气候变化对南极海洋性气候区土壤发生与演变的影响

气候变化对南极海洋性气候区土壤发生与演变的影响 第 24 卷 第 2 期 第 四 纪 研 究 Vol . 24 , N o . 2 2 0 0 4 年 3 月 Ma rc h , 2 0 0 4 QUATERNARY S CI ENC ES () 1001 - 7410 200402 - 167 - 08 文章编号 3 气候变化对南极海洋性气候区土壤发生 与演变的影响 陈 杰 龚子同 ( )中国科学院南京土壤研究所 ,南京 210008 南极海洋性气候区明显的气候变化已经对独特但脆弱的陆地生态系统构成严重影响 。作为陆地生态系 摘要 统中关键的环境要素之一 ,土壤的发生 、发育与演化过程对气候变化同样敏感 ,其响应结果通过气候变化对成土因 素的影响间接表现出来 。首先 ,南极海洋性气候区日益加速的气候变暖现象导致冰川消退 、地表积雪融化 ,为土壤 形成与分布提供了母质与空间基础 ;同时 ,气候变暖导致自由水活动在时间和空间上的加强促进了以自由水为基 础的土壤过程和冰缘地貌过程 ,对南极海洋性气候区土壤发生 、发育产生深刻影响 。低等植物对气温升高的响应 主要表现为物种数量增加 、生境拓展 、群落结构演变 、初级生产力与生物量提高 ,从而对土壤有机质积累过程以及 土壤有机质结构与性状产生重要影响 。气候变化与地壳运动等环境因素的变化对海洋脊椎动物的活动影响巨大 , 而动物活动直接影响海洋性有机质进入土壤与陆地生态系统的途径与数量 ; 同时 ,动物栖息地的变迁与海岸及附 近地区土壤景观演变密切相关 。为了准确判断和预测一段时期内气候变化对南极海洋性气候区域土壤形成与演 化影响的规模 、程度与速率 ,对各种成土因素在气候变化背景下响应与反馈机制 、以及与土壤过程之间相互作用机 理方面的研究工作亟需开展 。 土壤 陆地生态系统 气候变化 南极 主词 中图分类号S151. 3 文献标识码 A 脆弱的生态系统 ,一旦遭到人为破坏 ,便极难甚至无 1 引言 4 ,6 法自行恢复。土壤作为决定性的非生物要素 , 南极所处的特殊地理位置及其特有的生态环境 在南极生态系统的形成 、演化以及元素生物地球化 突出了南极在全球变化研究中的作用与地位 ,包括 学循环过程中发挥极为重要的关键作用 。与地球上 南极大陆 、亚南极岛屿和环绕南极大陆的南大洋 ,逐 其他绝大部分地区相比 ,南极地区土被结构发育的 ( ) 渐成为全球大气研究 GARP、世界气候研究计 幼年性和发展演化的强烈不稳定性是南极土壤最突 () ( ) 划 WCRP及国际岩石圈 - 生物圈计划 IGBP研究 出特点 。 全球变化的关键地区 。由于有关南极地区的一些科 与南极其他地区不同 ,南极海洋性气候区独特 学问题具有全球性意义 ,因此南极环境变化的意义 的地理位置和相对温暖 、湿润的气候条件决定了本 已经远远超出保护南极自身 ,而与我们所居住的这 区土壤在一年内至少有一段时间 、甚至整个夏季有 1 ,2 个星球休戚相关。 自由水活动 。自由水在南极海洋性气候区土壤的发 7 生 、发育过程中具有决定性的重要意义。另一方 南极地区拥有世界最后一个天然的 、未曾接受 人为改造的陆地生态系统 。与曾在近代遭受严重破 面 ,相对温暖适宜的气候条件使南极海洋性气候区 (坏的南极海洋生态系统相比 ,南极陆地生态系统 包 成为南极生物物种最为丰富 、生物活动最为强烈的 ) 括内陆水生生态系统遭受人为干扰与破坏的程度 地区 ,相对强烈的土壤有机质积累作用是南极海洋 1 ,3 与强度要相对轻微许 多。然 而 , 必 须 认 识 到 的 性气候区在土壤形成过程中明显区别于南极大陆尤 8 是 ,南极陆地生态系统是地球上最为简单 ,也是最为 其是南极内陆地区的另一个突出特点。受上述因 3 第一作者简介 :陈 杰 男 36 岁 研究员 土壤资源与土壤现代地表过程研究专业 E2mail :jchen @issas. ac . cn ( ) 国家自然科学基金项目 批准号 :40001011资助 2003 - 11 - 24 收稿 ,2003 - 12 - 16 收修改稿 9 ,10 ,南极海洋性气候区是南极土壤类型最多 、发 素影响 1999 年间气温上升了 1 . 5 ?。同时 ,监测数据显育过程最强烈 、土被空间结构最复杂的地区 。 与其示 ,这一地区年内气温变化的振幅正在缩小 ,即冬季 11 他要素一样 ,南极地区土壤对环境变化具 最低气温升高 ,而夏季最高气温下降。 有高度的敏感性 。随着全球变化效应的日益明显和 气候变化对土壤形成与演变的直接影响相当微人类活动强度的不断加大 ,南极海洋性气候区内土 弱 。但气候变化导致地表裸露状况 、自由水分条件 、 壤发生 、发育正遭受相当深刻的影响 ,成土过程 、土 生物活动强度 、多年冻土层与活动层动态发生改变 , 壤性状 、发生类型 、分布模式和演变趋势正以一种可 从而对土壤发生 、发育产生深刻影响 。以察觉的速度发生变化 。 2. 1 冰川消退 2 气候变化对土壤发生 、发育的影响 过去几十年内气温不断升高导致南极海洋性气 候区内大部分冰川经历了明显的消退过程 。野外调 据估计 ,在全球变化过程中南极许多地区气候 10 ,12 查数据结合高分辨率卫星影像判读结果显示, 变暖速率是全球平均水平的 2,3 倍 ,而南极海洋性 ( ) 分布于南设得兰群岛乔治王岛 King George Island气候区是南极气候变暖速度最快的地区之一 。从 () ( ) 海军上将 Admiralty Bay和波特湾地区 Potter Cove1947 年开始 ,南极海洋性气候区的主要组成部分南 的 21 条不同类型的冰川 ,在 1956,1995 年的 40 年 间均发生了强度不等的消退作用 ,冰川面积缩小幅 () 极半岛 Antarctic Peninsula地区的气温每 10 年平均 度从 0 . 