融化的永久冻土土壤碳中二氧化碳的净释放预计在本世纪更早发生

《SCIENCE ADVANCES》：Net release of CO2 from thawing permafrost soil carbon predicted to occur earlier in this century

　　

加速的永久冻土融化可能会释放深层（>3米）冻结的土壤碳，以二氧化碳（CO₂）的形式存在，但其规模仍然不确定，因为当前的地球系统模型（ESM）缺乏深层碳过程。研究人员使用更新的ORCHIDEE-MICT模型，该模型模拟了更新世叶多马（Yedoma）形成和全新世泥炭地发育，预测了气候变化下北方（>30°N）碳的响应。与原始模型相比，纳入这些深层碳库改善了与观测数据的一致性，并在三个未来情景下，由于加速的活性层加深导致的深层碳分解，将1900年至2100年间的净CO₂吸收减少了47至74拍克碳。在高排放路径下，北方土壤碳平衡从碳汇转变为32拍克碳的碳源，将早期研究报告的逆转时间提前到21世纪。与野外数据一致，研究人员的模型显示较冷的土壤保留了更多不稳定碳——这与许多耦合模式相互比较项目（CMIP）模型的假设相反——这有助于解释它们持续存在的碳汇偏差。研究结果强调了在ESM中表征永久冻土碳的数量和质量的重要性。

**研究背景与问题：**

全球北方永久冻土区储存了全球近三分之一（1460至1600 Pg C）的土壤有机碳（SOC），其变暖速度是全球平均水平的2至4倍。这一巨大SOC库对持续气候变化的响应是关键的关注点。近期全年二氧化碳（CO₂）通量测量汇编显示，过去十年中，之前监测不足的非夏季CO₂排放显著增加，导致超过30%的永久冻土生态系统（主要是苔原）成为净CO₂源。诸如突然解冻和野火等干扰预计会进一步增强排放。由于对永久冻土碳过程的描述不足，来自耦合模式相互比较项目第六阶段（CMIP6）的当前地球系统模型（ESM）未能捕捉到永久冻土区当代的CO₂源区，反而预测了土壤碳的持续累积。在将额外过程（如野火和突然解冻）纳入ESM之前，完善现有的永久冻土碳过程建模同样重要。大多数CMIP6模型在土壤碳模块中仍缺乏关键的水久冻土特有特征，如沿SOC剖面的垂直分解、冻结诱导的分解抑制、冻裂搅动驱动的SOC混合以及SOC的热绝缘效应。这些遗漏不仅导致对永久冻土范围和高纬度碳储量的低估，也阻碍了对活性层增厚如何影响未来永久冻土碳分解的理解。特别是，在泥炭地深度达约10米、在叶多马（Yedoma）沉积物中深度达约20米的深层碳沉积物，在CMIP6模型中仍然缺失，尽管它们储存了大量SOC。这些深层冻结碳库含有高比例的不稳定土壤碳，这些碳目前被保存而未被分解，但可能在解冻后迅速被动员。虽然未来气候变化下活性层增厚的预测被认为是“高度可信的”，但深层不稳定碳暴露于更高温度下将在多大程度上加速永久冻土碳损失仍不确定。

**研究内容与结论：**

为了更好地理解永久冻土解冻与深层碳分解之间的相互作用，研究人员提出了一个新的、更现实的工业化前SOC累积模拟方案，并将其应用于专门为高纬度过程设计的ORCHIDEE-MICT模型。该方案考虑了（i）自末次冰期以来形成叶多马沉积物的沉积过程，以及（ii）基于泥炭年龄重建的全新世北方泥炭地的瞬态发育。研究人员使用新方案和当前ESM常用的标准方案，在北方地区（>30°N）进行了SOC累积模拟，随后进行了1900年至2014年的历史模拟和2015年至2100年在三个共享社会经济路径情景（SSPs）下的未来预估。通过比较新旧方案的模拟结果，研究人员发现纳入深层碳显著减少了1900年至2100年间北方土壤净碳汇的预估，甚至在高排放情景下将土壤碳平衡从净碳汇转变为净碳源。该研究发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

**主要关键技术与方法：**

研究人员使用更新后的ORCHIDEE-MICT模型（版本8.4.1），该模型土壤碳模块基于CENTURY模型。关键技术方法包括：1）**沉积过程模拟**：通过垂直平流方程模拟叶多马沉积物的形成，其沉降速率来自实地测量的叶多马沉积物高度-年龄斜率，并使用现代叶多马分布图限制模拟范围。2）**瞬态泥炭累积模拟**：整合来自2860个定位泥炭岩心的放射性碳测年数据，转化为每千年间隔的网格化泥炭群地图，从而模拟全新世期间具有空间变异起始时间的泥炭碳累积。3）**模型评估与敏感性分析**：使用基于机器学习的升尺度产品评估历史陆地生态系统CO₂通量，并通过额外模拟来区分土壤碳数量和质量对未来SOC响应的不同影响。仿真的气候驱动数据来自跨部门影响模型比较项目3b的IPSL-CM6A-LR气候模型。

