青藏高原高山多年冻土区甲烷通量的时空格局及其气候反馈机制

本研究针对高山多年冻土区甲烷(CH4)通量长期动态不清的科学问题，通过整合观测数据与CLM5.0模型模拟，首次揭示了青藏高原多年冻土区作为微弱CH4汇的当代特征(-0.01±0.01 Tg CH4 yr-1)，并预测其在SSP1-2.6/SSP2-4.5情景下将转为持续排放源(0.07 Tg CH4 yr-1)，而在SSP3-7.0/SSP5-8.5情景下因大气CH4浓度升高将恢复为净汇(-0.06~-0.02 Tg CH4 yr-1)。该研究为理解高海拔冻土碳-气候反馈提供了关键理论依据。

　　

在全球变暖背景下，多年冻土区储存的巨量有机碳（约1014 Pg）正面临加速分解的风险。其中甲烷(CH₄)作为强效温室气体（100年尺度全球增温潜势是CO₂的27倍），其释放可能加剧气候变暖。然而，与北极多年冻土区不同，占据北半球75%高山冻土面积的青藏高原具有独特的地形和植被特征——90%区域为干旱高地，仅3.2%为沼泽湿地。这种特殊环境使得该区域可能呈现截然不同的CH₄通量特征，但长期动态始终缺乏系统研究。

为解决这一科学空白，中国科学院植物研究所等单位的研究人员联合国际团队，通过整合16个站点1121组原位观测数据与CLM5.0模型模拟，首次全面评估了1989-2100年间青藏高原高山多年冻土区CH₄通量的时空演变规律。研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究主要采用三种关键技术方法：1) 整合多源CH₄通量观测数据构建验证数据集；2) 改进CLM5.0模型中的淹没分数计算方法，结合TOPMODEL模拟动态湿地变化；3) 基于CMIP6多模型集合开展四种SSP情景(SSP1-2.6/SSP2-4.5/SSP3-7.0/SSP5-8.5)下的百年尺度预测。

模型性能验证

通过对比模拟与观测数据，证实CLM5.0能准确捕捉CH₄通量的季节动态（沼泽地R²=0.81，非沼泽地R²=0.45），并合理再现土壤温度、湿度等关键参数的空间格局。

当代时空格局

1989-2018年间，高原整体表现为微弱CH₄净汇(-0.01 Tg yr^-1)，呈现"中部排放、周边吸收"的空间分异。沼泽地年均排放3.82 mg m^-2 d^-1，而非沼泽地（高寒草甸/草原等）表现为吸收(-0.16 mg m^-2 d^-1)。这种格局主要源于独特的微地形（70%草丘+30%积水洼地）和季节性淹水特征。

未来情景预测

SSP1-2.6/SSP2-4.5情景下：

• 增温增湿使CH₄排放期延长（峰值提前至4月下旬）

• 2050年后持续表现为净排放源(0.07 Tg yr^-1)

SSP3-7.0/SSP5-8.5情景下：

• 世纪中叶转为净排放源（临界增温2.2±0.25℃）

• 世纪末因大气CH₄浓度升高增强氧化作用，恢复为净汇(-0.06~-0.02 Tg yr^-1)

机制解析

1. 气候驱动：增温通过提高产甲烷菌温度敏感性(Q₁₀=3.0)强于氧化菌(Q₁₀=2.0)，同时降水增加延长厌氧条件

2. 浓度反馈：高排放情景下大气CH₄浓度升高强化土壤-大气浓度梯度，促进扩散吸收

这项研究首次阐明了高山冻土区CH₄通量对气候变化的多路径响应，突破了过去仅关注北极冻土的认知局限。特别揭示的大气CH₄浓度反馈机制，为完善地球系统模型中碳-气候反馈参数化提供了关键理论依据。研究成果对预测不同减排路径下的气候效应具有重要政策指导价值。