3 %至 36 % ,并呈现时间序列上的加速趋势 升高 0 . 5 ?,这是迄今为止全球范围内所观测到的 ) 1最快气候变暖记录。位于南极半岛北端附近海域 10 ,12( ) ( ) 表 1。 的南 设 得 兰 群 岛 South Shetland Islands在 1944 , 3表 1 1956,1995 年 40 年间南极乔治王岛冰川消退状况与速率 Table 1 Ice front retreat rates of some glaciers on the King George Island , the maritime Antarctica in the period 1956,1995 2 冰川特性 冰川消退状况Πkm 总消融面积比 不同时间段消退幅度 年消退速率 面积 冰川名称 Π% 类型 21956,1979 年 1979,1995 年 1956,1979 年 1979,1995 年 Πkm () 阿加克斯冰布 Ajex Icefall巴拉入海冰川 6 . 0 - 0. 090. 17 - 0 . 0 038 0. 0 100 0. 3 () - 0 . 0 025 0. 0 088 2. 4 诺斯基冰川 Baranowski德拉冰内陆冰川 3 . 7 0. 15- 0. 06 () 0. 02 0. 04 0 . 0 008 0. 0 024 3. 0 布 Dera Icefall多布罗沃斯基内陆冰川 2 . 0 () 0. 56 0. 74 0 . 0 233 0. 0 435 9. 2 冰川 Dobrowoski医生冰布 入海冰川 13 . 2 () 0. 02 0. 11 0 . 0 008 0. 0 065 1. 5 Doctors Icefall多梅考冰川 入海冰川 8 . 7 () ()- 0. 431. 77 - 0 . 1 791 0. 1 041 3. 7 Domeyko龙冰川 Dragon 入海冰川 36 . 1 ( ) 0 . 0 017 0. 0 082 36. 0 0. 04 0. 14 生态冰川 Ecology内陆冰川 0 . 5 ( ) 翡翠冰布 Emerald Icefall但0. 08 0. 29 0 . 0 033 0. 0 171 5. 9 内陆冰川 6 . 3 ( ) 泽冰布 Gdansk Icefall哥特0. 14 0. 27 0 . 0 058 0. 0 159 2. 3 入海冰川 17 . 2 ( ) 尔冰川 Goetel喀啦喀冰川 0. 03 0. 03 0 . 0 013 0. 0 018 3. 0 内陆冰川 2 . 0 ( ) () Krak兰格冰川 Lange潘德0. 80 0. 23 0 . 0 333 0. 0 135 3. 8 入海冰川 7 . 3 ( )罗斯基冰川 Pandereski ( ) 罗塞斯岑斯基冰布 Rosciszewski1. 19 0. 66 0 . 0 496 0. 0 388 20. 9 入海冰川 7 . 0 ( ) 思腾豪斯冰川 Stenhouse维伊维1. 03 0. 70 0 . 0 429 0. 0 412 6. 0 入海冰川 31 . 7 () 尔冰川 Vieville旺达冰川 0 . 0 067 0. 0 059 28. 3 0. 16 0. 10 入海冰川 4 . 0 ( ) Wanda泽拉维斯基冰川 0. 06 - 0 . 0 042 0. 0 036 5. 8 - 0. 10内陆冰川 3 . 8 ( ) ( Zalewski极地俱乐部冰川 Polar 0. 64 0. 23 0 . 0 267 0. 0 135 1. 6 入海冰川 8 . 2 ) ( )Club弗卡德冰川 Fourcade 0. 11 1. 77 0 . 0 046 0. 1 041 9. 8 入海冰川 24 . 7 0 . 0 004 0. 0 118 15. 5 0. 01 0. 20 内陆冰川 2 . 0 2. 29 0. 04 0 . 0 954 0 . 00 235 0. 9 入海冰川 5 . 7 0 . 0 229 0. 1 706 10. 0 0. 55 2. 90 入海冰川 28 . 9 11 . 73 0. 71 0 . 4 888 0. 0 418 3. 9 3 入海冰川 18 . 0 表中加框负值表示冰川前进 阴影数值表示 1979,1995 年冰川年消退速率高于 1956,1979 年 () ) 1英国南极考察委员会 British Antarctic Survey ,简称 BAS资料 2 期 陈 杰等 :气候变化对南极海洋性气候区土壤发生与演变的影响 169 植被状况 、土壤盐分分布 、多年冻土层深度与范围 、 冰川消退以及地表常年性冰雪消融对土壤发生 、 () active layer厚度等方面产生影响 ,一定 土壤活动层 发育具有多方面的影响 。首先 ,消退与消融为土壤发 生拓展了空间 。南极地区大约 2 %的陆地面积区常 程度上改变土壤发育 、演化方向 ,重塑微观土壤景观 () () 图 1。年或季节性无冰雪覆盖 ice2free,主要分布在南极横 ( ) 贯山脉 transantarctic mountains、南极海岸以及南极 2. 2 冰缘地貌过程 半岛地区 。只有在这些无冰区 ,地表暴露在各种风 化营力之下 , 才可能有真正意义上的土壤发生 、发 南极海洋性气候区冰缘地貌过程主要包括寒冻 13 ,14 () (育。事实上 ,位于南极内陆以及南极横贯山脉 风化 作 用 frost weathering、冻 融 分 选 作 用 freeze2 ) 内侧的大部分无冰区寒冷 、干燥的气候特征成为土 thaw sorting以及雪蚀作用等 。冰缘地貌过程控制着 壤发生 、发育的限制性因素 。由于非自由态水分在 整个南极海洋性气候区无冰地表的发育与演化 ,对 风化作用和土壤过程中的作用相对极小 ,因此 ,南极 土壤发生 、发展具有极其重要的作用 。 