丁金枝研究员团队揭示全球变暖导致的老碳流失引发的多年冻土临界点

期刊：Nature Communications

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

通讯作者：丁金枝研究员（中国科学院青藏高原研究所）

发表日期：2026-04-17

多年冻土融化被认为是地球系统中重要的临界要素之一，其储存的数千年来积累的有机碳一旦被微生物分解，将释放大量温室气体，形成加剧气候变暖的正反馈。然而，关于多年冻土碳–气候反馈是否存在温度阈值、何时发生、以及深层“老碳"是否会被激活等问题，长期缺乏直接观测证据。本研究以青藏高原面积居首的高山多年冻土区为对象，通过梯度增温实验，揭示了生态系统碳交换从弱碳源向强碳源转变的临界区间及其深层机制。

该研究团队在青藏高原安多县典型高寒草甸多年冻土区建立了一套梯度控制增温平台，设置对照、+1°C、+2°C和+4°C四个增温处理，每个处理四个重复样方，采用自动反馈红外加热系统实现准确控温。在连续五年的观测期内，研究团队开展了超过4万小时的高频生态系统CO₂通量观测，同时建立了垂直分层（10、20、80、120、160 cm）的土壤气体浓度和δ¹³C-CO₂原位监测系统，并结合土壤碳组分分析、宏基因组测序、磷脂脂肪酸分析、同位素混合模型（MixSIAR）等方法，系统解析了不同增温水平下生态系统呼吸、光合碳固定及其碳来源的变化。

净生态系统CO₂交换对增温的非线性响应：与对照相比，+1°C、+2°C和+4°C增温处理使年净CO₂释放量分别增加了44%、80%和176%（P < 0.05），且温度敏感性（Q₁₀）从对照的0.26逐步上升至+4°C处理下的1.95，呈非线性放大趋势。

呼吸与光合的响应解耦：在+1°C和+2°C增温下，总初级生产力分别增加3%和21%；而在+4°C增温下，GPP较对照下降14%。相比之下，生态系统呼吸在所有增温处理下均持续增加，年累积呼吸量分别上升15%、37%和40%。呼吸对净CO₂变化的贡献占73%–87%，光合贡献仅占13%–27%。

呼吸来源的垂直迁移：土壤CO₂浓度随深度显著增加，从10 cm处的2,663 ppm上升至160 cm处的4,756 ppm。在非生长季，深层（160 cm）CO₂浓度比表层高出385%。δ¹³C-CO₂信号显示，深层（120–160 cm）全年维持在–18.34‰至–18.01‰的较富集区间，指示碳来源以老碳为主。

深层老碳对增温的响应：在生长季，深层土壤呼吸对总土壤呼吸的贡献从对照的63%上升至+4°C增温下的76%，相当于生态系统呼吸总量的约59%。深层CO₂浓度在增温处理下增加4%–15%，δ¹³C-CO₂相应富集（从–19.04‰升至–18.46‰）。微生物宏基因组与磷脂脂肪酸分析进一步证实，在+4°C增温下，微生物群落向寡营养型、资源保守型策略转变，真菌/细菌比下降，指示碳限制增强。

老碳释放对增温幅度的敏感性：深层碳贡献与土壤温度呈显著正相关（P < 0.001），每升高1°C，深层碳对土壤呼吸的贡献比例平均增加约0.5个百分点。基于该关系，预计到本世纪末（2081–2100）青藏高原多年冻土区增温2.69°C，将导致老碳释放增加约16个百分点，相当于每年额外释放24–47 g CO₂ m⁻²的老碳。

临界区间的确定：在+2°C至+4°C增温区间内，GPP下降幅度（|ΔGPP| = 147.19 g CO₂ m⁻² yr⁻¹，下降29%）超过了呼吸增加幅度（|ΔR_eco| = 17.14 g CO₂ m⁻² yr⁻¹，上升2.12%），导致净碳损失比中度增温条件下高出54%。这一转变标志着生态系统在2–4°C增温范围内跨越了碳循环的气候临界点。

图1.气候变暖下碳通量变化轨迹的争议性响应模式

图2.多级增温引起的净生态系统CO₂交换变化及其呼吸和光合贡献

图3.增温对生态系统呼吸和总初级生产力的影响

图4.呼吸的组分与来源对多级增温的贡献及其响应

图5.增温引起的呼吸与光合解耦与深层土壤碳释放协同驱动净生态系统CO₂排放激增的概念图

该研究在青藏高原多年冻土区观测到碳循环的临界转变行为，确认在2–4°C增温区间内，生态系统呼吸与光合碳固定发生解耦，深层老碳被大量激活，导致生态系统从弱碳源转变为强碳源。这一发现挑战了以往认为深层碳相对稳定的假设，并为全球多年冻土区碳–气候正反馈提供了关键的实验证据。研究同时指出，当前地球系统模型需纳入垂直分层的碳动态、临界行为及老碳活化机制，以更准确地预估未来气候变暖下的多年冻土碳反馈强度。