北半球多年冻土区河流 CO2排放加剧：气候变化下的关键碳循环信号

全球变暖使多年冻土融化，大量土壤碳进入河流，加速河流 CO2排放，但排放的时空变化不明。研究人员整合数据和模型，量化其排放及影响。结果显示当前排放量大，抵消部分陆地碳吸收，且呈上升趋势。这为理解碳循环提供依据，强调其在气候反馈中的作用。

　　在地球的寒温带地区，广袤的多年冻土犹如巨大的 “碳库”，默默封存着海量的土壤有机碳，其蕴含的碳量约占全球碳储存的 50%。然而，随着全球气候变暖的步伐加快，这片冰冻的世界正经历着深刻变革。多年冻土逐渐融化，原本被禁锢的碳元素开始活跃起来，大量涌入周边的河流系统，进而加速了河流中 CO₂的排放。这一现象就像打开了一个 “潘多拉魔盒”，对全球碳循环产生了深远影响。但令人遗憾的是，目前河流 CO₂排放的时空变化情况依旧迷雾重重，这使得科学家们在评估陆地碳 - 气候反馈时困难重重，犹如在黑暗中摸索。

为了驱散这片迷雾，来自兰州大学、中国科学院西北生态环境资源研究院、青海师范大学等多家科研机构的研究人员携手展开了深入研究。他们致力于揭开河流 CO₂排放的神秘面纱，明晰其时空变化规律，以及在陆地碳循环中扮演的角色。研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的研究带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。他们整合了新获取的以及已发表的 5685 个河流 CO₂分压数据，这些数据涵盖了北极和青藏高原地区。同时，运用随机森林模型，结合 25 个环境变量，对河流 CO₂分压进行空间上的扩展模拟。此外，通过耦合模型比较计划第六阶段（CMIP6）的陆地碳吸收模型输出结果，来评估河流 CO₂排放对陆地碳汇的影响。

河流 pCO₂和通量

研究发现，北极和青藏高原不同类型多年冻土区的河流 pCO₂和 CO₂通量呈现出明显差异。北极地区河流的 pCO₂（1,532 μatm）显著高于青藏高原（470 μatm）。在北极，连续、不连续和零星多年冻土区的河流平均 pCO₂高于孤立多年冻土区；而在青藏高原，各多年冻土区的河流 pCO₂较为相似。连续多年冻土区的河流 CO₂通量相对较高。进一步分析影响河流 pCO₂空间分布的环境因素，发现土壤属性在北半球多年冻土区影响最大（44.0%），其次是多年冻土（21.4%）和气候（21.3%），但在北极和青藏高原，各因素的影响程度存在差异。

河流 CO₂排放的空间分布

基于随机森林模型模拟的河流 pCO₂，以及相关的气体转移速度和河流表面积数据，研究人员计算出了河流 CO₂排放及其空间分布。2000 - 2020 年 5 - 10 月，北半球多年冻土区河流平均 CO₂排放量为 200 ± 15 Tg C yr^-1，其中北极地区为 188 ± 14 Tg C yr^-1 ，青藏高原为 11.7 ± 0.8 Tg C yr^-1。该排放量占全球河流 CO₂排放的 10 - 11%，且抵消了北半球多年冻土区 28.1 ± 2.1% 的陆地碳吸收，不同区域的抵消比例差异显著。

2000 - 2020 年排放量的变化

从时间变化来看，2000 - 2020 年北半球多年冻土区河流 CO₂通量以平均每年 1.05 g C m^-2 yr^-1的速度增加，排放量增加速率为 0.42 ± 0.16 Tg C yr^-1，北极和青藏高原均有增加趋势，且 2020 年排放量最高。通过对比 2020 年与多年平均 CO₂通量的异常值以及关键环境条件，发现河流 CO₂排放的时空变化与降水和多年冻土温度趋势相似。

年际变化的驱动因素

通过统计模型量化环境因素对河流 CO₂通量年际变化和趋势的贡献，发现北极地区河流 CO₂通量的年际变化主要受气候因素（57.3%，尤其是降水）影响，其次是多年冻土特征（34.4%）；而青藏高原河流 CO₂通量增加趋势主要由多年冻土因素（55.0%，包括 1 - m 深度地温和活动层厚度）驱动，其次是气候因素（20.9%）。

综合来看，该研究首次全面展示了北半球多年冻土区河流 CO₂排放的时空分布，量化了其对陆地碳汇的影响，明确了不同区域排放变化的驱动因素。这不仅深化了人们对河流碳动态在陆地碳循环中作用的理解，也为地球系统模型（ESMs）准确评估当代和未来气候变化提供了关键依据。不过，研究也存在一定局限性，如原位观测数据的限制使得排放估算仅能达到月尺度，部分地区观测数据缺失等。未来需要进一步完善监测网络，获取更精细的数据，以更精确地评估河流碳释放，为应对气候变化提供更有力的支持。