冰缘地貌过 程的强弱与气候因素密切相关 。寒 大部分地区 ,尤其是南极内陆地区缺少自由水参与 的土壤发育过程相当微弱 。而南极海洋性气候区由 冻风化赖以发生的条件为一定数量的自由水存在和 于常年冰雪消融导致的无冰地表面积扩大 ,对区域 以零度为中心的温度波动 。南极海洋性气候区气温 土壤形成 、演化以及分布格局的影响显得格外重要 。 升高无疑会增加岩石和地表自由水数量 ,同时延长 其次 ,冰川消退为土壤形成 、发 育 提 供 物 质 基 自由水存在的时间 ,为更强的寒冻风化的发生 、发展 础 。在冰川消退过程中 ,冰川中不同来源的碎屑物 提供了物质基础 ;但同时气温变化振幅的收窄 ,却在 () 质形成不同的冰碛沉积 moraine deposition,其中冰上 一定程度上限制了寒冻风化的强度 。 ( ) 融出碛 supraglacial till碎屑物质绝大部分都经历了 南极海洋性气候区是南极土壤冻 - 融交替过 15 () () 相当强烈的前期风化作用 preweathering processes, 程 freeze2thaw processes最为强烈的地区 ,深刻影响 16 形成在这类沉积物上的土壤即使在发生 、发育的初始 着本区土壤的发生 、发育与演化进程。冻 - 融过 阶段就具有较为深厚的土层 。同时 ,冰川消退以及地 程的实质是土壤和风化壳中不同形态水分之间相互 表 常 年 性 冰 雪 消 融 通 过 影 响 局 部 自 由 水 转化的过程 ,土壤自由水是这一过程的产物 ,同时也 分状况 、地表物质与能量交换对土壤水分动态 、地表 () 是土壤冻扰作用 frost disturbance的物质基础 。气 候变化不仅影响土壤自由水含量 ,同时通过影响地 () 表状况 地表裸露状况 、积雪厚度等直接影响土壤 —大气热交换过程 ,进而导致土壤冻 - 融交替作用 ( 发生的 时 间 从 冻 结 转 入 消 融 以 及 从 消 融 转 入 冻 ) 结、土壤冻结期与消融期持续的时间长度 、冻 - 融 作用发生的深度与强度 ,以及土壤水分动态变化规 7 () 律均发生明显差异 图 2。 图 1 地表常年冰雪消融和冰川消退对土壤发生 、 图 2 微地形部位及地表状况对冻 - 融作用及土壤自由 水动态的影响示意图 发育影响示意图 Fig. 1 Possible influence of ice front retreat on genesis Fig. 2 Impact of micro2morphology on freeze2thaw cycle and soil moisture and development of soils () 地球上 37 %的多年冻土 permafrost分布在南极 ,冰川消长 , 到上新世晚期 。随着第四纪气候的波动 ( 地区 , 其 中 占 南 极 无 冰 区 总 面 积 4 . 6 % 约 2 500 海洋水体发生增减 ,导致了全球性海平面升降运动 。 2 ) km的多年冻土分布在南极半岛及其附近岛屿生态 据有关资料 ,南极大陆早在 3 500aB . P. 前的渐新世 17 - 气候带以及东南极海洋性生态 - 气候带。南 初期可能就有冰川形成 、发育 。末次冰期后 , 大约极海洋性气候区多年冻层多呈不连续分布 ,潜在含 10 000aB . P. 前后 ,气候转暖 ,陆地冰川大量消融 ,导 致海平面回升 ;同时 ,地壳由于冰体负荷减小而发生 水量 丰 富 。夏 季 消 融 期 多 年 冻 土 层 埋 深 一 般 在16 ,18 ,19 () 40,50cm 之间。随着这一地区年均气温的升 补偿抬升 或均衡抬升,形成各种类型不同 、海拔各20 () 高 ,一方面永冻界面 permafrost table总体呈现逐步 异的上升海滩和海蚀阶地。 21 下移的趋势 ;另一方面 ,由于年内气温振幅的收窄 , 研究表明,南极边缘区全新世地壳均衡抬升 () 土壤冻结期 freezing period缩短 ,而夏季土壤最大解 速率大约为 2 . 7mmΠa ,其中位于南极海洋性气候区 () 冻深度 thawing depth却相对变小 ,导致土壤活动层 的南极半岛及附近岛屿地壳均衡抬升的速度大于南 ( ( ) 厚度 变 薄 , 以 自 由 水 分 为 基 础 的 冻 胀 分 选 frost 极其他地区 。在南乔治亚岛 South Georgia Island分 ) () sorting、冰间离 ice segregation、以及翻浆和泥流现 布着两道上升海滩 、4 级海蚀基岩 平 台 , 其 中 海 拔 21 象更加集中于近地表土层 。 215m 的上升海滩形成时间不会超过 200aB . P. 。20 ,22 而在乔治王岛的测年结果显示,海军上将湾海2. 3 海平面变化与地壳均衡抬升 岸海拔 2m ,6m ,10m 和 14m 的 4 道上升海滩年代分 全球气候变化造成南极海平面在地质时期多次 别是 250aB . P. ,550aB . P. ,800aB . P. 和 1 000aB . P. 。 发生升降运动 ,分布于南极大陆沿岸和边缘岛屿上 全新世以来南极海洋性气候区相对强烈的海岸 地貌的各种上升海岸地貌和位于海平面以下的海蚀平台 活动对本区土壤发生 、发育产生重要影响 。首 先 ,有力地了这一点 。