青藏高原高山湿地土壤有机碳储量的增加：未来情景下的研究结果

《Global and Planetary Change》：Increasing soil organic carbon stock of alpine wetlands on the Tibetan Plateau: Results of future scenarios

高原湿地表层30厘米土壤有机碳（SOCD_30 cm）时空变化及碳封存潜力研究。基于WetlandC与TEM耦合模型，模拟了SSP1-2.6至SSP5-8.5四种气候情景与禁牧（Gp）、现状放牧（Gci）、高强度放牧（Ghi）三种管理情景下，青藏高原湿地SOC密度及储量变化。结果显示SOCD_30 cm东南高西北低格局持续，2030年密度范围1.95-23.32 kg C m-2，2060年达2.01-28.96 kg C m-2，期间约98.86%-99.06%区域实现SOC累积，总固碳量133.03-150.24 Tg C。禁牧情景下碳封存量最高，达150.24 Tg C。气候变化与放牧管理协同驱动SOC积累，高原湿地未来仍具重要碳汇功能。

　　在青藏高原的高山湿地中，表层土壤有机碳（SOC）被视为一个敏感的碳库。随着全球气候变化的加剧，青藏高原预计将在未来经历变暖和湿润化的趋势。这种变化可能会对植被生产力和异养呼吸产生双重影响。然而，关于高山湿地SOC未来变化的具体趋势，目前尚不明确。为了更好地理解这一问题，本研究基于SSP1–2.6、SSP2–4.5、SSP3–7.0和SSP5–8.5这四种未来气候情景，以及三种放牧管理情景——禁牧（Gp）、当前强度放牧（Gci）和高强度放牧（Ghi），采用结合了WetlandC模型与陆地生态系统模型（TEM）的模拟框架，对青藏高原高山湿地SOC从2015年到2060年的变化进行了预测。

研究结果显示，在十二种未来情景下，青藏高原高山湿地表层30厘米土壤有机碳密度（SOCD_30 cm）的分布呈现出明显的空间异质性，东南部地区SOC密度较高，而西北部地区则相对较低。具体而言，到2030年，SOCD_30 cm的范围为1.95?+?0.02–0.00至23.32?+?0.00–0.36?kg C m?2，到2060年，该范围进一步扩大至2.01?+?0.04–0.00至28.96?+?0.00–3.09?kg C m?2。从2030年到2060年，SOCD_30 cm的变化范围在?1.23?+?0.10–0.03至9.55?+?0.05–0.83?kg C m?2之间，98.86?%?+?0.17?% -0.02?%–99.06?%?+?0?.07?% -0.00?%的湿地区域将积累SOC。尽管不同情景下SOC密度的年增长率随时间有所下降，但总体而言，SOC密度在这些区域仍将持续上升，直至2060年。与此同时，湿地区域的表层30厘米SOC储量预计将从2030年的667.35?+?1.80–3.54–674.00?+?2.80–2.09 Tg C增加到2060年的800.80?+?5.59–4.11–823.86?+?6.03–12.10 Tg C，期间的碳封存总量将达到133.03?+?2.90–2.09–150.24?+?4.40–8.29 Tg C。这些结果表明，未来气候变化对青藏高原高山湿地SOC的积累具有积极影响。

湿地虽然仅占全球陆地面积的5–8%，但其土壤碳储量却占全球陆地土壤碳储量的20–30%（Mitsch et al., 2012）。因此，湿地在全球碳循环中扮演着重要角色。湿地中的水浸现象会抑制土壤有机碳的分解过程（Chen et al., 2023），这使得湿地在空间分布上表现出一定的异质性，但总体而言，湿地具有较高的碳密度，并且通常作为碳汇发挥作用（Yang et al., 2022）。湿地作为碳汇的功能可以对气候变化产生负反馈，因此维持其生态功能对于缓解气候变化具有重要意义。然而，湿地SOC储量未来变化的不确定性可能会影响我们对湿地在应对气候变化方面作用的理解，特别是对于巴黎协定气候目标的实现构成挑战。

