式的限制因素，尤其是本研究中确定的非线性和扩张模式。研究者认为，水文可能是加拿大地点庞德因莱特东、鲑鱼河和泥炭奇拉拉里亚克的主要控制因素，这些是溪流相关沼泽，后者似乎是一个自小冰期以来形成的新泥炭地。这些新出现的泥炭地在地表水分增强的区域形成，即使在寒冷气候下也能驱动植物生长，只有在边缘变得更湿润时，向泥炭地边缘裸露矿质土壤的侧向扩张才会发生。泥炭奇拉拉里亚克的样带横跨整个泥炭地半径，显示出浅泥炭深度、小的面积足迹和清晰的线性侧向扩张模式。这可能表明北极泥炭地存在正反馈，即扩张受水分限制，而北极泥炭的低水力传导性进一步抑制地表排水，从而增加北极景观的水涝，使得适合额外泥炭形成的区域能够逐步增加。这种生态水文反馈也可以解释为什么浅层泥炭在萨卢伊特的伊卡鲁图特山谷的多孔沙质基底上形成。该地点泥炭形成对局地尺度水文控制的重视得到了吉肖河对岸发现的年龄大得多的泥炭的进一步强调。这进一步证明，气候变暖并非单独促成某些北极泥炭地近期扩张的原因。因此，在分析大规模数据集中的时空模式时，必须考虑站点特异性因素。
新出现泥炭地扩张速率的一个重要次要控制因素是地形。在所有斯瓦尔巴群岛地点都明显存在扩张的地形障碍。在整个高北极地区，冰川和冰盖的存在阻碍了全新世大部分时间的泥炭萌生。相比之下，研究中显示最高侧向扩张速率的泥炭地，苏奥斯亚夫里和伊卡鲁图特山谷，都扩张到了开阔、平缓的基底上。这表明，在没有地形障碍的情况下，只要生物气候条件变得适宜，新的泥炭区域可以在北极景观的大面积区域内同时形成。这种泥炭地扩张模式有可能在几十年内迅速改变北极的大片区域。现在需要进行进一步的空间建模，以识别有可能以这种方式快速积累新泥炭的区域，即变暖和湿润北极地区低洼、平缓、排水不良的环境。
最后，永久冻土以及冰透镜或冰楔的存在给侧向扩张过程带来了进一步的复杂性，特别是对于那些有退化冰核丘和高中低中心多边形的地点。永久冻土增生可以使泥炭隆起，形成表面干燥的隆起地貌，并形成阻碍垂直和/或水平排水的水文屏障。广泛的、不透水的永冻层顶板的存在可能为萨卢伊特伊卡鲁图特山谷在多孔沙质基底上最近的泥炭萌生提供了一个合理的机制。随后的永久冻土融化可驱动地表沉降和塌陷、地表淹没，并增加景观的水文连通性。此外，与退化永久冻土泥炭地的地表塌陷和淹没相关的生态演替可以增加非永久冻土沼泽和酸沼中的垂直泥炭积累速率。在不连续永久冻土地区，永久冻土现在仅限于泥炭地区域，因为有机土壤的低容重和低热导率使其能够隔离上升的气温。永久冻土融化也可能是未来泥炭地萌生、扩张和稳定性的日益重要的驱动因素。
对泛北极泥炭地辐射强迫的影响
研究发现北极泥炭地在大的空间梯度上近期面积扩张，这对理解泛北极湿地的辐射强迫潜力及其碳封存能力具有重要的伴随影响。分析表明，北极泥炭地正在扩张，即使并非总是侧向扩张，并且泥炭现在积累在这些北极环境中比晚全新世任何时期都更大的区域。北极泥炭地空间范围的增加表明，未来几十年北半球高纬度地区有潜力成为生产力更高的碳汇，这可能部分抵消热带和温带地区预期气候引起的泥炭地退化造成的部分损失。此外，泥炭地温室气体排放的方向、大小和形态与局地生态水文密切相关，先前的研究观察到淹没的非永久冻土沼泽比酸沼和完整的永久冻土地貌的甲烷排放量高得多。考虑到研究地点边缘区域的浅层泥炭是最近才形成的，这些新出现的泥炭地区域许多可能是矿养的。这些岩芯中泥炭的高积累速率表明，研究的泥炭边缘是高生产力区域，泥炭表面现在正迅速抬升到地下水源影响之上。然而，先前对芬兰拉普兰亚北极沼泽隆波洛沃马侧向扩张的研究发现，由于更广泛流域的水文条件，边缘泥炭可以持续几个世纪作为沼泽存在，这可能导致净气候变暖效应。隆波洛沃马的一些边缘区域最近经历了沼泽-酸沼转变，这可能会长期增加其碳汇能力，从而导致净气候变冷效应。然而，这个例子强调，在对观察到的北极泥炭地扩张的潜在辐射强迫效应得出简单结论时需要谨慎，特别是考虑到结果中明显的显著时空变异性和非线性模式。为了更明确地阐明这些扩张泥炭地边缘的辐射强迫，需要进一步研究来量化当代温室气体通量，并重建这些新兴生态系统的近期古生态学和古水文学。
