北极高纬度地区未来植被绿化的空间异质性：CO2浓度升高下的区域响应与碳氮循环机制

本研究通过动态植被模型LPJ-GUESS 4.1模拟560 ppm CO2情景下北极高纬度植被变化，揭示区域绿化响应差异：西伯利亚和阿拉斯加荒地转为碳汇，而北欧温带物种快速扩张导致碳源转变，凸显CO2诱导绿化与碳封存非对等关系，为北极碳预算评估提供区域差异化视角。

　　

随着全球变暖加剧，北极高纬度地区正经历着前所未有的气候剧变，这片被称为“地球冰箱”的区域正以全球平均四倍的速度升温。然而，这片占全球土壤有机碳储量50%的脆弱生态系统，其植被动态与碳氮循环的未来轨迹仍充满谜团。传统观点认为CO₂浓度升高将推动北极“绿化”并增强碳汇功能，但近年观测显示区域响应存在巨大差异——既有北方森林北侵带来的“绿潮”，也有因干扰加剧导致的“褐变”。这种空间异质性使得预测北极在全球碳循环中的角色变得异常复杂，亟需高分辨率的机制解析。

为此，研究人员利用EC-Earth3.3.1地球系统模型生成的气候数据驱动高分辨率动态植被模型LPJ-GUESS 4.1，首次在0.25°网格尺度上模拟了560 ppm CO₂浓度下北极高纬度的植被响应。研究创新性地采用“离线模式”，将气候模拟与植被动态解耦，既能隔离CO₂对植被的直接效应，又能保持对气候反馈链的完整认知。论文发表在《Ecological Modelling》，为理解北极生态转型提供了新的方法论框架。

关键技术包括：1）使用EC-Earth3.3.1-LR模型生成280/560 ppm CO_{2>情景下120年气候均衡态数据；2）LPJ-GUESS 4.1在0.25°分辨率模拟植物功能型(PFTs)竞争，整合CENTURY土壤模块和GLOBFIRM火灾模型；3）通过500年spin-up和30年均衡期获取稳定生态系统状态；4）区域划分为斯堪的纳维亚-西俄罗斯、西伯利亚、阿拉斯加-西加拿大三区进行对比分析。}

【3. 结果：对照动态植被情景】
基础情景显示：西伯利亚因-10.53°C年均温和干旱，97%碳储存在冻土中；阿拉斯加内陆近乎无植被；北欧受北大西洋暖流影响，LAI达2 m²/m²，碳库超20 kgC/m²。碳通量呈现“南源北汇”格局，挪威海岸NEE达-4×10^-3 kgC/m²/yr。

【4. 结果：未来情景】
4.1 西伯利亚：升温8.19°C驱动荒地绿化，LAI增加1.5 m²/m²，但130-150°E永久冻土区抵抗 colonization。新植被区NEE降至-3.6×10^-3 kgC/m²/yr，但火灾频率提升。
4.2 阿拉斯加：西部温带树种突破性扩张，碳汇达-4.4×10^-3 kgC/m²/yr，而东南部成熟林响应微弱。
4.3 北欧：温带树种密度激增0.7/m²，土壤呼吸加速但碳库下降11 kgC/m²，北部出现7.2×10^-3 kgC/m²/yr碳源。
4.4 碳汇/源转变：新绿化区普遍转为碳汇，但北欧温带化区域因分解加速成为例外，nNEE显示氮循环与碳不同步。

【5. 机制解析】
永久冻土的热惯性（thermal inertia）是西伯利亚东部抵抗绿化的关键；北欧的“跨越式温带化”源于气候阈值突破；而CO₂施肥效应在成熟林受限于养分约束（N-limitation），印证了Terrer等提出的“氮瓶颈”理论。

【6. 全球碳循环启示】
研究颠覆了北极作为均质碳汇的认知：1）西伯利亚新碳汇可能被迁移滞后性（dispersal limitation）高估；2）北欧碳源警示“绿化≠碳汇”范式；3）永久冻土区仍是碳定时炸弹。作者强调必须发展包含动态迁移、饱和效应和人为干扰的区域化模型，以应对CMIP6模型在北极碳源模拟上的不足。

这项研究为IPCC第六次评估报告提供了微观证据，揭示北极碳汇功能存在“三速分化”——转型区（西伯利亚）、饱和区（北欧）和惰性区（永久冻土带）。这种空间异质性意味着，简单的“北极绿化助力碳中和”叙事需要被更精细的管理策略取代，特别是在应对可能出现的“碳汇东移、碳源西进”格局时。正如作者指出，未来北极碳预算评估必须像对待热带雨林那样重视其内部多样性，否则将严重低估气候反馈的不确定性。