青藏高原上，这两个重要循环发生了怎样的变化？
2022/9/28 7:00:00 科学大院
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碳循环(点这里复习)、氮循环(点这里复习)都是地球生物圈的重要组成。过去青藏高原的相关研究普遍显示，青藏高原正在成为一个更绿、更湿、更符合人类期望的样子。那么这里的碳循环和氮循环会发生什么变化？
图 青藏高原风景
图 青藏高原风景
在中国科学院成都生物研究所，高寒草地与湿地生态项目组陈槐研究员及其团队已在这片秘境上下求索了十余年。尽管过去对青藏高原碳氮循环动态变化已有众多研究，但对青藏高原各生态系统的碳氮循环过程及其关键性因子尚未进行系统梳理，制约了区域尺度生态功能维持策略和适应性管理。
图 青藏高原野外实验布设
因此，陈槐研究员9月27日在Nature Reviews | Earth & Environment发表综述文章，在其2013年发表在Global Change Biology上关于气候变化和人类活动对青藏高原生物地球化学循环影响的研究基础上，与其合作者综述了近二十年青藏高原碳氮循环模型与实验研究的两百余篇相关论文和大量样点通量监测数据，总结了青藏高原上的碳氮循环变化及驱动机制，指出草地可持续管理、生态工程和绿色技术发展将抑制青藏高原温室气体排放，有助于维持青藏高原的碳汇功能。
青藏高原上的碳库和氮库仍在沉睡
碳循环指的是碳元素在四个生态圈(地球的生物圈、土壤圈、水圈和大气圈)中，相互交换和迁移的过程，碳从其他生态圈进入土壤圈的过程相对而言都较为缓慢，但将碳从土壤圈中大量释放出来则是我们人类活动中不可避免的一部分。事实上，往大气圈里排放二氧化碳或其他含碳气体的行为，就对应着碳排放。
图 碳氮循环原理图
在没有人类干扰的时候，地球植被通过光合作用吸收的二氧化碳和生物排出的二氧化碳基本上达到了平衡，青藏高原作为干冷荒寂的第三极，是世界上人类干扰最少的区域之一，然而工业化革命以后的大气中二氧化碳浓度的上升速率是非常快的，全球变暖对这个孤寂而敏感的区域也展开了攻势。
全球目前的增温速度为每十年0.2℃，而青藏高原的增温速度翻了一倍，青藏高原同样在增长还有人口和畜牧量，这些都给这个脆弱系统带来了压力。
幸运的是，千百万年来以地形和气候优势而在这片区域封存了的巨大碳库和氮库在冰川和冻土的保护下仍在沉睡。研究结果显示，青藏高原土壤表层1米的碳储量高于480亿吨，占了我国碳储量的一半以上，表层3米的碳储量更是高达736亿吨，比地球上所有的植物的碳量还要多。并且在全球变化的情况下，这些库存显然还处于稳定状态。
研究还发现，由于气候变化和恢复工程，青藏高原的生态系统净生产力正在不断增加，直接表现为我们可以通过遥感卫星看到青藏高原正在变绿。
青藏高原植被生产力的增加超过了碳的损失，包括二氧化碳和甲烷的排放，青藏高原自然生态系统每年碳净吸收约为44百万吨，相当于吸收了我国两千多万人的碳排放，这对于助力我国实现碳中和目标算是得天独厚的条件。
这么看来好像青藏高原的情况还比较乐观，然而并非如此。湿地和水体，特别是研究团队长期观察监测的泥炭地，是青藏高原排放的主要来源，占了整个高原甲烷排放的90%以上。
虽然草地吸收甲烷能力的提升部分抵消了这部分甲烷排放的增加，然而数据分析结果表明青藏高原是一个每年约有0.96百万吨的甲烷排放源，而等量甲烷的温室效应是二氧化碳的二十倍以上，因此对影响青藏高原碳氮循环主要因子的研究刻不容缓。
谁在影响青藏高原的碳氮循环？
青藏高原生物地球化学循环中的四个重要限制为：植物生长的温度限制、生态系统的氮限制、土壤微生物的碳限制和干旱半干旱生态系统的土壤水分限制。
图 青藏高原生物地球化学循环中的四个重要“阀门”及其驱动因子
气候变暖缓解了高原植物生长中受到限制的两个限制—温度和氮，促进了植物生长；冰川和冻土融化不仅导致受永久冻土层影响的生态系统中植物生产力和土壤呼吸增加，而且还导致受解冻影响的水域中的沉积物和气体排放增加；另外随着与升温相伴而来的年际间降水量变异性的增加，土壤湿度也发生了改变，并进一步调节了变暖带来的一系列效应。
持续放牧采食了草场的植被，使土壤呼吸增加，但也因此植物将更多的生物量留给了地下部分，并且输入了富含氮的粪便，尽管这种效应会被气候变暖部分抵消，这仍有助于维持土壤碳氮储量。
此外，实现科学放牧有助于解决冻土融化背景下过度放牧带来的土壤侵蚀、有机碳矿化和植物碳输入减少。在未来气候变化下，人类活动强度变化将进一步影响草原上的循环。面对未来趋势发展中冻土和草地退化后的碳储量存在被调动风险的情况下，我们仍期望青藏高原实现碳汇功能的可持续发展。
保护青藏高原，需要更多行动
为了应对全球变化进一步影响下的青藏高原生物地球化学循环，青藏高原的守护者们必须行动起来。
《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035 年)》中“青藏高原生态屏障区生态保护和修复重大工程”是该规划的九个重大工程之一，青藏高原将采取更为积极合理的恢复和碳减排措施，包括合理的草地管理、生态工程和绿色技术发展，这些措施将抑制青藏高原温室气体排放，有助于它实现可持续发展的碳汇功能。
图 积极的恢复和碳减排措施有助于实现可持续发展的碳汇功能
在未来支持青藏高原生态系统中科学和可持续性的管理和生态补偿政策制订，将需要完善对整个高原各生态系统的碳、氮、磷储量开展详细普查和估算，构架通量监测和原位模拟实验研究网络。
另外，开展对青藏高原生态系统磷循环及其机理研究和建立基于过程的涵盖人类活动情景的多尺度生态系统模型也将有助于进一步摸清青藏高原生物地球化学循环过程。
本文图片来源自中科院成都生物所陈槐课题组。
作者单位：中国科学院成都生物研究所 中国科学院成都分院策划：毛萍 张轶佳
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