青藏高原热喀斯特湖甲烷排放：冰融期关键作用与碳气候反馈新认知

本期推荐：中国科学家团队通过整合野外观测与机器学习模型，首次量化了青藏高原热喀斯特湖冰融期CH4排放量（11.2±1.6 Gg C yr-1），揭示其贡献全年排放量的17±4%。研究发现尽管热喀斯特湖仅占冻土区0.2%面积，其年排放量（65.5±10.0 Gg C yr-1）可抵消高寒草地6.4%碳汇。该成果为理解高山冻土碳循环反馈机制提供了关键数据支撑。

　　在全球变暖背景下，冻土区碳循环反馈机制成为气候研究的焦点。作为冻土退化标志性特征的热喀斯特湖（thermokarst lakes），其甲烷（CH₄）排放量长期被低估，尤其在冰融期的释放动态更鲜为人知。青藏高原作为全球最大的高山冻土区，储存着15.3-46.2 Pg有机碳，近年来热喀斯特湖数量以59%的增速扩张，但相关CH₄排放评估仍存在巨大空白。这一知识缺口严重阻碍了地球系统模型（ESMs）对冻土碳-气候反馈的准确预测。

针对这一科学难题，中国科学院西北生态环境资源研究院Cuicui Mu领衔的研究团队，通过整合2019-2023年间对218个热喀斯特湖的野外观测数据（涵盖冰封期与无冰期），结合机器学习建模，首次系统评估了青藏高原热喀斯特湖当前及未来的CH₄排放格局。该突破性成果于2025年3月发表在《Nature Communications》上。

研究采用多学科交叉方法：1）通过冰下采样（图1b-e）测定溶解CH₄浓度及δ¹³C同位素；2）运用薄边界层法计算扩散通量；3）采用蒙特卡洛模拟进行区域尺度升算；4）基于随机森林（RF）模型预测未来湖体扩张；5）结合共享社会经济路径（SSPs）情景预估排放变化。

研究结果部分：
"CH₄ emission pathways"揭示冰封期溶解CH₄浓度（中位数2.61 μmol/L）显著高于无冰期（0.88 μmol/L），同位素分析（α_C=1.038）表明产甲烷途径以乙酸发酵为主且伴随显著氧化作用。

"CH₄ flux in ice-melting and ice-free periods"量化显示冰融期排放中水体存储（71.1%）和冰泡存储（28.9%）的贡献，而无冰期冒泡排放（84.4%）占主导。高山沼泽草甸区湖泊排放通量最高（30.7 g m^-2 yr^-1）。

"Annual emissions"计算出当前年排放总量65.5±10.0 Gg C，相当于抵消高寒草地6.4%碳汇。冰融期贡献在沼泽草甸区达25.8%，显著高于荒漠区（5.2%）。

"Expansion of thermokarst lake"预测至2100年湖体面积将增长85.9-94.9%，SSP5-8.5情景下CH₄排放量将达143.8 Gg C yr^-1。考虑湖冰消退因素后，冰融期排放比例下降但总排放量增加更显著。

结论部分强调：该研究首次证实高山热喀斯特湖冰融期CH₄释放的全球重要性，其动态与北极湖泊存在显著区域差异（如乙酸发酵主导vs北极CO₂还原主导）。通过建立"湖体扩张-冰情变化-排放通量"的定量关系，为ESMs模型提供了关键参数。研究者建议未来应加强：1）湖冰物候空间异质性监测；2）微生物群落动态研究；3）植被演替对产甲烷途径的影响评估。这项研究不仅改写了高山冻土碳循环的认知框架，也为制定双碳目标下的冻土区管理策略提供了科学依据。