末次盛冰期以来北半球陆地碳库的剧烈流失与累积及其对大气CO2动态的影响

本研究针对末次盛冰期(LGM)至工业革命前北半球陆地碳库的动态变化，通过古气候数据与生物群落模型相结合的方法，量化了碳库规模在千年尺度的波动。研究发现：永久冻土区黄土沉积碳流失(约340 Pg C)和泥炭地碳累积(约450 Pg C)主导了碳通量变化，其规模足以显著影响大气CO2浓度。该研究为解释冰期-间冰期大气CO2浓度100 ppm波动的陆地机制提供了关键证据，揭示了陆地碳库在气候转型期的双向调节作用。

　　

研究背景

冰芯记录显示，过去80万年间大气CO₂浓度在冰期-间冰期旋回中存在约100 ppm的波动。传统理论认为这种变化主要由南大洋碳循环驱动，但近期研究发现陆地碳库可能通过永久冻土退化、泥炭地扩张等过程产生显著影响。特别是在末次冰消期(21-11.7 ka)，大气CO₂的快速上升事件(如16.3 ka、14.8 ka和11.7 ka事件)与陆地碳释放的时空关联性尚未量化。理解这些自然过程对预测当前气候变暖背景下陆地碳库的反馈至关重要。

关键技术方法

研究团队整合了两种古气候模型(HadCM3和CCSM3 TraCE-21k)的模拟数据，结合机器学习算法(Random Forest)重建了北纬23°以北区域21 ka至工业革命前的生物群落分布。通过建立现代生物群落与土壤碳储量的转换函数，量化了矿物土壤(0-2 m)、深层黄土(>2 m)、泥炭地等碳库的动态变化。永久冻土范围采用温度阈值法重建，并利用古环境观测数据校正。

研究结果

土壤碳储量

基于生物群落重建显示，冰消期苔原向森林的转变导致碳密度降低，但矿物土壤碳库总量变化相对稳定(图3)。碳的再分配通量是净变化的数倍，表明地理格局重组比净流失更显著。

黄土沉积

深层冻土区黄土(Yedoma)在17-10 ka期间损失约340 Pg C(表S4)，其中北美和西伯利亚黄土分别在16 ka和11 ka出现集中释放。这种富含古老有机质的碳流失与大气CO₂快速上升事件存在时间耦合(图4A)。

泥炭地

全新世泥炭地扩张累积了450±162 Pg C(表S5)，是唯一的净碳汇。模型显示其导致大气CO₂浓度下降约23 ppm，但需其他碳源抵消以解释全新世CO₂稳定性。

冰盖退缩效应

冰川消融暴露的新生陆地通过土壤发育累积碳，而淹没的大陆架碳库(假设30%释放)贡献了12-13 Pg C/千年的潜在通量。冷基冰床下保存的碳随冰退快速氧化。

讨论与意义

该研究首次系统量化了北半球陆地碳库在冰期转型期的双向调节作用：冰消期永久冻土退化导致碳流失主导(最低点11 ka时净损失340 Pg C)，而全新世泥炭地扩张实现碳汇。这种动态变化解释了大气CO₂记录中快速波动事件(如14.8 ka事件陆地释放89±171 Pg C)与长期趋势的差异。

研究创新性地揭示：

1. 1.

   黄土沉积碳的快速释放可能是冰消期大气CH₄突增事件的重要来源；

2. 2.

   陆地碳库变化规模(累计释放440 Pg C)可解释约52 ppm的大气CO₂上升；

3. 3.

   海平面上升导致的碳淹没通量被长期低估。

这些发现发表于《SCIENCE ADVANCES》，为理解全球碳循环的陆地-气候耦合机制提供了新范式，对预测当代永久冻土退化、泥炭地碳汇潜力等具有重要启示。研究同时指出，未纳入分析的南半球陆地过程(如巽他陆架碳流失)可能是未来研究的关键方向。