灌木扩张对北极苔原碳损失的补偿效应：基于E3SM陆地模型的气候变化敏感性分析

这篇研究通过E3SM陆地模型（ELM）的北极专项配置，揭示了加拿大西部北极地区Trail Valley Creek（TVC）站点在RCP4.5和RCP8.5气候情景下灌木扩张（shrubification）与碳收支的动态关系。研究发现灌木扩张速率与气候变暖强度共同决定该地区碳源/汇转换：低扩张率（0.1%/年）下站点将转为CO2源（尤其RCP8.5情景），而高扩张率（1%/年）通过增强灌木生产力可抵消升温导致的呼吸增加，使站点维持碳汇功能。该研究为北极植被-气候反馈机制提供了量化依据。

　　

灌木扩张对北极苔原碳损失的补偿机制

摘要

北极变暖正导致苔原植被发生组成、结构和功能的显著变化，其中灌木扩张和树线北移是最显著的特征。本研究利用E3SM陆地模型（ELM）的北极专项配置，通过敏感性分析探讨了加拿大西部北极Trail Valley Creek（TVC）站点在不同灌木扩张速率和气候情景（RCP4.5和RCP8.5）下的碳收支动态。

研究方法

采用ELM模型的11种北极植物功能类型（PFTs）参数化方案，模拟了地衣、灌木和草丛三种主要植被类型的相互作用。通过调整Rubisco酶中叶片氮分配比例（FLNR）优化光合作用参数，使模型模拟的GPP与涡度相关观测数据的吻合度显著提升（R²=0.84）。设置6种灌木扩张情景（S1-S6），包括不同扩张速率（0-1%/年）和替代模式（地衣/草丛）。

关键发现

碳平衡方面：

• 低扩张率（0.1%/年）下，RCP8.5情景到2100年累计CO₂排放量是RCP4.5的两倍

• 高扩张率（1%/年）时，灌木生产力增加可完全抵消温度驱动的呼吸增强

• 植被碳储量随灌木扩张显著增加（p<0.0001），而1米深度土壤有机碳（SOC）呈下降趋势

环境驱动因子：

• RCP8.5下活性层深度在2060-2074年间迅速加深至土壤柱底部

• 土壤含水量（SWC）在RCP8.5下持续降低，与降水增加形成鲜明对比

• 蒸腾胁迫系数（β_T）在低灌木覆盖情景下更高，反映地衣的浅根系限制

能量收支：

• 夏季波文比在RCP8.5下显著降低（p<0.0001），反映潜热通量增加

• 灌木覆盖使反照率降低达10.9%（S1 vs S6）

• 能量分配变化未显著影响土壤温度或活性层深度

讨论与启示

研究揭示了灌木扩张速率与气候变暖强度的交互作用对北极碳循环的关键影响。值得注意的是：

1. 模型预测与"灌木通过雪陷阱效应增温土壤"的传统认知存在差异

2. 蒸散增加导致RCP8.5下SWC下降，尽管降水量增加

3. 高扩张率（>0.5%/年）可能逆转北极苔原的碳源趋势

4. 植被组成变化对能量收支的影响可能被气候变暖效应掩盖

该研究强调了在气候模型中准确表征北极植被动态的重要性，为预测北极-全球气候反馈提供了新见解。未来研究需结合更高分辨率的植被监测数据，并改进模型对灌木-雪层-多年冻土相互作用的表现。