海洋性气候区内南极半岛和 地壳均衡抬升造成在海岸阶地风化基岩残积物 20 亚南极群岛的上升海滩和浪蚀平台研究表明,这 和各种冰碛 、沉积物上形成的土壤层遭受侵蚀 ,甚至 些地区最古老的上升海岸现象开始的时间可以追朔 导致土壤发育全面中断 ;另一方面 ,上升海滩为新的 表 2 南极海洋性气候区乔治王岛不同上升海岸地貌类型上发育的典型土壤 Table 2 Typical soils developed on different geomorphological units of raised coastal area in the King George Island , the maritime Antarctica 上升海岸类型 代表性土壤 主要成土母质 ()现代上升海滩 砂质海积物 冲积土 fluvisols ( )盐积冲积土 salic fluvisols ()潜育冲积土 gleyic fluvisols ()冲积土 fluvisols较老上升海滩 砂质海积物冰碛物 ()饱和盐积冲积土 eutri2salic fluvisols ( )不饱和寒冻冲积土 dystri2gelic fluvisols ( )粗骨土 regosols较新海蚀阶地 风化基岩残积物粗颗粒坡积物 ()寒冻粗骨土 gelic regosols 企鹅栖息地 () () 薄层土 leptosols寒冻薄层土 gelic leptosols钙 () 积半风化薄层土 calcari2regic leptosols鸟()成寒冻薄层土 orthithioni2gelic leptosols () 雏形土 cambisols暗沃寒冻雏形土 () molli2gelic cambisols饱和寒冻雏形土 ()eutri2gelic cambisols 较老海蚀阶地 风化基岩残积物各类冲积 、坡积物 冰碛物 遗弃企鹅( ) 不饱和寒冻雏形土 dystri2gelic cambisols栖息地 ()冷冻土 cryosols( ) 简育扰动冷冻土 hapli2turbic cryosols暗 ( ) 瘠扰动冷冻土 umbri2turbic cryosols潜育() 扰动冷冻土 gleyi2turbic cryosols钙积半()风化冷冻土 calcari2regic cryosols ( )暗瘠土 umbrisols( )粗骨寒冻暗瘠土 skeleti2gelic umbrisols 2 期 陈 杰等 :气候变化对南极海洋性气候区土壤发生与演变的影响 171 ( ) 土壤类型发生 、发育提供了空间和母质基础 表 2。 的分布范围逐步南扩 ;同时 ,原本封冻于常年冰雪中 () 南极乔治王岛的土壤调查显示 ,在多级海蚀阶地上 的远程捕获的植物种子 long2trapped seeds随消融作 土壤已在新的母质基础上形成 ,其发育年龄 、剖面构 用释放 ,造成新的高等植物种类在南极地区出现 。 成 、物质组成 、发生学性状 、生物学特性等随阶地年 众所周知 ,南极地区的土壤在一般意义上可粗 ( 代不同而存在明显区别 。在第 4 、5 级海蚀阶地上 , 略 地 划 分 为 两 大 类 型 : 植 被 土 壤 soils with ) ( 多分布发育程度较高 、发生学特性较明显的各种雏 macroscopic plant life 和 无 植 被 土 壤 soils without () ) 形土 cambisols和土层较为深厚 、冻融特征较显著 macroscopic plant life。后者习惯上被称为无机土壤 ( ) () 的冷冻土 cryosols,以及发育在遗弃海鸟栖息地上 ahumic soils, 即 不 含 有 机 质 的 土 壤 , 在 这 类 土 壤 ( ) ( ) 的 、有 明 显 残 留 有 机 积 聚 层 的 暗 瘠 土 umbrisols。 中 ,除个别含无烟煤层 anthracite coal的剖面外 ,全 分布在较新阶地上多为发育在基岩风化物 、机械组 C 和全 N 含量只有 0 . 02 %,0 . 04 %和 0 . 002 %,0 .24 004 %之间。随着气温升高 , 地表植被 面 积 的 扩 成 以 粗 粒 物 质 为 主 的 坡 积 物 母 质 上 的 粗 骨 土 () () regosols及薄层土 leptosols。另外 ,发育在企鹅栖 大不可避免导致无植被土壤向植被土壤的演化 。地 () 息地上的鸟成土 ornithosols 或 ornithogenic soils也主 表生物活动的加强和有机质积累过程的开始将逐渐 要部分于年代较轻的海蚀阶地上 。在各级海岸阶地 改变无机土壤的发育与演变方向 ,最终从宏观上改 变无机土壤与植被土壤的分布模式和区域内土被的 上 ,某些微地形部位上可发现海岸均衡抬升前形成 并发育的残余土壤或残余土壤层 。上升海滩一般分 空间结构 。同时 ,原来的植被土壤由于地表植被盖 布发育于砂质海积母质的各类冲积土 ,较老海滩的 度增大 、生物量增加 ,土壤有机质积累过程进一步加 成土母质除海相沉积的砂质物质外 ,某些区域的成 强 ,导致土壤有机质含量增加 。另外 ,气候变化必然 ( ) 土母质还包括入海冰川 tidewater glacier消退形成 导致低等植物演替和植被群落结构变化 ,从而对进 的冰碛沉积 。不同年代上升海滩上发育的土壤其盐 入土壤的有机凋落物的类型 、性状以及在土壤内部 的分解与矿化过程产生影响 。作为重要的成土过程 分含量及其在剖面中的分布有明显区别 ,地表植被 ( 状况不同也导致的土壤有机质含量存在差异 见表 之一 ,植被生物活动动态变化以上述 3 种方式影响 ) 1 ,219 ,23 ) 2。 南极海洋性气候区内土壤的发生 、发育与演变 。 海洋脊椎动物在南极海洋性气候区土壤有机物2. 4 气候变暖与生物适应 ( ) 积累过程中发挥重要作用 。海鸟以粪便 dropping、 () 食物残留 food remains、凋落羽毛以及鸟尸等形式 南极海洋性气候区为南极生物物种最为丰富 、 把大量源自海洋的 、以富含有机磷为特征的有机物 生物活动最为强烈的地区 。本区土壤中不仅有较为 质携带入栖息地的陆地生态系统中 ,对土壤形成过 ,而且某些局部地形景观上 明显的有机质积累过程 有机质的积累与转化深刻地影响着土壤的理化性状 程的有机质积聚作用产生重要影响 。据有关研究估 23 和形态特征。