**研究结果：**

* **纳入深层碳过程后预工业化总有机碳（TOC）的变化：** 与旧方案相比，新方案模拟的北方地区（>30°N）预工业化TOC增加了226 Pg C（至2028 Pg C）。额外的TOC几乎全部集中在永久冻土区，主要由叶多马植物功能类型（PFT）贡献（70%）。额外TOC的64%储存在浅层土壤（0-2米），39%存在于3米以下。重要的是，新方案下快速周转的“活性”和“慢速”碳库增加，而“惰性”碳库减少，表明土壤碳质量变得更具分解性。土壤碳的热绝缘效应促进了高纬度冷区的SOC累积。

* **历史时期TOC的变化：** 在1900年至2014年的历史模拟中，新旧方案均显示TOC净增加，但新方案的TOC增量（32 Pg C）比旧方案（48 Pg C）低33%。这种较低的增量主要发生在永久冻土区（89%），并由常规PFT、叶多马PFT和泥炭PFT共同贡献。

* **评估模拟的历史陆地生态系统CO₂通量：** 与基于机器学习的升尺度产品相比较，模型总体上捕捉到了2001年至2014年北极-北方区（ABZ）的年均和季节性总初级生产力（GPP）、生态系统呼吸（R_eco）和净生态系统生产力（NEE）。新方案模拟的苔原生态系统表现为弱碳汇（-0.02 Pg C year^-1），接近于ML产品估算的弱小碳源（0.07 Pg C year^-1），优于旧方案模拟的较强碳汇（-0.13 Pg C year^-1），这得益于新方案中更准确的碳源区分布。CO₂通量对气温的敏感性与ML产品匹配良好。

* **至2100年预测的未来TOC变化：** 在低排放情景（SSP1-2.6）下，新方案模拟的TOC持续增加。但在高排放情景（SSP3-7.0和SSP5-8.5）下，新方案模拟的TOC逆转点比旧方案提前约10年（约2055年）。由于逆转前的累积速率较低而逆转后的损失速率较高，到2100年，新方案下TOC净损失为3至32 Pg C。这种净损失完全由叶多马沉积物驱动。泥炭PFT在高排放情景下也开始在2060年后出现碳损失，而在旧方案中则持续累积。

* **新方案中更高TOC损失的机制：** 新方案更高的碳损失由更高的土壤碳输出通量（Carbon_out）驱动，这主要来自叶多马PFT。这种差异并非由土壤温度差异引起，而是由于活性层厚度（ALT）的加速加深导致暴露于未冻结土壤中的深层碳（SOC_ALT）数量显著增加。新方案模拟的土壤在1900年具有更高的不稳定碳比例（f_a+s），尤其是在高纬度冷区，这源于SOC热绝缘效应降低了土壤温度，减缓了不稳定碳向惰性碳的转化。

* **对未来SOC响应预测的启示：** 新方案显示，纬度越高，土壤不稳定碳比例（f_a+s）越高。这与六个可比的CMIP6模型形成对比，后者中f_a+s随纬度升高保持不变或下降。当使用与新方案相同的总SOC量但采用不同CMIP6模型的SOC质量分布时，这些模型仍预测SOC净增加，而使用旧方案SOC质量（与新方案相似）的模拟则预测SOC净损失。这表明CMIP6模型对未来SOC响应的预测能力受限于其对SOC质量（尤其是高纬度地区不稳定碳比例）的错误表征。

**讨论与结论：**

将深层碳累积（包括更新世叶多马沉积和全新世泥炭地发育）纳入模型，增加了土壤碳储量并使其碳质量转向更易分解状态。与原始模型相比，更新后的模型与基于测量的土壤碳储量、陆地生态系统CO₂通量和土壤碳质量的估计值吻合更好。其预测表明，在三个SSP情景下，1900年至2100年间北方土壤碳的净碳汇显著减少了47至74 Pg C。在高排放情景下，深层古老土壤碳的纳入将原始模型预测的净累积碳增益（43至65 Pg C）逆转为净累积损失（-3至-32 Pg C），并将土壤碳平衡由增益转为损失的转变时间提前到21世纪内。这种更高的土壤碳损失主要由深层永久冻土碳（特别是叶多马沉积物）的逐渐降解驱动，这些碳随着21世纪中叶后活性层深度（ALT）的加速加深而日益暴露。土壤碳质量的转变对SOC动态的影响远小于土壤碳数量增加的影响。与实地测量相比，CMIP6模型在土壤碳质量纬度分布上的巨大差异有助于解释为何它们预测未来北方土壤碳库增加。当前模型版本中未纳入的突然解冻过程（如热喀斯特湖形成）可能会进一步加剧深层永久冻土的碳释放。研究结论强调，在评估北方土壤碳平衡时，纳入深层碳动态至关重要，并为此类过程纳入ESM提供了有价值的方法。