冻土融化：碳循环双刃剑

　　气候变暖正在加速全球冻土融化。传统认知中，冻土融化释放的有机老碳经矿化后，以CO₂形式从河流排向大气，对气候变暖形成正反馈。然而，最新发表在Nature的论文颠覆了这一认知：冻土融化不仅是碳源，还能暴露新鲜矿物以增强水岩相互作用，通过岩石风化抵消CO₂排放，深刻影响河流碳源汇平衡。慕尼黑大学的Aaron Bufe教授指出：“以往的观测和模型研究多聚焦于冻土有机碳释放过程，对化学风化在冻土河流碳平衡中的作用重视不足”。

 

青藏河流：解锁碳流密码

　　为破解冻土融化如何重塑河流碳循环，由华东师范大学青年研究员张力伟和慕尼黑大学Aaron Bufe教授共同领衔的国际团队，以青藏高原为研究区（78万km²），纵跨海拔1650~4820 m的冻土梯度（从连续、不连续、零星到岛状冻土），对“亚洲水塔”八大流域的50条河流开展了重复采样（图1）。结合河流CO₂排放、碳组分分析、双碳同位素（δ¹³C-Δ¹⁴C）示踪和地球化学模型，研究厘清生物有机碳循环（河流呼吸）与地质无机碳循环（硫化物/碳酸盐/硅酸盐风化）的纠缠共变机制，打通有机—无机碳循环相互作用的壁垒，对完善全球碳循环理论体系具有重要意义。

 

图1 采样点分布

 

源汇博弈：此消彼长制衡

　　研究首次发现冻土融化加剧与岩石风化增强呈正相关，冻土梯度是调控河流碳循环的首控因素。冻土融化释放的有机碳经河流呼吸作用产生CO₂，叠加硫化物风化的额外CO₂排放；而碳酸盐和硅酸盐风化则可有效吸收上述来源的CO₂并将其固定为DIC，在削弱碳排放的同时，增强碳向下游输送能力。随着冻土覆盖度减少，河流CO₂排放通量逐渐下降，而岩石风化的溶质通量及其碳吸收能力则同步提升（图2）。在流域尺度上，岩石风化的CO₂吸收效应可抵消河流CO₂排放量的35~77%。以“空间换时间”推断，随着冻土持续消融，百年尺度内岩石风化净碳汇效应有望反超河流CO₂排放量。

 

图2 冻土梯度下流域尺度的CO₂源汇平衡

 

老碳活化：重返当代循环

　　研究首次定量河流不同形态碳（DOC/DIC/CO₂）的年龄与通量，刻画了碳流在水圈、土壤圈和岩石圈的循环路径。在三种形态碳中，冻土融化和岩石风化共同贡献的老碳占比均超过1/3，平均碳龄分别为3512年、2232年和1655年（图3）。青藏高原河流以CO₂形式向大气排放的老碳约为0.8 TgC/yr，以DOC和DIC形式向下游输送的老碳高达2.4 TgC/yr，意味着封存于青藏高原冻土和岩石中的千年老碳，正通过水运途径重新进入大气和海洋，直接参与当代碳循环。

 

图3 青藏河流中碳组分的双碳同位素

 

重塑范式：启碳循环新思

　　本研究修正了“冻土碳—气候正反馈”的单一认知，揭示了冻土融化过程中有机碳释放与无机碳固存的耦合共变机制，为全球气候变化预测模型补充了全新的负反馈机制参数，完善了冻土碳循环的气候效应理论体系。作者提议，只有全面整合生物有机碳与非生物无机碳过程，才能更准确地判断生态系统对全球碳循环的净影响及其气候反馈的方向性。同时作者强调，即便冻土融化增强了局地风化碳汇，但仍无法逆转人为排放主导的气候变化趋势。本研究不应被误读为一种“自然减排方案”，其意义在于填补了此前未被纳入地球模型的重要过程。大幅减少温室气体排放，依然是应对全球变暖的根本途径。

 

作者简介

　　本研究由华东师范大学青年研究员张力伟与慕尼黑大学Aaron Bufe教授共同领衔，瑞士洛桑联邦理工大学Tom Battin教授作为资深作者全程学术把关。北京师范大学夏星辉教授和中科院青藏所丁金枝研究员担任共同通讯作者。论文合作者还包括北京大学朴世龙院士、华东师范大学侯立军研究员、英国布里斯托大学Joshua Dean教授、瑞典于默奥大学Gerard Rocher-Ros、Ryan Sponseller和Jan Karlsson三位教授，美国威斯康星大学麦迪逊分校Emily Stanley教授、华盛顿大学David Butman教授，以及北京交通大学刘然副教授。

 

相关系列研究

[1] Zhang, L. et al. Significant methane ebullition from alpine permafrost rivers on the East Qinghai-Tibet Plateau. Nature Geoscience 13, 349-354 (2020). https://doi.org/10.1038/s41561-020-0571-8

[2] Zhang, L. et al. Unexpectedly minor nitrous oxide emissions from fluvial networks draining permafrost catchments of the East Qinghai-Tibet Plateau. Nature Communications 13, 950 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28651-8

[3] Zhang, L. et al. System-wide greenhouse gas emissions from mountain reservoirs draining permafrost catchments on the Qinghai-Tibet Plateau. Global Biogeochemical Cycles 38, e2024GB008112 (2024). https://doi.org/10.1029/2024GB008112