南极海洋性气候区土壤有机物质 算 ,仅各种企鹅每年以各种形式携带到南极海洋性 的来源主要有 3 个主要途径 ,一是来源于地表低等 气候区陆地生态系统中的海洋有机磷总数量大约在4 4 25 1 . 5 ×10,2 . 0 ×10t 之间。被企鹅携带到陆地 的植物的生物量积累 ; 二是来源于动物 ,即海鸟 、海兽 等海洋脊椎动物在本区的栖息与活动 ; 三是来源于 海洋性有机物质并不局限于栖息地内循环 ,其中 相 8 土壤藻类 、土壤动物与微生物活动。 当一部分通过地表径流 、淋洗 、挥发 、风力以及企 鹅 天敌等途径扩散到更加广阔的区域 ,对地表植被 气候变暖导致以地衣 、苔藓为主的地表植被成 长期延长 、初级生产力增加 ;同时气温上升引起的常 和土壤营养物质含量产生积极影响 。 从较大的空年冰 雪 消 融 为 这 些 低 等 植 物 提 供 了 新 的 生 境 间尺度上说 ,海洋脊椎动物对气候 () habitats, 地表植被面积正在扩大 。 南极地区仅有 变化的响应正好与植物对气候变暖的适应趋势相 ( ) 的两 种 现 花 植 物 漆 姑 草 pearlwort 和 南 极 发 草 反 ,气候变暖造成南极海洋性气候区内企鹅和海豹 () Antarctic hair grass原本只零星分布于南极半岛最北 端及附近岛屿 ,随着气候逐渐变暖 ,这两种高等植物 物数量的急剧减少 ,活动强度与范围快速下降 。其 主要原因是海冰消融致使这些海洋脊椎动物主要食 ) 1陈 杰. 南极菲尔德斯半岛土壤形成特殊性研究. 中国科学院南京土壤研究所博士论文. 1994 ) 2陈 杰 ,龚子同 ,Blume H P. 南极半岛海洋气候区的土壤 : ?. 分类问题. 土壤. 2004 (( ) ) 图 3 海岸地貌演化对企鹅栖息地 a 、b 和 c以及鸟成土形成 、发育与演变 d ,e ,f 和 g的影响 ( ) ( )图 d ,e ,f 和 g 中基岩不同深浅的变化表示鸟成土形成 、发育与演变的强 深弱 浅 Fig. 3 Influences of coastal processes on penguin migration and evolution of ornithogenic soils developed in rookeries () 物南极磷虾 Antarctic krill ,数量的减少 , 为了获取 3 初步结论及研究需求 足够的食物来源 ,企鹅 、海豹不得不向南迁徙 。 从 气候本身作为五大成土因素之一 ,理论上其变 一个较大时间尺度和较小空间尺度上而言 , 气候变化对海洋脊椎动物的活动的影响则表现出 化在一个较大的时间尺度上足以改变特定区域土壤 另外一种模式 。在南极海洋性气候区海岸带分布 发生 、发育的强度与发展 、演化的方向 ,从而对全球 着大量的企鹅栖息地 ,随着海平面变化和地壳均衡 土壤分布格局和土被结构产生关键性的影响 。但就 抬升 ,企鹅原来的栖息地距离海岸越来越远 , 为了 南极海洋性气候区第四纪以来的气候变化 ,特别是 更方便地从海洋中获取食物 ,企鹅不得不遗弃原来 气温升高的幅度与速率而言 ,尚不能对本区的土壤 的栖息地 ,在更加接近海岸的地方筑巢 , 新的鸟成 形成与演变直接产生根本性影响 。事实上 ,气候变 土开始形成 。而原来栖息地上发育的土壤不再接 化对南极海洋性气候区土壤发生和发育的作用主要 ( ) (受海洋有机物质的输入 ,鸟粪层 guano遭受地表径 是通过影响特定地形部位的地表状况 冰川消退 、积 ) ( ) 流冲刷 、下行水流淋洗以及风力吹蚀而迅速变薄乃 雪消融等、土壤母质类型 搬运与重新分配等、生 () 物活动强度 生物类型 、数量或盖度及生物量等等 至剥蚀殆尽 。由于遗弃栖息地土壤中残留大量有 方式间接表现出来 。由气候变暖导致的冰川消退和 机质与各种营养元素 ,以地衣为优势种的低等植被 常年积雪消融一方面为土壤在新出露的地形部位发 开始着生并迅速繁茂 , 新的有机质积累过程开始 , 生 、发育提供了母质和空间基础 ,另一方面 ,通过自 土壤发生学性状逐渐改变 ,土壤发育朝一个新的方 由水供给和地表热交换模式的改变促进对土壤形成 () 向进行 图 3。 2 期 陈 杰等 :气候变化对南极海洋性气候区土壤发生与演变的影响 173 invading verous indigenous biotas in Antarctica : A plea for organism 与演化具有重要影响的冰缘地貌过程 。生境的拓 monitoring. In : Llano G A ed. Adaptations within Antarctic 展 、种群结构的演变 、初级生产力与生物量的增加等 Ecosystems. Washington D. C. : Smithsonian Institution , 1977 . 1 121 是南极海洋性气候区内低等植物对气候变暖的主要 ,1 221 响应机制 ,并通过影响土壤有机质积累过程 、土壤有 4 Boczek B A. Specially protected areas as instrument for the conservation 机质结构与性状从而影响土壤发生 、发育与演化进 of the Antarctic nature . In : Wolfrum R ed. Antarctic Challenge ?: Conflicting Interests , Co2operation , Environmental Protection , Econo2 程 。气候变化导致的海平面升降与地壳均衡抬升不 mic Development . Berlin : Dunker & Humboldt , 1985 . 63,70 仅影响海岸地貌上土壤形成与发展进程 、重塑这一 5 Fifield R. International Research in the Antarctic . Oxford : Oxford 区域土壤景观类型与分布模式 ,而且通过海洋性脊 University Press , 1987 . 