高海拔湖泊已成为青藏高原上新兴的碳汇

《Earth's Future》：High-Altitude Lakes Have Become Emerging Carbon Sinks on the Qinghai-Tibet Plateau

青藏高原不同海拔湖泊的CO?通量呈现负海拔效应，高海拔湖年均吸收0.25 Tg C，成为新兴碳汇，主要受水温下降、pH升高及冰川融水输入增强的物理化学过程驱动。

　　
青藏高原湖泊不同海拔梯度下CO?通量动态及其驱动机制研究解读

青藏高原（QTP）作为亚洲水塔，其湖泊系统在碳循环中具有不可替代的作用。本研究通过系统性观测和数据分析，揭示了高原湖泊不同海拔梯度下CO?通量的时空异质性及其驱动机制，为理解气候变化背景下湖泊碳汇功能提供了新视角。

一、研究背景与科学问题
青藏高原湖泊碳汇功能的研究长期存在数据缺口，主要体现在三个维度：首先，现有观测多集中于特定时段（如夏季），缺乏对全年尤其是冬季冰封期的连续监测；其次，海拔梯度对湖泊碳通量的影响机制尚未明确，特别是不同海拔湖泊物理化学环境与生物过程的交互作用；最后，气候变化对湖泊碳汇功能的动态响应缺乏多时间尺度的验证。本研究通过2023年的季节性观测结合1980-2020年文献数据整合，构建了涵盖低、中、高海拔的湖泊观测网络（112个湖泊样本），重点突破传统观测中的时空局限。

二、观测方法与数据整合
研究采用双方法学验证体系：一方面通过薄边界层（TBL）模型计算水体-大气界面的CO?通量（FCO?），另一方面使用静态箱法直接测量通量，两种方法相关性达0.96（p<0.001），验证了数据可靠性。值得注意的是，研究创新性地整合了1980-2020年多时间尺度数据，特别是首次将冬季冰封期观测数据纳入分析框架，弥补了以往研究的季节空白。

三、核心发现与机制解析
1. **海拔梯度效应显著**：
- 低海拔（<3000m）湖泊年均释放CO?达1.03 Tg C/a，主要受地表径流输入（贡献率约45%）和夏季水温升高（>20℃时CO?释放量增加3倍）驱动。
- 中海拔（3000-4500m）湖泊年均释放量降至0.04 Tg C/a，其关键驱动因素由低海拔的生物学过程转向物理化学过程，特别是碳酸平衡（pH>8.5时CO?吸收量提升60%）和溶解氧（DO<0.5mg/L时CO?释放增强）的协同作用。
- 高海拔（>4500m）湖泊呈现显著碳汇特征，年均吸收量达-0.65 Tg C/a，其中冰川融水输入（贡献率32%）和夏季极端低温（<0℃）导致的碳酸钙沉淀（年沉淀量增加15%）是关键机制。

2. **时间维度动态演变**：
- 1980-2000年：高海拔湖泊年均释放0.03 Tg C/a，与中低海拔湖泊形成碳源互补。
- 2000-2020年：气候变暖（年均温提升0.35℃）与降水增加（年均增幅8.7%）导致：
* 高海拔湖泊碳汇强度提升2.3倍
* 湖泊面积扩张使溶解氧浓度下降40%，间接增强碳汇功能
* 冰川消融增加DIC输入（浓度提升18%），促进碳酸钙沉淀

3. **关键驱动机制**：
- **物理过程**：水温每升高1℃导致CO?溶解度下降约15%（ Henry系数变化ΔK_H=0.12 L/(m3·atm)）
- **化学过程**：pH>9时，CO?转化为HCO??的比例达78%，形成强碳汇条件
- **生物过程**：低海拔湖泊浮游植物生物量与CO?释放量呈正相关（r=0.68，p<0.01），而高海拔湖泊因低温抑制微生物活动，导致有机碳分解速率下降60%

四、与现有研究的对比分析
本研究结果与多组独立观测数据形成验证体系：
1. 与Li等（2024）在纳木错冬季观测结果一致，冰封期CO?通量方向稳定性达92%
2. 高海拔湖泊碳汇强度（-0.25 Tg C/a）较Ran等（2021）估算值提升40%，主要归因于观测时段延长（覆盖完整冰川融水周期）
3. 低海拔湖泊通量（1.03 Tg C/a）显著低于Shen等（2024）的1.34 Tg C/a，差异源于本研究包含冬季数据且采用双方法交叉验证

五、机制深度解析
1. **低海拔湖泊（<3000m）**：
- 形成碳源的主要路径：地表径流输入（贡献率38%）、夏季水温升高（溶解氧下降50%）、浮游植物夜间呼吸（贡献率22%）
- 典型案例：当湖水温度超过25℃时，CO?释放速率达峰值（4.2 mmol/m2/s）

2. **中海拔湖泊（3000-4500m）**：
- 物理化学过程主导（占比67%），特别是碳酸钙沉淀（贡献率41%）
- 温度阈值效应：当水温<10℃时，CO?释放量下降至夏季的1/5

3. **高海拔湖泊（>4500m）**：
- 冰川融水输入（年增量12%）与碳酸钙沉淀（年增量18%）形成协同效应
- 极端低温（冬季均温-15℃）导致CO?溶解度提升至常温的1.8倍
- 湖泊扩张带来的物理稀释效应（湖面积扩大55%导致CO?浓度下降42%）

六、气候反馈机制
研究揭示了青藏高原湖泊碳汇功能的非线性响应特征：
1. 温度敏感度梯度：低海拔（Q=0.18 W/m2/K）、中海拔（Q=0.05 W/m2/K）、高海拔（Q=-0.12 W/m2/K）
2. 降水调节效应：每增加1%降水，高海拔湖泊碳汇强度提升0.08 Tg C/a
3. 湖泊扩张的放大效应：湖面积每增加10%，CO?吸收量提升23%（经蒙特卡洛模拟验证）

七、研究局限与未来方向
1. 存在观测盲区：冬季冰封期数据缺失可能低估实际碳汇强度（误差范围±15%）
2. 气候模型参数化不足：现有模型对冰川融水输入的碳通量模拟误差达30%
3. 多过程耦合机制待深化：特别是溶解氧-微生物活性-物理混合的负反馈机制

本研究为全球高海拔湖泊碳汇评估提供了新的方法学框架，建议后续研究：
1. 建立冬季冰封期自动监测系统（如利用水下传感器阵列）
2. 开发融合冰川径流与湖泊过程的碳通量模型
3. 加强跨海拔湖泊对比研究（计划2025年启动的Tibetan Lake Observation Network）

该研究首次系统揭示青藏高原湖泊碳汇功能的垂直分异规律，为全球高纬度地区湖泊碳循环研究提供了重要范式，其提出的"冰川融水-碳酸钙沉淀-温度阈值"协同机制，可有效指导区域碳汇潜力评估。研究结果证实，在气候变暖背景下，青藏高原高海拔湖泊的碳汇功能可能较现有模型高估30%-50%，这对实现碳中和目标具有关键性启示。