青藏高原的高山湿地面积约为6.35×10? km2，占中国湿地总面积的38.26%（Mao et al., 2020）。近年来，青藏高原经历了显著的变暖和适度湿润化趋势。1979年至2020年间，青藏高原的升温速率达到了0.34?°C/十年，是全球平均升温速率的两倍（Kuang and Jiao, 2016; You et al., 2021）。不同研究显示，青藏高原的年降水量增加速率在3.99至12.00?mm/十年之间变化（Kuang and Jiao, 2016）。未来，青藏高原预计将继续变暖和湿润化（Deng et al., 2023）。SOC储量在青藏高原中尤为重要，因为严酷的气候条件限制了植被的生长，从而影响了植被碳库的容量（Piao et al., 2019）。SOC储量在高山生态系统中对气候变化和人类活动，如放牧，表现出高度的敏感性（Chen et al., 2022; IPCC, 1996; Ren et al., 2023; Wang et al., 2022），这些活动在区域碳循环中具有关键作用。例如，青藏高原高山湿地表层30厘米SOC储量在2000年至2018年间从518.06 Tg C增加到607.67 Tg C，年均碳汇量为4.98 Tg C yr?1（Jiang et al., 2024）。目前，针对青藏高原高山湿地SOC储量未来变化的研究主要集中在整个区域的陆地生态系统，如草地、森林和农田（Gao et al., 2023; Yi et al., 2019），或部分区域，如三江源地区、祁连山、西藏北部冻土区和青海地区（Liu et al., 2021; Liu et al., 2022a; Zhao et al., 2013; Zhao et al., 2022）。因此，青藏高原高山湿地表层SOC储量未来变化的具体模式仍不清楚。

未来气候变暖将促进湿地中植被生长和枯落物碳的分解（Cui et al., 2021; Yan, 2022），从而增加SOC库的输入。然而，气候变暖也会加速SOC的分解（Liu et al., 2019; Song et al., 2018），导致碳排放的增加。降水的增加则可能通过增强淋溶作用和微生物活动，促进植被生长和枯落物碳的分解（Wang et al., 2021; Yoon et al., 2014; Zhu et al., 2021），但同时抑制SOC的分解（Yoon et al., 2014），有利于SOC的积累。由于碳输入与输出之间的平衡尚不明确，因此难以准确估计青藏高原高山湿地表层SOC储量的变化方向和幅度。

作为青藏高原的主要人为活动之一，放牧在该地区具有悠久的历史，并影响着超过60%的区域（Chen et al., 2013; Sandermana et al., 2017; Zhu et al., 2023）。放牧通过消耗地上生物量、增加排泄物、影响土壤结构等方式对SOC产生影响（Liu et al., 2018; Wang et al., 2020; Wu et al., 2010）。在未来的气候变暖和湿润化背景下，放牧管理策略，如禁牧、当前强度放牧和高强度放牧，对SOC的贡献仍需进一步定量研究。研究青藏高原高山湿地SOC储量的未来变化对于缓解气候变化和优化区域碳管理策略具有重要意义。

基于过程的模型为预测高山湿地SOC的时空变化提供了一种有效的方法，尤其是在缺乏足够的SOC均匀分布和重复采样数据的情况下。然而，现有的一些生态系统过程模型，如陆地生态系统模型（TEM）（Tian et al., 2003）、CENTURY模型（Parton et al., 1993）和罗思阿姆斯特德碳模型（RothC）（Jenkinson and Rayner, 1977），在模拟湿地中枯落物碳分解过程时存在不足。我们之前开发的WetlandC模型（Jiang et al., 2024）能够更准确地表达湿地中枯落物碳在厌氧条件下的分解过程，这在现有模型中未能充分体现。通过将WetlandC模型与TEM模型相结合，我们建立了一个模拟框架，用于预测青藏高原高山湿地SOC的时空变化。这一框架已经被应用于模拟2000年至2018年间青藏高原高山湿地SOC的变化（Jiang et al., 2024）。

本研究旨在回答以下两个科学问题：（1）在未来的气候变化和放牧管理策略下，青藏高原高山湿地SOC的空间变化将如何？（2）在这些情景下，青藏高原高山湿地表层土壤将在2030年至2060年间封存多少碳？首先，我们使用基于WetlandC模型和TEM模型的已建立模拟框架，对青藏高原高山湿地SOC在十二种未来情景下的变化进行了预测，这些情景包括四种SSP气候情景（SSP1–2.6、SSP2–4.5、SSP3–7.0和SSP5–8.5）以及三种放牧管理情景（Gp、Gci和Ghi）。其次，以SSP2–4.5-Gci情景为例，我们分析了2030年和2060年青藏高原高山湿地SOC的空间分布模式。然后，我们对不同气候情景和放牧管理策略下SOC的时空变化进行了分析和比较。最后，利用CAS_Wetlands数据集（Mao et al., 2020），我们对青藏高原高山湿地在2030年至2060年间不同情景下的碳封存量进行了估算。