127,132 椎动物活动的响应过程对土壤中海洋性来源有机物 Claridge G G C , Campbell I B , Powell H K J et al . Heavy metal con2 6 tamination in some soils of the McMurdo Sound Region , Antarctica . 质的输入数量与分布范围产生重要影响 。 Antarctic Science , 1995 , 7 : 9,14 尽管通过对生物因素与非生物环境因素对气候 陈 杰 , 龚子同 , 阮心玲. 南极半岛海洋性气候区的土壤 : ?. 7 变化的响应 ,可以判断南极海洋性气候区内土 () 冻 - 融作用与水分状况. 土壤 ,2004 , 36 1: 6,12 壤形成 、发育与演变过程在气候变化的大背景下已 Chen Jie , Gong Zitong , Ruan Xinling et al . Soil in the maritime Antarctic : ?. Freeze2thaw process and moisture dynamics. Soils , 经 、正在 、或者将要发生变化 ,但现有的研究资料与 () 2004 , 36 1: 6,12 数据尚不能准确判断和预测这种变化的规模 、程度 陈 杰 ,龚子同 ,Blume H P. 南极半岛海洋性气候区的土壤 ——— () ?. 有机质积累过程. 土壤 ,2003 , 35 5: 364,369 与速率 。因此 ,南极典型区域内更进一步的研究工 8 Chen Jie , Gong Zitong , Blume H P. Soils in the maritime Antarctic : 作亟需加强 。首先 ,作为土壤发生 、发育与分布的空 () ?. Organic matter accumulation. Soils , 2003 , 35 5: 364,369 间基础 ,无冰区面积随气候变化的动态演变过程需 Kejna M. Air temperature on King George Island , South Shetland 要长期的综合观测 ,观测范围不仅包括冰川 、冰盖活 Islands , Antarctica . Polish Polar Research , 1999 , 20 : 121,183 9 Braunn M , Gossmann H. Glacial changes in the areas of Admiralty Bay 动 ,还应该包括分布较为零散的常年性积雪消融动 and Potter Cove , King George Island , Antarctica . In : Beyer L , Boelter 态 。同时 ,系统研究对冰缘地貌过程和土壤发生 、发 10 M eds. Geoecology of Antarctic Ice2Free Coastal Landscapes. Berlin : 育过程具有重要影响的自由水在时间和空间上的动 Springer2Verlag , 2002 . 75,88 态过程 。生物因素方面 ,气候变化背景下较小空间 Rodriquez R , Lasat C M , Rakusa2Suszczewski S. Analysis of the mean 尺度上地表植被物种数量 、群落结构 、生境演替 、地 and extreme temperature series of the Arctowski Antarctic Base . Problemy 11 表盖度 、生长期与生物量等方面的深入研究也应该 Klimatologii Polarnej , 1996 , 6 : 191,212 Braun M , Simoes J C , Vogt S et al . An improved topographic database 开展 ;另外海洋性脊椎动物随气候变化的迁移规律 、 for King George Island : Compilation , application and outlook. Antarctic 栖息地变迁 、食物结构与数量等与土壤有机质积累 12 () Science , 2001 , 13 1: 41,63 过程密切相关的动态变化研究同样不可或缺 。各种 Claridge G G C , Campbell I B. Some features of Antarctic soils and 与上述成土因素动态变化密切相关的 、制约土壤发 their relation to other desert soils. Translations of 9 th International 13 生状态 、发育强度与演化方向的土壤过程研究 ,以及 Congress of Soil Science ,1968 , 4 : 541,549 陈 杰 ,龚子同 ,Blume H P. 南极半岛海洋气候区的土壤 ——— 最终展示各种过程结果的土壤形成类型 、分布规律 () ?. 风化作用. 土壤 ,2003 , 35 4: 279,285 研究更为重要 。土壤过程的深入研究有助于在微观 14 Chen Jie , Gong Zitong , Blume H P. Soils in maritime Antarctic : ?. () Weathering processes. Soils , 2003 , 35 4: 279,285 层面揭示气候变化背景下成土因素的演变以何种方 Calkin P E. Geomorphology and Glacial Geology of the Victoria Valley 式 、何种速率 、在何种程度上影响成土过程 。