量化青藏高原永久冻土退化对水资源和碳循环的影响

《Science Bulletin》：Quantifying the water contributions and carbon consequences of permafrost degradation on the Tibetan Plateau

青藏高原冻土退化显著影响地表水和碳循环，2000-2020年冰融水占湖体扩张12.6%，驱动下游水资源变化；冻土退化释放129.39±21.02 Tg C a?1有机碳，抵消草场碳汇增量。

　　在气候变暖的背景下，冻土退化正成为影响区域水文和生态过程的重要因素。冻土的退化不仅改变了地表水文格局，还对生态系统碳平衡产生了深远的影响。作为世界上高海拔冻土分布最广的地区，青藏高原（Tibetan Plateau, TP）在这一过程中扮演着关键角色。然而，目前对于冻土退化如何影响地表水资源和区域碳动态的研究仍较为有限。本研究通过结合冻土模拟模型与定量分析方法，评估了冻土退化在时间与空间上的影响，揭示了冻土退化对水资源和碳循环的复杂作用机制。

青藏高原的冻土退化主要体现在两个方面：一是地表冻土层（Active Layer Thickness, ALT）的变薄，二是冻土温度（Mean Annual Ground Temperature, MAGT）的升高。这两种变化共同作用，导致冻土的稳定性下降，从而释放出大量的冻土有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）。在2002年至2050年期间，预计冻土退化将导致SOC释放量达到129.39±21.02 Tg C a?1，其中每年分解的SOC约为20.82±3.06 Tg C a?1。此外，冻土崩塌和热喀斯特湖的形成将进一步削弱生态系统的碳汇能力，预计2020年将导致碳汇减少约0.41（0.29–0.52）Tg C a?1。这些发现表明，冻土退化不仅是地表水文变化的驱动力，也是碳循环中不可忽视的重要因素。

冻土退化对水资源的影响主要体现在三个方面：一是增加了湖泊的扩张，二是改变了河流的径流模式，三是导致了地表水文路径的重组。研究表明，在2000年至2020年期间，冻土融化水对湖泊体积增长的贡献达到了12.6%。这一比例在青藏高原内部流域尤为显著，尤其是在西部和中部地区，其贡献率高达11.2%至37.2%。而在东南部地区，湖泊扩张主要由降水和地下水补给共同驱动，冻土融化水的贡献相对较小。此外，冻土融化水在长江、黄河、澜沧江、雅鲁藏布江和怒江等五大河流源头地区的总径流中占比约为4.6%，这一比例预计将在2030年代至2040年代达到峰值，随后逐渐下降。这一趋势对于下游地区的水资源供应具有重要影响，特别是在未来干旱加剧的情况下，冻土融化水的减少可能导致水资源短缺问题进一步恶化。

冻土退化对生态系统碳汇的影响同样显著。研究发现，冻土退化不仅改变了草地生物量的分配模式，还影响了地下生物量的增长。在2000年至2020年期间，高寒草地的碳固存能力达到了1.05–1.29 Tg C a?1，而这一数值在未考虑冻土退化影响的情况下被低估了约35.5%至48.1%。这表明，冻土退化对草地碳汇的贡献不容忽视。随着冻土退化程度的加深，草地的生物量分配策略也发生变化，更多碳被储存于地下部分，而地表生物量的增长则受到限制。此外，冻土崩塌和热喀斯特湖的形成会直接导致碳损失，其中冻土崩塌的碳损失率在2003年至2021年间达到了8.91±1.73 Gg C a?1，而热喀斯特湖的碳损失则约为140.72（101.80–182.32）g C m?2 a?1。这些过程共同导致了生态系统碳汇能力的下降，预计未来随着热喀斯特现象的加剧，这一趋势将更加明显。

从水文角度来看，冻土融化水对湖泊扩张的贡献主要依赖于区域的气候条件、地质结构和冻土环境。在青藏高原内部流域，湖泊扩张主要由降水驱动，但冻土融化水在其中起到了关键的加速作用。而在一些特定的区域，如西南部和西北部，地下水补给成为湖泊扩张的主要来源，冻土融化水则在这些区域中发挥着重要的辅助作用。冻土退化导致的地下水变化进一步影响了湖泊水位的稳定性，使得一些地区的湖泊水位提前达到临界值，对基础设施和生态系统造成潜在威胁。此外，冻土退化还改变了河流的径流模式，使得在河流源头地区，冻土融化水和冰川融水共同构成了总径流的重要组成部分。然而，随着冻土退化的持续，冰川融水的贡献可能逐渐被冻土融化水所取代，从而影响区域的水资源分配。

冻土退化对碳循环的影响具有显著的时空异质性。在不同深度的冻土层中，SOC的释放速率和分布模式存在差异。例如，在0–3米深度范围内，SOC的释放量随着冻土退化的加剧而增加，而在更深层的冻土中，SOC的释放则相对滞后。这种差异可能与冻土层的热稳定性、水分渗透能力和土壤有机质的分解速率有关。此外，冻土崩塌和热喀斯特湖的形成进一步加剧了SOC的损失，尤其是在一些热点区域，如青海湖地区、可可西里山、玛曲县和祁连山。这些区域的冻土崩塌不仅导致SOC的直接损失，还通过侧向碳迁移、淋溶、光降解和微生物好氧分解等方式释放温室气体。尽管植被的再生可以在一定程度上抵消这些排放，但整体而言，冻土退化导致的碳损失和温室气体排放仍然对区域碳平衡产生显著影响。

研究还发现，冻土退化对碳循环的影响具有明显的区域差异。在某些区域，冻土融化水的增加有助于提高土壤水分含量，从而促进草地的生长和碳固存。而在另一些区域，由于冻土层变薄，其作为水文屏障的功能被削弱，导致土壤水分供应不足，进而影响草地的生物量增长。这种差异可能与不同区域的土壤类型、植被覆盖和冻土退化速率有关。因此，为了更准确地评估冻土退化对区域碳循环的影响，需要结合多源数据和模型模拟，对不同深度的SOC分布进行系统分析，并考虑冻土退化对碳排放模式的长期影响。

此外，冻土退化对温室气体排放的影响也值得关注。研究表明，热喀斯特湖泊的形成不仅减少了生态系统的碳汇能力，还增加了温室气体的排放。在冰封期，水体与大气之间的气体交换受到抑制，导致温室气体在水体中积累，而在冰融化期则发生快速释放。这种周期性变化使得热喀斯特湖泊在不同季节对温室气体排放的贡献存在显著差异。例如，在冰融化期，CH?和CO?的年排放量分别占冰封期的53.6%和10.1%。因此，未来对热喀斯特湖泊温室气体排放的监测应更加关注冰融化期的动态变化，以全面评估其对区域碳平衡的影响。

总体来看，冻土退化对青藏高原的水文和碳循环产生了复杂而深远的影响。一方面，冻土融化水的增加为湖泊扩张和河流径流提供了重要来源，有助于维持区域水资源的动态平衡。另一方面，冻土退化导致的SOC释放和温室气体排放对生态系统碳汇能力构成了威胁。因此，加强冻土变化的监测和研究，系统评估其对水资源和碳循环的影响，对于制定科学的水资源管理政策和应对气候变化带来的生态挑战具有重要意义。未来的研究应进一步探索冻土退化对不同生态系统类型的影响，以及如何通过保护和恢复措施缓解其带来的负面影响。