永久冻土减弱了西伯利亚北部植被对气候变化的长期响应：来自过去4万年间花粉谱的证据

《Global and Planetary Change》：Permafrost dampens long-term vegetation responses to climate change in northern Siberia: Evidence from pollen spectra covering the last 40 kyr

基于65个化石花粉记录和随机森林模型，重建了北西伯利亚过去4万年的夏季平均气温变化，发现1°C升温不足以突破冻土活跃层阈值，而持续2°C升温导致冻土退化与植被演替，森林扩张滞后灌木数千年。

　　

王志同|梁晨|陈凯|曹先勇

高山古生态学与人类适应研究组（ALPHA），中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统、环境与资源国家重点实验室（TPESER），北京100101，中国

摘要

了解气候、永久冻土和植被之间的长期相互作用对于解释当前的北极绿化现象至关重要。通过使用来自西伯利亚北部的65个化石花粉记录，以及一个基于835个现代花粉-气候组合数据集训练的随机森林模型，我们定量重建了过去4万年中最温暖月份的平均温度异常（Mtwa：7月平均温度），并评估了相关的植被变化。在最后一次冰期期间，草本植物占据主导地位，约4万至3.5万年间的升温幅度（约1°C）不足以使活动层厚度超过树木生长所需的阈值，导致木本植被覆盖非常稀少。在全新世早期，持续约2°C的升温引发了永久冻土的退化以及活动层的增厚，从而促进了森林的扩展，尽管树木的生长滞后于灌木数千年。这些结果揭示了植被-永久冻土相互作用中的明显阈值效应，并表明只有持续的升温才能克服永久冻土的限制。通过提供定量的温度估计，我们的重建为预测持续的北极升温可能如何改变植被格局和永久冻土稳定性提供了关键的基准。

引言

北极放大效应加剧了区域变暖，推动了西伯利亚北部的绿化并加速了永久冻土的融化（Serreze和Barry，2011；AMAP（北极监测与评估计划），2021）。永久冻土储存了1300-1600 Pg的有机碳，因此到2100年其融化可能会释放数百Pg的碳，进一步加剧全球变暖（Schuur等人，2015）。除了在全球碳循环中的作用外，永久冻土还通过调节土壤过程来稳定植被，而融化及热喀斯特作用会破坏这些控制机制，引发快速的生态变化（Shur和Jorgenson，2007；Cao等人，2019）。植被变化通过相反的作用影响永久冻土的稳定性：灌木的扩展可能隔离土壤并减缓永久冻土的融化（Blok等人，2010），而反照率的降低则会增强地表热吸收，加速永久冻土的退化（Loranty等人，2018）。这些矛盾机制带来的不确定性突显了长期、高分辨率记录整合气候、植被和永久冻土数据的关键性（Natali等人，2021）。

作为世界上最大的连续永久冻土区域，西伯利亚对于理解植被-气候-永久冻土相互作用至关重要（Jones等人，2023）。特别是从沉积物档案中的花粉和地球化学指标得出的北极古生态重建，为自最后一次冰盛期以来的生物群落和土地覆盖变化提供了重要见解（Andreev等人，2011；Herzschuh等人，2023，Herzschuh等人，2025；Tian等人，2018）。尽管取得了这些进展，大多数记录仅限于单个地点或广泛的北极范围综合分析，这掩盖了西伯利亚永久冻土区域的生态和气候异质性（Courtin等人，2021；Cao等人，2020）。此外，永久冻土作为生态系统动态的关键限制因素，其中介作用仍被很大程度上忽视（Andreev等人，2022；Fewster等人，2023）。在高纬度西伯利亚，这种不足尤为明显，因为那里缺乏连续的长期记录，因此迫切需要新的重建方法，以明确整合植被、气候和永久冻土过程。

在这里，我们汇编了来自西伯利亚北部永久冻土区域（90°–180°E，>60°N）的65个高质量花粉记录，以展示过去4万年间的植被变化。利用基于835个现代花粉-气候关系数据集训练的随机森林模型，定量推断了过去的气候变化，从而选择最相关的气候参数。通过这种方法，我们旨在验证最后一次冰川消退是否以快速升温为特征，并阐明在变化的气候条件下植被与永久冻土之间的长期相互作用。

研究区域

本研究选择了西伯利亚北部地区，具体位于90°–180°E和60°N以北的区域，包括中西伯利亚高原、东西伯利亚高地以及楚科奇半岛的西部（图1）。这一纬度带（>60°N）包含了北亚主要的连续永久冻土分布区（Brown等人，2002），使其成为研究永久冻土-植被相互作用的理想场所。该地区的地形从东南向

区域植被在空间和时间上的变化

化石花粉记录显示，在过去4万年中，西伯利亚植被在时间和空间上发生了明显的变化（图2；图6g–i）。在最后一次冰期（40–19千年前），草本植物占据主导地位，通常占组合的一半以上，并广泛分布于整个区域，而灌木和树木则较为稀少且分布有限。在19–14千年前，灌木开始增加，尤其是在中西伯利亚地区，而树木的生长

最后一次冰期（40–19千年前）：持续降温与草本植物占优势

最后一次冰期以持续寒冷的条件为特征，西伯利亚地区的平均7月温度（Mtwa）出现了显著波动（图6a）。多种代用指标均支持这一结论：低二氧化碳浓度（图6b；Bereiter等人，2015）和格陵兰冰芯δ¹⁸O记录（图6d；Andersen等人，2004）表明了长期的寒冷和干旱时期。三宝洞的洞穴沉积物δ¹⁸O数据（图6c；Cheng等人，2016）提供了区域性的验证

结论

化石花粉与随机森林模型相结合，提供了过去4万年来西伯利亚北部平均7月温度的定量重建，阐明了永久冻土阈值如何调节植被变化。我们的重建显示，在MIS 3晚期，西伯利亚北部的平均7月温度异常上升了1°C；而在全新世早期，这一温度异常上升了近2°C。MIS 3时期的升温持续时间较短，不足以使活动层厚度超过树木生长所需的1–1.5米阈值，从而保持了永久冻土的稳定性

作者贡献声明

王志同：撰写——初稿、调查、数据分析。梁晨：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。陈凯：验证、软件应用、调查。曹先勇：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、概念构思。

未引用参考文献

Andreev等人，2012

利益冲突声明

我们声明没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFF0809101）的支持。Cathy Jenks在语言编辑方面提供了帮助。