而土壤 System , Southern Victoria Land , Antarctica . Columbus : Ohio State 类型与分布方面的系统研究则可以在宏观上阐明气 University , Institute of Polar Studies , Report , 1964 , 10 : 66,82 15 陈 杰 ,龚子同. 南极海洋性气候区土壤水分动态变化研究. 极 候变化条件下区域内土壤景观空间格局总体演变趋 () 地研究 ,1999 ,11 4: 241,254 势 。 Chen Jie , Gong Zitong. Dynamics of soil moisture status in the maritime 16 ( ) ( )Antarctic zone . Chinese J ournal of Polar Research , 1999 , 11 4 : 参考文献 References 241,254 1 Bonner W N. International agreements and the conservation of Antarctic Bockheim J G. Permafrost distribution in the southern circumpolar region systems. In : Kerry K R , Hempel G eds. Antarctic Ecological Change and its relation to the environment : A review and recommendations for and Conservation. Berlin : Springer2Verlag , 1990 . 386,393 further research. Permaf rost and Periglacial Processes , 1995 , 6 : 27, 2 17 Machowski J . The Antarctic environmental legal regime . Polish Polar Research , 1992 , 13 : 183,214 Rudolph E D , Benninghoff W S. Competitive and adaptive research of 3 ,128 12045 Bockheim J , Hall K J . Permafrost , active2layer Birkenmayer K. Raised marine features and glacial history in the vicinity 22 18 dynamics and ( of Arctowski Station , King George Island South Shetland Islands , West periglacial environments of continental Antarctica . South Af rican ) Antarctica. B ulletin of Polish Academy of Science , 1981 , 29 : 109, J ournal of Science , 2002 , 98 : 82,90 117 Blume H P , Beyer L , Kalk E et al . Soils and soilscapes. In : Beyer L , 19 Chen J , Gong Z T , Blume H P. Soils of Fildes Peninsula , King George 23 Boelter M eds. Geoecology of Antarctic Ice2Free Coastal Landscapes. Island , the maritime Antarctic : Part ?. Formation processes and Berlin : Springer2Verlag , 2002 . 91,113 ( ) 谢又予. 中国南极长城站地区 菲尔德斯半岛地貌与沉积. 北 pedogenetic particularities. Chinese J ournal of Polar Science , 2000 , 11 20 京 :海洋出版社 , 1993 . 215,263 () 1: 25,38 Xie Youyu. Gemorphology and Deposits in the Area Around Great Wall Campbell I B , Claridge G G C. Antarctic Soils , Weathering Processes 24 ( ) Station of China Fildes PeninsulaAntarctica . Beijing : China Ocean and Environment . Amsterdam : Elsevier Science Publisher , 1987 . 73, Press , 1993 . 