氣候變暖驅動的老碳分解誘發多年凍土臨界響應
?全球變暖背景下的多年凍土融化被視為地球系統的關鍵臨界要素之一，其封存數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快速融化過程可觸發不可逆碳釋放，但這些認識主要來源于極端融化情景的模擬。對于更為普遍發生的漸進式多年凍土融化是否同樣存在臨界轉變，長期缺乏直接觀測證據。
決定多年凍土碳-氣候反饋的核心在于三個關鍵過程：增暖如何改變光合碳固定、增暖如何驅動生態系統呼吸、以及最關鍵的—增暖在多大程度激活多年凍土老碳的分解釋放。我們認為：當變暖驅動的老碳損失的增量超過碳固定收益時，系統將跨越臨界點進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的同步觀測，上述過程長期處于“黑箱”狀態；特別是氣候變暖是否、以及在多大程度上觸發老碳釋放，仍存在很大爭議。
為破解這一關鍵難題，中國科學院青藏高原研究所生態系統功能與全球變化研究團隊，在青藏高原典型多年凍土區（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5年的高頻生態系統碳通量觀測，結合不同土壤深度CO2濃度與穩定碳同位素（δ13C-CO2）監測，并輔以室內培養實驗與貝葉斯同位素混合模型，實現了對不同碳源貢獻的定量分離，從而首次在真實多年凍土生態系統中捕捉潛在的臨界轉變行為。
研究發現，氣候變暖驅動多年凍土生態系統轉為強CO2源。在低至中等增溫（<2°C）條件下，生態系統呼吸的增幅已超過碳固定增幅（達1-16倍），使系統由弱碳匯轉為碳源；而當增溫進一步增強至2-4°C時，生態系統碳固定突破熱適應閾值并顯著下降（降幅約14%），與此同時呼吸仍維持較高水平，最終導致凈碳釋放激增（最高達176%）。這一階段，生態系統碳收支由“輸入驅動”轉變為“呼吸主導”，碳收支發生根本性失衡，系統跨越關鍵閾值并進入強碳源狀態。
機制分析表明，深層老碳釋放是驅動該臨界轉變的核心過程。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由67%升至76%，且隨溫度升高持續增加。這一過程不僅導致易分解碳組分的耗竭，還進一步激活了原本受礦物保護的穩定碳庫。由此，系統碳輸出不再是碳輸入驅動的短期波動，而是轉變為由老碳分解驅動的持續性碳釋放過程。
基于上述證據，研究首次明確提出：青藏多年凍土碳循環存在一個位于約2-4°C增溫區間的臨界點。一旦超過該閾值，植物光合碳固定將受到生理限制，而深層碳分解持續增強，碳循環從“量變”轉向“質變”，標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定性提供了關鍵實證，也對全球多年凍土碳循環具有啟示意義。
上述研究成果以“Permafrost tipping point triggered by warming-driven loss of old carbon”為題，在線發表于Nature Communications《自然-通訊》。中國科學院青藏高原研究所與蘭州大學聯培博士生衛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 氣候變暖驅動老碳分解誘發多年凍土碳循環-氣候臨界響應示意圖
圖中GPP表示光合碳固定，Reco表示生態系統呼吸