丁金枝研究員團隊揭示全球變暖導致的老碳流失引發的多年凍土臨界點

更新時間：2026-06-08

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文章信息

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（中國科學院青藏高原研究所）

發表日期：2026-04-17

研究背景

多年凍土融化被認為是地球系統中重要的臨界要素之一，其儲存的數千年來積累的有機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，關于多年凍土碳–氣候反饋是否存在溫度閾值、何時發生、以及深層“老碳"是否會被激活等問題，長期缺乏直接觀測證據。本研究以青藏高原面積居首的高山多年凍土區為對象，通過梯度增溫實驗，揭示了生態系統碳交換從弱碳源向強碳源轉變的臨界區間及其深層機制。

研究方法

該研究團隊在青藏高原安多縣典型高寒草甸多年凍土區建立了一套梯度控制增溫平臺，設置對照、+1°C、+2°C和+4°C四個增溫處理，每個處理四個重復樣方，采用自動反饋紅外加熱系統實現準確控溫。在連續五年的觀測期內，研究團隊開展了超過4萬小時的高頻生態系統CO?通量觀測，同時建立了垂直分層（10、20、80、120、160 cm）的土壤氣體濃度和δ13C-CO?原位監測系統，并結合土壤碳組分分析、宏基因組測序、磷脂脂肪酸分析、同位素混合模型（MixSIAR）等方法，系統解析了不同增溫水平下生態系統呼吸、光合碳固定及其碳來源的變化。

研究結果

凈生態系統CO?交換對增溫的非線性響應：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。

呼吸與光合的響應解耦：在+1°C和+2°C增溫下，總初級生產力分別增加3%和21%；而在+4°C增溫下，GPP較對照下降14%。相比之下，生態系統呼吸在所有增溫處理下均持續增加，年累積呼吸量分別上升15%、37%和40%。呼吸對凈CO?變化的貢獻占73%–87%，光合貢獻僅占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‰的較富集區間，指示碳來源以老碳為主。

深層老碳對增溫的響應：在生長季，深層土壤呼吸對總土壤呼吸的貢獻從對照的63%上升至+4°C增溫下的76%，相當于生態系統呼吸總量的約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一步證實，在+4°C增溫下，微生物群落向寡營養型、資源保守型策略轉變，真菌/細菌比下降，指示碳限制增強。

老碳釋放對增溫幅度的敏感性：深層碳貢獻與土壤溫度呈顯著正相關（P < 0.001），每升高1°C，深層碳對土壤呼吸的貢獻比例平均增加約0.5個百分點?；谠撽P系，預計到本世紀末（2081–2100）青藏高原多年凍土區增溫2.69°C，將導致老碳釋放增加約16個百分點，相當于每年額外釋放24–47 g CO? m?2的老碳。

臨界區間的確定：在+2°C至+4°C增溫區間內，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%），導致凈碳損失比中度增溫條件下高出54%。這一轉變標志著生態系統在2–4°C增溫范圍內跨越了碳循環的氣候臨界點。

圖1.氣候變暖下碳通量變化軌跡的爭議性響應模式

圖2.多級增溫引起的凈生態系統CO?交換變化及其呼吸和光合貢獻

圖3.增溫對生態系統呼吸和總初級生產力的影響

圖4.呼吸的組分與來源對多級增溫的貢獻及其響應

圖5.增溫引起的呼吸與光合解耦與深層土壤碳釋放協同驅動凈生態系統CO?排放激增的概念圖

研究結論

該研究在青藏高原多年凍土區觀測到碳循環的臨界轉變行為，確認在2–4°C增溫區間內，生態系統呼吸與光合碳固定發生解耦，深層老碳被大量激活，導致生態系統從弱碳源轉變為強碳源。這一發現挑戰了以往認為深層碳相對穩定的假設，并為全球多年凍土區碳–氣候正反饋提供了關鍵的實驗證據。研究同時指出，當前地球系統模型需納入垂直分層的碳動態、臨界行為及老碳活化機制，以更準確地預估未來氣候變暖下的多年凍土碳反饋強度。

華益瑞助力科研

華益瑞有幸于2018年為中國科學院青藏高原研究所的科研團隊提供了梯度控制增溫平臺的相關實驗設備及現場安裝調試服務，為青藏高原氣候變暖驅動的老碳分解誘發多年凍土臨界響應研究提供了基礎數據支撐。

我司協助梯度控制增溫平臺實驗布設并安裝多套數據采集器、土壤剖面CO?探頭與紅外溫度傳感器。本次實驗共設16個小區：L組代表增溫1℃，共4個小區；M組代表增溫2℃，共4個小區；H組代表增溫4℃，共4個小區；C組代表參考樣地，共4個小區。未來，我們將繼續秉承“做懂科研實驗的服務者"的愿景，與更多科研單位攜手合作，提供更高質量的梯度控制增溫平臺實驗設備及配套技術服務，助力更多科研項目順利落地執行。