青藏高原热融滑塌改变高寒草甸生态系统碳收支：从碳汇向碳源的转变及其年龄依赖性

《Nature Communications》：Thaw slumps alter ecosystem carbon budget in alpine grassland on the Tibetan Plateau

本研究针对多年冻土区突发性热融侵蚀如何影响高寒生态系统碳循环的关键科学问题，通过系统监测青藏高原热融滑塌（RTS）不同形态斑块的CO2和CH4通量，发现植被剥离的裸露斑块使生态系统呼吸（ER）减半但初级生产力（GPP）下降约五分之四，导致净CO2释放量显著增加。跨年龄序列比较表明RTS对碳收支的影响呈现单峰轨迹，强调将突发性融冻过程纳入碳-气候模型的紧迫性。

　　

随着全球气候变暖的持续加剧，占北半球陆地面积约22%的多年冻土区正经历着前所未有的退化。这些冻土中储存着约1035±150 Pg的有机碳，相当于全球地下碳库的一半以上。当冻土融化时，这些碳可能以温室气体形式释放，形成所谓的多年冻土碳反馈（PCF），进一步加速气候变化。传统模型通常将冻土融化描述为缓慢的渐进过程（每年几厘米），但近年来的研究发现，突发性热融侵蚀现象（如热融滑塌、热融湖塘等）能在数天至数年内快速释放大量碳，使本世纪的碳排放预测增加高达40%。然而，目前对突发性融冻过程的碳循环影响仍缺乏量化研究，尤其是在被誉为“地球第三极”的青藏高原。

青藏高原拥有超过100万平方公里的多年冻土，储存着约33 Pg的土壤有机碳。与北极相比，高原冻土具有活动层更厚、地温更高、冰含量较低的特点。近几十年来，该地区升温速率是全球平均的1.5至2倍，导致热融滑塌等热喀斯特地貌日益频繁。尽管热融沟和热融湖塘对碳循环的影响已有较多研究，但热融滑塌这一重要的山坡热喀斯特形态如何影响高寒草甸碳收支，仍是一个悬而未决的科学问题。

为了填补这一空白，江官里等研究人员在《自然·通讯》发表了题为《Thaw slumps alter ecosystem carbon budget in alpine grassland on the Tibetan Plateau》的论文。研究团队于2024年生长季（5月至10月）对青藏高原腹地五个年轻热融滑塌点的CO₂和CH₄通量进行了系统监测，并于2025年8月补充调查了包括两个较老滑塌点在内的年龄序列。通过区分控制区、裸露区、植被筏状区和扰动地面区等不同形态斑块，结合土壤碳储量、微地形、植被和微生物群落分析，揭示了热融滑塌对高寒草甸碳收支的定量影响及其随时间演变的规律。

主要技术方法

研究团队在青藏高原腹地选取五个具有代表性的热融滑塌点，利用静态箱法每月监测CO₂和CH₄通量，结合无人机航拍和遥感影像量化不同斑块的空间分布。通过采集土壤样品分析碳组分（如颗粒有机碳POC和矿物结合有机碳MAOC），并运用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）识别影响生态系统呼吸和初级生产力的关键环境驱动因子。同时，对部分样点进行微生物DNA测序，探究甲烷代谢功能菌群的分布特征。

热融滑塌发生后土壤碳储量的变化

研究发现，热融滑塌不仅显著改变了高寒草甸的微地形，还导致土壤碳储量发生重大变化。相对于未受干扰的控制斑块，裸露斑块在0-15厘米和15-30厘米土层的土壤有机碳（SOC）密度分别显著降低了52±34.3%和38±29.4%。总碳（TC）密度在0-15厘米土层也显著下降25±21.6%。与之相反，植被筏状区和扰动地面区的土壤碳密度略有增加，但变化不显著。这表明滑塌过程中的侵蚀和暴露作用导致表层碳库大量流失。