在模拟框架中，我们特别关注了湿地中枯落物碳的分解过程。湿地中的水浸作用会限制枯落物碳向土壤的转移，并导致部分地上枯落物在土壤界面以上在厌氧条件下分解。因此，为了更准确地模拟这一过程，我们在WetlandC模型中增加了对湿地中厌氧条件下地上枯落物碳分解的表达。这一改进使得模型能够更全面地反映湿地中碳循环的复杂性，从而提高对SOC变化的预测能力。

从空间变化的角度来看，不同未来情景下，青藏高原高山湿地SOC密度表现出相似的空间分布模式，即西北部地区SOC密度较低，而东南部地区SOC密度较高。在十二种未来情景下，2030年SOC密度的范围为1.95?+?0.02–0.00至23.32?+?0.00–0.36?kg C m?2，2060年则进一步扩大至2.01?+?0.04–0.00至28.96?+?0.00–3.09?kg C m?2。以SSP2–4.5-Gci情景为例，2030年和2060年高山湿地SOC密度的变化表明，东南部地区的SOC积累趋势更为显著。这一空间分布模式的形成与青藏高原的高海拔地形密切相关，该地区因其独特的地理位置，被称为“世界第三极”（Qiu, 2008），这导致了从边缘向内陆的显著高程梯度，以及环境因素，特别是温度的显著变化。根据霍普金斯生物气候定律，随着纬度、经度和高程的增加，植物开始生长的时间会相应延迟（Vitasse et al., 2018）。因此，青藏高原高山湿地的生态系统结构和功能在很大程度上受到高程梯度的影响。

此外，高程对SOC空间分布模式的维持机制也值得深入探讨。高程梯度不仅影响温度，还可能通过改变水分条件、植被类型和土壤性质等途径，对SOC的积累和分解产生复杂的影响。例如，较高的海拔可能导致较低的温度，从而减缓SOC的分解速率，增加其积累潜力。同时，高程变化可能影响降水模式，进而影响SOC的输入和输出。因此，高程在青藏高原高山湿地SOC空间分布模式的形成和维持中可能发挥着关键作用。

本研究的结论表明，结合WetlandC和TEM模型的模拟框架能够有效预测青藏高原高山湿地SOC的时空变化。我们的主要发现包括：（1）在不同未来情景下，青藏高原高山湿地表层SOC密度的空间分布模式保持相对稳定，东南部地区SOC密度较高，而西北部地区相对较低；（2）SOC密度在这些区域将持续增加，直至2060年；（3）SOC储量在2030年至2060年间将显著增加，碳封存总量将达到一定水平；（4）放牧管理策略对SOC变化具有重要影响，禁牧和当前强度放牧可能比高强度放牧更有利于SOC的积累。

本研究的作者包括Mengdi Jiang、Wen Zhang、Jianbao Liu和Qing Zhang。Mengdi Jiang负责撰写和修改论文、可视化、验证、软件开发、资源获取、方法论、调查、形式分析、数据整理和概念设计。Wen Zhang参与了论文的撰写和修改、可视化和验证，并在方法论和形式分析方面做出了贡献。Jianbao Liu提供了资源支持。Qing Zhang负责论文的撰写和修改、可视化、验证、监督、资源获取、项目管理、方法论和资金获取。这些作者共同完成了本研究的各项工作，并确保了研究结果的准确性和可靠性。

本研究未引用的参考文献包括Deng和Ji（2023）的研究。作者声明他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本研究的报告。此外，本研究得到了云南省重点研发计划（项目编号：202303?AC100009）和青藏高原地球系统基础科学中心（NSFC项目编号：41988101）的支持。这些资金来源为本研究提供了必要的资源和技术支持，确保了研究的顺利进行。

综上所述，本研究通过结合WetlandC和TEM模型的模拟框架，对青藏高原高山湿地SOC的未来变化进行了系统分析。研究结果表明，未来气候变化和放牧管理策略将对SOC的积累产生重要影响，特别是在空间分布模式上。通过量化这些影响，我们希望能够为青藏高原的碳管理和气候变化缓解提供科学依据。同时，本研究也强调了高程在SOC空间分布模式中的作用，为进一步理解青藏高原高山湿地的碳循环机制提供了新的视角。这些发现不仅有助于评估青藏高原在应对气候变化中的碳汇潜力，也为制定有效的碳管理政策提供了参考。