气候驱动的永冻土融化释放出大量储存的有机碳(Organic Carbon, OC)，经矿化后以二氧化碳(CO2)形式从河流排放至大气。与此同时，变暖及永冻土融化可提高矿物风化速率，从而影响无机碳的释放与封存。然而生物与地质碳循环如何相互作用并共同影响永冻土区河流CO2动态(排放vs.消耗)仍不清楚。研究人员结合CO2排放通量、有机与无机溶质浓度、双碳同位素(δ13C–Δ14C)及地球化学模拟，推断数十至百年的时间尺度上永冻土退化如何影响青藏高原(Qinghai–Tibet Plateau, QTP)河流生物地球化学过程。利用永冻土热退化梯度发现，随永冻土覆盖率降低，河流CO2排放减少，而岩石风化产生的溶质通量增加。区域尺度上，岩石风化产生的净CO2消耗通量约为河流CO2排放的35%，在连续永冻土流域约15%，在不连续或岛状永冻土流域可达100%以上。因此随着永冻土持续融化，化学风化碳通量将愈发重要，甚至可能超过河流CO2排放。本研究厘清了影响冰冻圈及全球碳循环的生物学与地质学碳通量之间的相互作用。
论文解读：岩石风化可抵消永冻土融化诱导的河流CO2排放
研究背景与意义
全球永冻土土壤中储存约1014 Pg有机碳(OC)，气候变暖导致的永冻土融化使这部分古老OC被活化并在河流中矿化，增加大气CO2排放，被视为正反馈于气候变暖。同时，升温及永冻土退化会增强化学风化——硅酸盐和碳酸盐风化消耗大气CO2，而硫化物(如黄铁矿)氧化可促进碳酸盐溶解并释放CO2。目前对生物(OC矿化源)与地质(风化汇/源)碳过程在永冻土河流中的耦合平衡及其对永冻土退化的响应缺乏定量研究，这给评估永冻土景观对全球碳循环的真实反馈带来重大不确定性。该研究以青藏高原(QTP)——北半球以外最大的连片冰冻圈，永冻土广布且对变暖敏感——为对象，沿永冻土覆盖梯度(连续→不连续→零星→岛状)探讨上述科学问题，成果发表于《Nature》。
主要技术方法
研究人员于2016–2023年无冰期采集青藏高原八大水系源头50条河流175个水样，涵盖连续至岛状永冻土区。测定河水CO2分压(pCO2)、CO2排放通量(漂浮室法)、溶解有机碳(DOC)、溶解无机碳(DIC)、主要阴阳离子、溶解硅；测定碳双同位素(δ13C–Δ14C)示踪碳来源，硫氧同位素(δ34S–δ18O)区分硫酸盐来源。采用MEANDIR模型反演硅酸盐/碳酸盐/蒸发岩/硫化物风化贡献，用三端元混合模型量化现代土壤、老永冻土及岩石死碳对水体碳库的分配。结合流域年平均径流、面积、永冻土覆盖率进行空间替代时间分析，并上推至整个研究区估算单位面积碳通量及全区总通量。
研究结果
A permafrost gradient on the QTP
PCA显示PC1代表永冻土–气候梯度(永冻土覆盖、年均温、降水)，PC2代表岩性–湿地–河道陡度梯度。永冻土覆盖与气温显著负相关，且与岩性、降水、湿地覆盖无协变，证明可在控制其它风化影响因子条件下独立评估永冻土对河流生物地球化学的作用。
Solute and carbon sources in QTP rivers
所有河流CO2过饱和(中位230%大气平衡)，pCO2中位650 μatm，CO2排放率中位95 mmol m−2day−1。DIC(1800 μmol L−1)高于DOC(380 μmol L−1)，主要阳离子来自碳酸盐风化(78%)，硅酸盐与蒸发岩各约6%；硫同位素表明23%总阳离子电荷由黄铁矿氧化提供。
Interactions of organic and inorganic carbon pools
Δ14C–δ13C三端元混合表明：河流DOC为现代碳(67%)+老永冻土碳(21%)+岩石碳(12%)，平均表观年龄2232 14C yr；DIC为现代(49%)+老永冻土(34%)+岩石(19%)，年龄3512 14C yr；河水CO2为现代永冻土呼吸(66%)+老永冻土(22%)+岩石(12%)，年龄1655 14C yr。Δ14C-DOC、Δ14C-DIC与Δ14C-CO2相互相关，说明永冻土及岩石来源DOC矿化产CO2，部分呼吸CO2被风化生成的碱度缓冲进入DIC。
Permafrost extent affects river biogeochemistry
多元线性回归与PC1回归显示：随永冻土覆盖升高(连续→岛状降低方向)，pCO2、CO2排放、DOC、DIC及碳酸盐风化阳离子显著增加；硅酸盐风化阳离子微弱降低；蒸发岩与硫化物风化离子及CO2排放对永冻土覆盖不敏感。永冻土范围是这些变量的最主要解释因子。
Balance of CO2emissions and sequestration
单位面积上，河流CO2排放从岛状永冻土区(1.2 tC km−2yr−1)增至连续永冻土区(2.4 tC km−2yr−1)；碳酸盐与硅酸盐风化CO2消耗随永冻土覆盖增加而减小。净风化CO2消耗占河流CO2排放之比：连续永冻土区中位15%(IQR 8–50%)，岛状永冻土区340%(140–530%)，全研究区单站点中位78%。全区合计：河流CO2排放2.3±0.7 TgC yr−1，硫化物风化产CO21.1±0.2 TgC yr−1，碳酸盐风化耗CO21.6±0.3 TgC yr−1，硅酸盐耗CO20.29±0.07 TgC yr−1，净风化CO2消耗0.80±0.32 TgC yr−1(占排放35%)。下游DIC输出(主要由风化驱动)占河流总碳预算50%。
讨论与结论翻译
以往永冻土河流碳研究偏重生物过程(OC矿化致CO2源)，本研究显示永冻土退化暴露的矿物经碳酸盐与硅酸盐风化可消耗相当比例由永冻土OC矿化产生的CO2，在人为时间尺度上将有机–无机碳循环耦合。空间替代时间表明，随永冻土从连续向不连续/岛状过渡，河流CO2源减弱而风化CO2汇增强，后者可能最终超过前者。在碳酸盐与硅酸盐风化主导区(如青藏高原大部)，永冻土融化额外产生的CO2可在人类时间尺度被部分抵偿；而在富硫化物区则可能加剧正反馈。碳循环模型须同时纳入生物–有机与地质–无机过程才能准确评估永冻土退化的净气候反馈。主要结论：岩石风化产生的净CO2消耗通量在研究区平均为河流CO2排放的35%，在连续永冻土流域约15%，在不连续或岛状永冻土流域可超100%；化学风化碳通量随永冻土持续退化将日益重要，甚至可能超过河流CO2排放，从而部分抵消永冻土融化引起的碳释放。