215,263 96 Adie J R. Sea level changes in the Scotia Arc and Graham Land. In : Myrchca A , Tatur A. Ecological role of the current and abandoned 21 25 Adie R J ed. Antarctic Geology , Proceedings of the First SCARΠIUGS penguin rookeries in the land environment of the maritime Antarctic . International Symposium. Cape Town , 16 , 21 September , 1963 . Polish Polar Research , 1991 , 12 : 3,24 IMPACT OF CL IMATE C HANGE O N GENESIS AND EVOL UTIO N OF SOIL IN THE MARITIME ANTARCTICA Chen J ie Gong Zitong ( )Institute of Soil Science , Chinese Academy of Sciences , Nanjing 210008 Abstract Evident climate change is posing significant influences on the terrestrial ecosystems of the maritime Antarctica . As one of key elements of the terrestrial ecosystem , soil is also subjected to environmental changes. Actually , temporal variety of pedogenesis and soil development in a certain landscape is exhibited via the responses of soil2forming factors to climate change . First of all , retreat of glaciers and shrink of perennial snowbank induced by climate warming provide parent materials and spatial room for soil formation and development in the maritime Antarctica . Meanwhile , melt water originating from glaciers and snow2ice covers enhances temporal and spatial availability of free water , which plays all2 important roles both in periglacial processes and the processes within soil profiles , thus influencing soil genesis and evolution to a great degree . Climate change leads to luxuriance of lower plants , especially macroscopic plants such as lichens , mosses and algae in the maritime Antarctica , resulting in introduction of species , colonization in new habitats , increase of biomass and modification of community structures , therefore posing influences on accumulative intensity and compositions of organic matter in soils. Sea level shift and curst isostatic uplift driven mainly by climate change cause migration of the maritime vertebrates such as seals and penguins in the various spatial scales , not only leading to input change of maritime organic matter to terrestrial ecosystem and soil environment , but disturbing soil2forming processes and reshaping distribution patterns of soils in the coastal areas. For a better understanding of the intensity , degree and rate of pedogenesis variation induced directly and indirectly by climate change , the detailed case studies including some long2 term monitoring programs in a chosen area should be conducted , focusing on the dynamics changes and feedback mechanisms of the soil2forming factors under the background of climate change , and on the interactions between the changing soil2forming factors and individual soil process. Key words climate change , Antarctica , soil , terrestrial ecosystem