净零与负排放背景下永久冻土生态系统碳损失的持续性与气候减缓挑战

这篇研究通过地球系统模型（CESM2-CLM5）模拟发现，即使在净零排放（net-zero）和负排放（CDR）情景下，永久冻土（permafrost）仍会持续释放约14 PgC的生态系统碳（植被+凋落物+土壤碳），并伴随不可逆的甲烷（CH4）排放增加。该研究揭示了冻土碳循环的滞后性（hysteresis）对气候减缓的潜在风险，为《巴黎协定》目标下的碳移除技术评估提供了关键科学依据。

　　

近地表永久冻土在减排路径下的动态变化
基于理想化排放驱动模拟，研究发现永久冻土面积与活动层厚度（ALT）呈现显著滞后效应。在正排放阶段（2000-2123年），冻土面积因升温减少40%，但在净零排放（Exp_zero）和负排放（Exp_neg）阶段仅恢复24%。特别值得注意的是，北美高有机碳（>75 kgC/m²）区域因土壤热惯性表现出更慢的恢复速度，导致冻土边界不可逆退缩。

冻土生态系统碳平衡的演化
冻土区域在正排放期表现为净碳汇（植被碳增加8.5 PgC），但凋落物-土壤碳的加速分解（损失6.2 PgC）使其在减排阶段转为净碳源。关键发现包括：

1. 植被碳在负排放期因CO₂浓度下降减少3.5 PgC；
2. 高有机质土壤的呼吸损失持续至2300年，累计释放14 PgC；
3. 大西洋经向翻转流（AMOC）恢复引发的北半球增温进一步加剧碳损失。

甲烷排放的不可逆性
冻土退化导致淹没区（inundated fraction）永久性扩大，使CH₄排放呈现开放环路特征。尽管呼吸作用在负排放期下降80%，但CH₄排放仅减少63%，其全球增温潜势（GWP）可能抵消部分CDR效益。有机质土壤（如泥炭地）因地形排水障碍成为主要排放热点。

冻土碳循环的滞后机制
热力学分析揭示：

• 冻土面积与CO₂浓度呈滞后回线（hysteresis loop），相同温度下减排期冻土面积减少1.8×10⁶ km²；
• ALT在减排期增深1.5倍（达3.8 m），加速深层碳分解；
• 相变锋面（talik）增多增强土壤热惯性，有机质区域恢复速度仅为矿质土壤的50%。

模型局限与政策启示
研究指出CESM2-CLM5未考虑热喀斯特（thermokarst）和野火等突发冻土退化过程，可能低估碳损失。AMOC的强震荡（overshoot）在CESM2中尤为显著，需多模型验证。结论强调：即使实现《巴黎协定》1.5°C目标，冻土碳释放仍可能持续数百年，呼吁将冻土反馈纳入长期气候政策评估。