凍土區儲存著大量碳，其碳庫約占全球土壤碳庫的50%。凍土區經歷的快速氣候變暖使得凍土中長期封存的大量有機碳被微生物分解釋放，進而可能進一步加劇氣候變暖。因此，凍土生態系統在全球碳循環中發揮著重要作用。

然而，目前學術界對凍土區碳動態的認識仍存在很大不確定性，不同模型預測的氣候變暖背景下的凍土碳損失相差近9倍。因此，目前對于凍土碳—氣候反饋效應的認識亟待“糾偏”。

在2021年8月7日發表于《科學進展》的一項研究中，中國科學院植物研究所(以下簡稱中科院植物所)研究員楊元合團隊基于凍土樣帶調查和室內培養相結合的方法，解析了青藏高原凍土融化后碳釋放溫度敏感性的空間格局和驅動因素。

從“淺”入“深”

凍土區因增溫快、碳儲量大的特點，成為氣候變化的敏感區和脆弱區。凍土碳循環與氣候變暖之間的反饋關系也因此成為國內外科研人員關注的焦點。

凍土碳釋放的溫度敏感性（Q10），是影響碳—氣候反饋關系的關鍵參數，也是導致模型預測結果存在不確定性的潛在原因之一。

楊元合研究員在接受《中國科學報》采訪時表示，“凍土融化會對凍土區生態系統結構與功能、全球氣候以及凍土區居民的生產、生活產生深遠影響。不同模型對凍土碳動態預測的較大差異性意味著目前學術界對凍土碳—氣候反饋效應的認識仍存在偏差，對凍土融化風險的預測仍存在較大不確定性。”

他認為，作為氣候變化的敏感區和潛在的碳排放源，凍土區碳動態的預測還對我國制定減排政策，以及如期實現碳中和的目標至關重要。

要實現模型校準、提升模擬能力，需要基于統一方法獲取Q10的大尺度數據集。然而，以往的研究大多集中在凍土區的活動層土壤(夏季融化，冬季凍結)，真正源自凍土層（連續兩年或兩年以上凍結不融化）的Q10觀測資料十分匱乏。特別是，尚不清楚礦物保護、微生物屬性以及底物質量調控凍土碳動態的相對重要性。

在楊元合看來，造成凍土層Q10數據匱乏有諸多原因。一方面，氣候變暖通常先影響的是表層土壤溫度，所以早期的研究多關注凍土區活動層土壤，對凍土層關注較少；另一方面，凍土區自然環境惡劣，寒冷、缺氧、難到達、活動層厚度深等都使青藏高原凍土樣品的采集工作變得更加困難。

從“固定”走向“非固定”

青藏高原是北半球中低緯度面積最大的高海拔多年凍土區，為研究高海拔凍土碳循環提供了理想平臺。2012年，楊元合回國后加入了中科院植物所，并成立了高寒生態格局與過程研究組，針對當時學術界對于凍土碳循環特征的認識主要來自北極凍土區的這一不足，他開始帶領團隊以青藏高原為研究對象深耕凍土碳循環研究。

在這項研究中，楊元合團隊利用凍土樣帶調查和室內培養相結合的方法，分析了青藏高原典型凍土區凍土融化后Q10的空間格局和驅動因素。

該論文的第一作者，中科院植物所博士生秦書琪告訴《中國科學報》，樣帶調查主要基于統一方法開展大范圍調查以獲取植物與土壤樣品，從而認識陸地生態系統碳循環參數沿環境梯度的變化規律。而室內培養是將野外采集的土壤樣品帶回實驗室，在特定溫度與水分條件下進行培養，測定培養過程中二氧化碳的釋放速率和釋放量。

在這項研究中，楊元合團隊通過在青藏高原開展的大范圍凍土樣帶調查獲取了大量凍土樣品，他們將樣品帶回實驗室并在不同溫度條件下進行長期培養，從而計算了凍土碳釋放的溫度敏感性，最終揭示了凍土融化后Q10的空間分布特征。

研究人員發現，凍土融化后Q10呈現較大的空間變異，這表明模型中需要考慮該參數的空間異質性而非使用固定常數。

秦書琪表示，此前大部分模型中使用的是固定常數Q10，而根據早期一項全球尺度模型研究的結果，當考慮Q10的空間異質性時，模型預測的碳—氣候反饋強度比使用固定常數高25%，“這意味著考慮Q10的空間異質性能提高模型對區域尺度凍土碳動態的預測。”

因此，她認為，提高模型預測能力需要更多的研究來揭示Q10的空間變異和調控因素，進而為模型Q10參數化提供高質量數據集。

然而在海拔4000米以上的凍土區進行凍土樣品采集并非易事。面對高寒缺氧等惡劣環境，研究團隊咬緊牙關，即使在同行工人中途退出采樣工作的時候，他們仍然堅持完成了深層凍土樣品的采集，并對這些樣品進行了長達400天的室內培養和監測。

科研人員正在青藏高原采集凍土樣品 中科院植物所供圖

揪出關鍵“推手”

凍土區活動層與凍土層在底物質量、環境、微生物屬性等方面均存在較大差異，哪些是影響凍土融化后Q10的關鍵因素呢？

基于大量的凍土層觀測資料，研究人員發現，Q10主要受礦物保護和微生物屬性調控。其中，礦物保護會減弱凍土碳釋放的溫度敏感性，而微生物屬性則扮演著雙重角色，高的微生物豐度與活性促進碳釋放及其對增溫的響應，而高的微生物多樣性會導致較低的Q10。

秦書琪表示，土壤碳釋放是微生物介導的過程，微生物分泌胞外酶將大分子有機質降解為小分子，進而吸收進入體內，通過呼吸作用釋放二氧化碳。因此，微生物的活性（即胞外酶產生）與豐度（即數量）在一定程度上決定了微生物能“吃進去”與“利用”多少碳，從而決定碳釋放量。

“微生物豐度與活性越高，碳釋放量越大。高的多樣性意味著微生物家族中存在的類群多，當遇到溫度升高等外界干擾時，類群的多樣化有助于整個微生物群落抵抗干擾，使其碳釋放的變化更小。” 秦書琪說。

這意味著，生物與非生物因素對于凍土碳釋放的調節會使凍土碳—氣候反饋關系比此前預想的更為復雜。該項工作拓展了學術界對凍土碳動態調控機制的認識，為提高模型對凍土—碳氣候反饋的預測能力提供了實驗依據。

礦物保護與微生物屬性調控凍土融化后碳釋放的溫度敏感性 中科院植物所供圖

楊元合表示，在前期研究中，團隊基于野外開頂箱增溫、室內培養等方法探究了氣候變暖背景下青藏高原凍土區土壤碳動態，但是以往的凍土生態系統增溫實驗只能加熱表層土壤，對深層土壤特別是凍土層土壤幾乎沒有加熱作用。

鑒于氣候變暖背景下凍土層溫度也會持續增加，楊元合團隊正在青藏高原凍土區開展“全生態系統增溫”實驗，將通過對生態系統地上、地下部分的同步加熱，試圖全面解析凍土碳循環關鍵過程對氣候變暖的響應及其生物與非生物機制。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abe3596

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