氣候變暖驅(qū)動(dòng)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(wàn)年的有機(jī)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(guò)程可觸發(fā)不可逆碳釋放，但這些認(rèn)識(shí)主要來(lái)源于極端融化情景的模擬。對(duì)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(zhǎng)期缺乏直接觀測(cè)證據(jù)。
決定多年凍土碳-氣候反饋的核心在于三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程：增暖如何改變光合碳固定、增暖如何驅(qū)動(dòng)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(dòng)的老碳損失的增量超過(guò)碳固定收益時(shí)，系統(tǒng)將跨越臨界點(diǎn)進(jìn)入不可逆的正反饋階段。然而，由于缺乏對(duì)碳通量與地下碳動(dòng)態(tài)的同步觀測(cè)，上述過(guò)程長(zhǎng)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(zhēng)議。
為破解這一關(guān)鍵難題，中國(guó)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(duì)，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(shí)驗(yàn)（對(duì)照、+1°C、+2°C和+4°C）。通過(guò)持續(xù)5年的高頻生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)，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(cè)，并輔以室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)與貝葉斯同位素混合模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同碳源貢獻(xiàn)的定量分離，從而首次在真實(shí)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(dòng)多年凍土生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為強(qiáng)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(guò)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(qiáng)至2-4°C時(shí)，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(shí)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(dòng)”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(qiáng)碳源狀態(tài)。
機(jī)制分析表明，深層老碳釋放是驅(qū)動(dòng)該臨界轉(zhuǎn)變的核心過(guò)程。增溫顯著增強(qiáng)了深層有機(jī)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(hào)變化。尤其在生長(zhǎng)季，深層老碳對(duì)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(guò)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(kù)。由此，系統(tǒng)碳輸出不再是碳輸入驅(qū)動(dòng)的短期波動(dòng)，而是轉(zhuǎn)變?yōu)橛衫咸挤纸怛?qū)動(dòng)的持續(xù)性碳釋放過(guò)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(gè)位于約2-4°C增溫區(qū)間的臨界點(diǎn)。一旦超過(guò)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(qiáng)，碳循環(huán)從“量變”轉(zhuǎn)向“質(zhì)變”，標(biāo)志著一個(gè)自我強(qiáng)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(shí)證，也對(duì)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(guó)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?jiān)菏俊矊氷裳芯繂T、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(xiàng)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(dòng)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