观察到的北极泥炭地快速扩张在未来几十年可能不会无限期持续，特别是如果适合泥炭形成的气候转移到地形不太有利的区域，例如目前冰川覆盖的埃尔斯米尔岛和格陵兰岛的山区。气候变暖已导致这些地区的冰川迅速近期退缩。斯瓦尔巴群岛和拜洛特岛的研究地点表明，在一些近期冰川消融的北极环境中，泥炭地扩张已经在进行。然而，一旦冰川和积雪消失，永久冻土融化，北极泥炭地的持续将依赖于降水输入。观察到的北极气温自1979年以来上升速度几乎是全球平均水平的四倍，这一趋势预计将在21世纪持续，并推动降水增加和从雪向雨的转变。降水和融雪时间与持续时间的预测不如温度衍生变量确定，但两者对北极泥炭地发育都至关重要。研究结果表明，这种气候变化可能会使北极地区成为泥炭地萌生和扩张的有利环境，前提是有合适的低洼、平缓、排水不良的地形可供生态定殖。从长远来看，在变暖气候下泥炭地向极地扩张也将受到陆地最北端的纬度限制。
先前的大尺度模型预测，在强未来变暖情景下，泛北极湿地范围和碳汇能力将缩小，原因是温度驱动的蒸散和呼吸增加。然而，这种建模受到高纬度泥炭地范围测绘不足的限制，并且研究中概述的驱动近期北极泥炭地扩张的动态过程范围在大尺度陆面模型中代表性不足。这进一步强调了对基于实地经验数据的持续收集的迫切需要，以支持基于卫星和模型的方法来理解生态系统对气候变化的响应。在试图调和如此大规模生态系统转变的辐射强迫潜力时，新泥炭积累的时间尺度也很重要。此外，目前尚不清楚类似模式和速率的泥炭地扩张是否正在研究中未包括的高纬度地区进行，包括西伯利亚、阿拉斯加北部以及南极洲。近期发表的研究在北极阿拉斯加布鲁克斯山脉北麓发现了类似的新兴泥炭斑块融合，而自公元1986年以来南极半岛出现了广泛、持续的绿化。这些发现与本研究（本身涵盖了广泛的纬度梯度）的一致性表明，观察到的泥炭地扩张模式可能反映了北极地区发生的更广泛变化。为了更好地约束北极未来泥炭地扩张的合理范围，现在需要进行进一步的生物气候建模，明确纳入本研究中确定的泥炭扩张过程。
确定侧向扩张的时间和速率仅揭示了北极泥炭地碳积累历史的一部分，因为垂直泥炭积累可以非线性发生。事实上，在整个研究地点和样带中，年龄-深度模型表明近几十年来表观泥炭积累速率更高，许多最高速率记录在约公元2000年之后，这可能表明对近期变暖的气候诱导生产力响应。然而，由于从泥炭岩芯调和持续垂直泥炭积累净速率存在挑战，本研究未进一步解释垂直速率。为了更自信地量化过去的垂直泥炭积累速率，可以使用基于过程的模型重建岩芯剖面，该模型考虑了随时间变化的分解变化。虽然超出了本研究范围，但将可靠解析的垂直泥炭积累历史、关于近期绿化和湿度变化的遥感数据以及本研究中提供的长期侧向扩张数据整合起来，可以为变暖和变化气候中北极泥炭地的碳汇潜力和辐射强迫潜力提供有价值的新见解。
结论
研究提供了新的观测证据，表明北极泥炭地在多个区域近几十年来空间范围有所扩大，且通常速度很快。在大陆尺度上，这种泥炭地扩张似乎与温度升高有关，因为所有地点的主要侧向扩张时期发生在人为气候变暖的后工业化时期。因此，预计这种扩张正在整个北极发生。然而，对横跨欧洲和加拿大从低北极到高北极纬度梯度的12个北极泥炭地的分析表明，侧向扩张的时间、速率和模式存在显著的时空变异性。这种变异性表明了对泥炭地范围的其他非气候限制，包括局地地形、水文和永久冻土地貌的存在。虽然少数北极泥炭地从泥炭地中心向边缘线性扩张，但其他似乎是通过大空间区域内同时泥炭萌生形成的，而另一些则是作为景观中分散的泥炭斑块形成并最终融合。研究提供了北极泥炭地近期扩张的新证据，现在需要将其明确纳入基于过程的模型，以更好地理解新泥炭地区域的创建和泥炭地扩张是否会在未来气候变暖下持续。
