氣候變暖驅(qū)動的老碳分解誘發(fā)多年凍土臨界響應(yīng)
?全球變暖背景下的多年凍土融化被視為地球系統(tǒng)的關(guān)鍵臨界要素之一，其封存數(shù)千年至上萬年的有機碳一旦被微生物分解，將釋放大量溫室氣體，加劇氣候變暖。雖然已有研究表明熱喀斯特等富冰區(qū)快速融化過程可觸發(fā)不可逆碳釋放，但這些認(rèn)識主要來源于極端融化情景的模擬。對于更為普遍發(fā)生的漸進(jìn)式多年凍土融化是否同樣存在臨界轉(zhuǎn)變，長期缺乏直接觀測證據(jù)。
決定多年凍土碳-氣候反饋的核心在于三個關(guān)鍵過程：增暖如何改變光合碳固定、增暖如何驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)呼吸、以及最關(guān)鍵的—增暖在多大程度激活多年凍土老碳的分解釋放。我們認(rèn)為：當(dāng)變暖驅(qū)動的老碳損失的增量超過碳固定收益時，系統(tǒng)將跨越臨界點進(jìn)入不可逆的正反饋階段。然而，由于缺乏對碳通量與地下碳動態(tài)的同步觀測，上述過程長期處于“黑箱”狀態(tài)；特別是氣候變暖是否、以及在多大程度上觸發(fā)老碳釋放，仍存在很大爭議。
為破解這一關(guān)鍵難題，中國科學(xué)院青藏高原研究所生態(tài)系統(tǒng)功能與全球變化研究團(tuán)隊，在青藏高原典型多年凍土區(qū)（海拔約4800m）開展了多梯度紅外模擬增溫實驗（對照、+1°C、+2°C和+4°C）。通過持續(xù)5年的高頻生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測，結(jié)合不同土壤深度CO2濃度與穩(wěn)定碳同位素（δ13C-CO2）監(jiān)測，并輔以室內(nèi)培養(yǎng)實驗與貝葉斯同位素混合模型，實現(xiàn)了對不同碳源貢獻(xiàn)的定量分離，從而首次在真實多年凍土生態(tài)系統(tǒng)中捕捉潛在的臨界轉(zhuǎn)變行為。
研究發(fā)現(xiàn)，氣候變暖驅(qū)動多年凍土生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為強CO2源。在低至中等增溫（<2°C）條件下，生態(tài)系統(tǒng)呼吸的增幅已超過碳固定增幅（達(dá)1-16倍），使系統(tǒng)由弱碳匯轉(zhuǎn)為碳源；而當(dāng)增溫進(jìn)一步增強至2-4°C時，生態(tài)系統(tǒng)碳固定突破熱適應(yīng)閾值并顯著下降（降幅約14%），與此同時呼吸仍維持較高水平，最終導(dǎo)致凈碳釋放激增（最高達(dá)176%）。這一階段，生態(tài)系統(tǒng)碳收支由“輸入驅(qū)動”轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂粑鲗?dǎo)”，碳收支發(fā)生根本性失衡，系統(tǒng)跨越關(guān)鍵閾值并進(jìn)入強碳源狀態(tài)。
機制分析表明，深層老碳釋放是驅(qū)動該臨界轉(zhuǎn)變的核心過程。增溫顯著增強了深層有機碳分解，使土壤深部持續(xù)維持高濃度CO2累積并伴隨明顯的同位素信號變化。尤其在生長季，深層老碳對土壤呼吸的平均貢獻(xiàn)由67%升至76%，且隨溫度升高持續(xù)增加。這一過程不僅導(dǎo)致易分解碳組分的耗竭，還進(jìn)一步激活了原本受礦物保護(hù)的穩(wěn)定碳庫。由此，系統(tǒng)碳輸出不再是碳輸入驅(qū)動的短期波動，而是轉(zhuǎn)變?yōu)橛衫咸挤纸怛?qū)動的持續(xù)性碳釋放過程。
基于上述證據(jù)，研究首次明確提出：青藏多年凍土碳循環(huán)存在一個位于約2-4°C增溫區(qū)間的臨界點。一旦超過該閾值，植物光合碳固定將受到生理限制，而深層碳分解持續(xù)增強，碳循環(huán)從“量變”轉(zhuǎn)向“質(zhì)變”，標(biāo)志著一個自我強化的多年凍土碳-氣候正反饋開始形成。該研究不僅為變暖背景下青藏高原多年凍土碳穩(wěn)定性提供了關(guān)鍵實證，也對全球多年凍土碳循環(huán)具有啟示意義。
上述研究成果以“Permafrost tipping point triggered by warming-driven loss of old carbon”為題，在線發(fā)表于Nature Communications《自然-通訊》。中國科學(xué)院青藏高原研究所與蘭州大學(xué)聯(lián)培博士生衛(wèi)雨西為論文第一作者，丁金枝研究員為通訊作者；姚檀棟院士、樸世龍院士、安寶晟研究員、汪濤研究員等為共同作者。本研究得到第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究（2022QZKK0101）等項目資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72122-3
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?圖1 氣候變暖驅(qū)動老碳分解誘發(fā)多年凍土碳循環(huán)-氣候臨界響應(yīng)示意圖
圖中GPP表示光合碳固定，Reco表示生態(tài)系統(tǒng)呼吸