末次冰消期升温过程中北方湖泊甲烷循环加剧驱动大气CH4浓度快速上升的机制研究

本研究通过生物标志物、同位素和放射性碳数据重建了青藏高原热喀斯特湖的温度变化、甲烷循环和永久冻土解冻过程，揭示了异常高的升温速率（而非绝对温度）是触发古甲烷循环增强的关键因素，为解释末次冰消期大气甲烷浓度（AMC）的快速上升提供了新机制，对理解当前气候变暖下的甲烷-气候反馈具有重要意义。

　　

在气候变化的背景下，甲烷（CH₄）作为一种强效温室气体，其排放动态对全球变暖的反馈机制备受关注。末次冰消期（约1.8万至1.1万年前）大气甲烷浓度（AMC）曾出现约50%的激增，其中北半球（>30°N）贡献了约40%的增量。然而，传统假设的甲烷源（如湖泊扩张、泥炭地形成、永久冻土或水合物失稳）均无法解释这一快速上升现象。更矛盾的是，模型模拟显示，基于绝对温度与甲烷产量的线性关系，北半球湖泊的甲烷排放无法匹配冰芯记录的AMC突变。这一科学争议的核心在于：是否存在未被识别的甲烷释放机制？

为解答这一问题，中国科学院青藏高原研究所（Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences）的研究团队选择青藏高原南部的热喀斯特湖——年布错（Nianbu Co）作为研究对象。通过多指标分析，他们发现 Younger Dryas-Preboreal（YD-PB）过渡期（约1.17万年前）的快速升温（3.1°C/百年）触发了距今约2500年的古老甲烷强烈循环，其强度远超温度更高的全新世气候最适宜期（HCO）。这一成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，揭示了升温速率对甲烷循环的关键调控作用，挑战了传统温度-甲烷范式。

研究团队运用了四项关键技术：1）基于支链甘油二烷基甘油四醚（brGDGTs）的古温度重建；2）放射性碳（¹⁴C）定年与初始放射性碳含量（F¹⁴R）计算，用于追踪永久冻土碳年龄；3）化合物特异性同位素分析（CSIA），检测甲烷诊断性脂类（如hop-17(21)-烯和Tm藿烷）的δ¹³C值（最低达-80.3‰）；4）双同位素（δ¹³C-Δ¹⁴C）混合模型量化不同碳源贡献。

诊断性脂类标志物与甲烷循环的关联
研究发现，YD-PB过渡期hopanoids的δ¹³C值出现>20‰的负偏（Tm：-39‰→-63‰），甲烷相关碳占比骤增75%（0.095→0.166），表明甲烷氧化菌（MOB）活性显著增强。这种信号与同期冰芯记录的AMC峰值及δ¹³CH₄富集现象吻合，证实湖泊甲烷排放的瞬时放大效应。

升温速率而非绝对温度的主导作用
尽管HCO期温度更高（14.8°C），但甲烷循环强度反而弱于YD-PB过渡期（12.3°C）。这表明快速升温通过促进永久冻土解冻（释放活性碳）和改变微生物群落，比稳态高温更易触发甲烷循环的正反馈。这一发现解释了为何传统模型（基于绝对温度参数化）低估了YD-PB期的甲烷排放。

泛北极湖泊对甲烷激增的贡献
研究估算，现有北方湖泊在YD-PB期的甲烷排放可能达27.5[17-38] Tg CH₄/年，占北半球源排放预算的50%。这一机制弥补了湖泊形成滞后（500-1000年）与AMC突变的时差矛盾，为“消失的北半球甲烷源”提供了合理解释。

古老甲烷释放的气候启示
放射性碳数据显示，YD-PB期湖泊释放的甲烷年龄（~2500年）远高于现代（~1000年），但低于环北极永久冻土系统。这表明青藏高原永久冻土碳库对快速升温更为敏感，为评估当前变暖下的甲烷释放风险提供了地质参照。

这项研究突破了传统温度-甲烷关系的认知框架，提出“升温速率-生态系统响应”的新范式，对完善气候模型中的甲烷反馈参数具有里程碑意义。同时，青藏高原与北极湖泊的类比性暗示，当前人为变暖可能通过类似机制激活高纬度碳库，需引起高度重视。