期刊：Nature Communications

題目：Permafrost tipping point triggered by warming-driven loss of old carbon

通訊作者：丁金枝研究員（中國科學(xué)院青藏高原研究所）

發(fā)表日期：2026-04-17

多年凍土融化被認(rèn)為是地球系統(tǒng)中重要的臨界要素之一，其儲存的數(shù)千年來積累的有機(jī)碳一旦被微生物分解，將釋放大量溫室氣體，形成加劇氣候變暖的正反饋。然而，關(guān)于多年凍土碳–氣候反饋是否存在溫度閾值、何時(shí)發(fā)生、以及深層“老碳"是否會(huì)被激活等問題，長期缺乏直接觀測證據(jù)。本研究以青藏高原面積居首的高山多年凍土區(qū)為對象，通過梯度增溫實(shí)驗(yàn)，揭示了生態(tài)系統(tǒng)碳交換從弱碳源向強(qiáng)碳源轉(zhuǎn)變的臨界區(qū)間及其深層機(jī)制。

該研究團(tuán)隊(duì)在青藏高原安多縣典型高寒草甸多年凍土區(qū)建立了一套梯度控制增溫平臺，設(shè)置對照、+1°C、+2°C和+4°C四個(gè)增溫處理，每個(gè)處理四個(gè)重復(fù)樣方，采用自動(dòng)反饋紅外加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控溫。在連續(xù)五年的觀測期內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)開展了超過4萬小時(shí)的高頻生態(tài)系統(tǒng)CO?通量觀測，同時(shí)建立了垂直分層（10、20、80、120、160 cm）的土壤氣體濃度和δ13C-CO?原位監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合土壤碳組分分析、宏基因組測序、磷脂脂肪酸分析、同位素混合模型（MixSIAR）等方法，系統(tǒng)解析了不同增溫水平下生態(tài)系統(tǒng)呼吸、光合碳固定及其碳來源的變化。

凈生態(tài)系統(tǒng)CO?交換對增溫的非線性響應(yīng)：與對照相比，+1°C、+2°C和+4°C增溫處理使年凈CO?釋放量分別增加了44%、80%和176%（P < 0.05），且溫度敏感性（Q??）從對照的0.26逐步上升至+4°C處理下的1.95，呈非線性放大趨勢。

呼吸與光合的響應(yīng)解耦：在+1°C和+2°C增溫下，總初級生產(chǎn)力分別增加3%和21%；而在+4°C增溫下，GPP較對照下降14%。相比之下，生態(tài)系統(tǒng)呼吸在所有增溫處理下均持續(xù)增加，年累積呼吸量分別上升15%、37%和40%。呼吸對凈CO?變化的貢獻(xiàn)占73%–87%，光合貢獻(xiàn)僅占13%–27%。

呼吸來源的垂直遷移：土壤CO?濃度隨深度顯著增加，從10 cm處的2,663 ppm上升至160 cm處的4,756 ppm。在非生長季，深層（160 cm）CO?濃度比表層高出385%。δ13C-CO?信號顯示，深層（120–160 cm）全年維持在–18.34‰至–18.01‰的較富集區(qū)間，指示碳來源以老碳為主。

深層老碳對增溫的響應(yīng)：在生長季，深層土壤呼吸對總土壤呼吸的貢獻(xiàn)從對照的63%上升至+4°C增溫下的76%，相當(dāng)于生態(tài)系統(tǒng)呼吸總量的約59%。深層CO?濃度在增溫處理下增加4%–15%，δ13C-CO?相應(yīng)富集（從–19.04‰升至–18.46‰）。微生物宏基因組與磷脂脂肪酸分析進(jìn)一步證實(shí)，在+4°C增溫下，微生物群落向寡營養(yǎng)型、資源保守型策略轉(zhuǎn)變，真菌/細(xì)菌比下降，指示碳限制增強(qiáng)。

老碳釋放對增溫幅度的敏感性：深層碳貢獻(xiàn)與土壤溫度呈顯著正相關(guān)（P < 0.001），每升高1°C，深層碳對土壤呼吸的貢獻(xiàn)比例平均增加約0.5個(gè)百分點(diǎn)。基于該關(guān)系，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末（2081–2100）青藏高原多年凍土區(qū)增溫2.69°C，將導(dǎo)致老碳釋放增加約16個(gè)百分點(diǎn)，相當(dāng)于每年額外釋放24–47 g CO? m?2的老碳。

臨界區(qū)間的確定：在+2°C至+4°C增溫區(qū)間內(nèi)，GPP下降幅度（|ΔGPP| = 147.19 g CO? m?2 yr?1，下降29%）超過了呼吸增加幅度（|ΔR_eco| = 17.14 g CO? m?2 yr?1，上升2.12%），導(dǎo)致凈碳損失比中度增溫條件下高出54%。這一轉(zhuǎn)變標(biāo)志著生態(tài)系統(tǒng)在2–4°C增溫范圍內(nèi)跨越了碳循環(huán)的氣候臨界點(diǎn)。

圖1.氣候變暖下碳通量變化軌跡的爭議性響應(yīng)模式

圖2.多級增溫引起的凈生態(tài)系統(tǒng)CO?交換變化及其呼吸和光合貢獻(xiàn)

圖3.增溫對生態(tài)系統(tǒng)呼吸和總初級生產(chǎn)力的影響

圖4.呼吸的組分與來源對多級增溫的貢獻(xiàn)及其響應(yīng)

圖5.增溫引起的呼吸與光合解耦與深層土壤碳釋放協(xié)同驅(qū)動(dòng)凈生態(tài)系統(tǒng)CO?排放激增的概念圖

該研究在青藏高原多年凍土區(qū)觀測到碳循環(huán)的臨界轉(zhuǎn)變行為，確認(rèn)在2–4°C增溫區(qū)間內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)呼吸與光合碳固定發(fā)生解耦，深層老碳被大量激活，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)從弱碳源轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)碳源。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了以往認(rèn)為深層碳相對穩(wěn)定的假設(shè)，并為全球多年凍土區(qū)碳–氣候正反饋提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。研究同時(shí)指出，當(dāng)前地球系統(tǒng)模型需納入垂直分層的碳動(dòng)態(tài)、臨界行為及老碳活化機(jī)制，以更準(zhǔn)確地預(yù)估未來氣候變暖下的多年凍土碳反饋強(qiáng)度。