热融滑塌引起的CO₂和CH₄通量改变

通量监测结果显示，裸露斑块的生态系统呼吸（ER）比控制区降低49±20.1%，而总初级生产力（GPP）下降更为剧烈，达82±19.7%。这导致净生态系统交换（NEE）向碳源方向转变，净CO₂释放量增加181±70.9%。植被筏状区和扰动地面区的CO₂通量变化不显著。所有斑块均表现为CH₄吸收，通量在-2.7±0.1至-2.3±0.2 nmol m^-2 s^-1之间，且斑块间无显著差异。CH₄吸收的碳当量仅能抵消CO₂排放的约0.74%，无法改变裸露斑块的碳源属性。

影响ER和GPP变异的关键驱动因子

路径分析表明，地温和植被条件是调控ER的主要因子，微地形斑块类型通过影响植被和地温产生直接和间接效应。土壤水分对ER有正向作用但影响较弱。对于GPP，土壤水分和植被是主导因子，而斑块类型和地温为次要贡献者。值得注意的是，基质可用性（如SOC储量）和土壤物理性质在本研究区对ER和GPP无显著影响，这可能与高原土壤碳储量较低且特性不同于北极苔原有关。

季节性碳收支与空间格局

基于2024年生长季的通量数据，研究人员量化了各热融滑塌点的碳预算。结果显示，尽管FS和BL站点已转变为净碳源，但其余三个站点仍为碳汇，只是汇功能显著减弱。滑塌导致的额外碳排放量在181.4至1672.5 kg CO₂-C之间，主要受滑塌总面积和不同斑块比例分布的影响。例如，FS点裸露区面积占比最高（约75.0%），碳源状态最明显；而BR、FN和FX点因植被筏状区和扰动地面区面积占比较大（72.6%、56.4%和68.2%），缓冲了裸露区的碳源效应。

热融滑塌影响碳收支的时间轨迹

结合2024年生长季观测和2025年8月的年龄对比分析，研究提出了热融滑塌影响碳收支的“单峰轨迹”模型。在扩张阶段，裸露斑块面积快速增加，草甸碳汇功能持续减弱直至达到碳源峰值；在稳定阶段，随着滑塌体稳定和植被恢复，碳源效应逐渐减弱，系统部分恢复向碳汇转变。对包括五个年轻和两个老滑塌点的年代序列分析证实了这一轨迹：扰动初期温室气体通量发生显著改变，随后随植被重建逐步恢复。裸露斑块比例和植被恢复速度是调控后滑塌碳动态的关键决定因子。

与北极热融滑塌及其他热喀斯特地貌的对比

与阿拉斯加北极地区的研究相比，青藏高原热融滑塌区的未扰动斑块ER较低（1.47±0.1 vs 2.07±0.2 g CO₂-C m^-2 d^-1），且植被筏状区ER在北极高于控制区而在高原略低。CH₄通量在高原无斑块间差异，而北极裸露区和植被筏状区土壤CH₄浓度显著升高。这些差异可能与活动层厚度（高原1.6-2.2 m vs 北极约0.35 m）、SOC储量、地温和土壤水分等环境异质性有关。

与高原其他热喀斯特地貌（热融沟TEG和热融湖塘TL）相比，热融滑塌的影响独具特征。TEG的裸露区比例低（约6.3%），碳收支主要受保留原始植被的斑块控制，且随塌陷后植被增强可能强化碳汇效应。TL则通过将草甸转为水体产生高CH₄排放，通量随草地类型和融冰排水事件变化。尽管这些地貌均源于突发性融冻，但对碳循环的影响机制和强度存在显著分化。

研究结论与展望

本研究通过多站点、斑块分辨的通量观测，首次量化了青藏高原热融滑塌对高寒草甸碳收支的影响，揭示了其从碳汇向碳源转变的单峰轨迹。裸露地面的快速扩张是驱动碳源效应的关键，而植被恢复是系统部分回归碳汇的基础。这些发现强调了将突发性融冻过程及其年龄依赖性纳入碳-气候模型的重要性。

未来研究需重点关注热融滑塌头部区域（headwall）的温室气体通量原位监测，整合垂直与横向碳输运过程，并发展高分辨率热喀斯特演化制图与模型模拟。鉴于气候变暖和冻土退化的持续加速，深化对突发性融冻碳循环的理解对于精准预测全球碳循环和制定气候适应策略具有紧迫而重要的意义。