中國科學(xué)家揭開湖泊“藏碳”密碼

湖泊雖僅占地球表面積的1.8%，卻在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色，其有機(jī)碳封存量超過全球的10%，這一數(shù)字可與海洋和土壤媲美。然而，在全球變暖背景下，湖泊中有機(jī)碳的長期動態(tài)變化仍然存在諸多未知。盡管有研究顯示，溫度是影響湖泊有機(jī)碳封存的關(guān)鍵因素，但其具體機(jī)制尚未厘清。

 

近日，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所（以下簡稱南京地湖所）研究員隆浩聯(lián)合南京信息工程大學(xué)教授程軍、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）副教授陳煒哲等多位國內(nèi)外帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊，首次揭示了溫度季節(jié)性在調(diào)控湖泊有機(jī)碳埋藏中的關(guān)鍵作用。該研究以溫度季節(jié)性調(diào)控湖泊有機(jī)碳埋藏（Temperature seasonality regulates organic carbon burial in lake）為題，發(fā)表在國際綜合性學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》上。

 

追溯1.2萬前的青藏高原氣候與湖泊

 

為了追根溯源尋找依據(jù)，隆浩帶領(lǐng)團(tuán)隊將研究重點放在青藏高原全新世（約1.2萬年前）時期的湖泊上。“選擇青藏高原，是因為它對氣候變化高度敏感，被譽(yù)為‘氣候變化的放大器’，其眾多湖泊為研究溫度長期變化如何影響湖泊碳埋藏提供了理想的自然實驗室。”隆浩在接受《中國科學(xué)報》采訪時解釋說，“將研究時間區(qū)間定為全新世，則是因為那時的地球進(jìn)入穩(wěn)定溫暖期的重要階段，為研究提供了獨特的窗口。”

 

隆浩進(jìn)一步介紹道，全新世早中期氣候變化主要受自然因素驅(qū)動，因此能夠準(zhǔn)確識別溫度變化對湖泊碳埋藏的自然影響，而不受人類活動的干擾。而且，全新世經(jīng)歷了不同的冷暖氣候波動，為研究人員分析湖泊碳循環(huán)對氣候變化的長期響應(yīng)提供了天然實驗室。

 

湖泊沉積中埋藏的有機(jī)質(zhì)。  受訪者供圖

確定研究對象后，研究人員通過青藏高原南部采集的湖泊沉積序列，分析了一種廣泛分布于湖泊沉積物中的細(xì)菌合成膜脂分子——支鏈甘油二烷基甘油四醚（brGDGTs），定量重建了全新世的溫度變化。“brGDGTs是一種由細(xì)菌合成的化合物。這些細(xì)菌會根據(jù)環(huán)境溫度的變化，調(diào)整自身細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。正因為這種特性，brGDGTs 可以用來推測過去的氣候變化。此外，brGDGTs 在沉積物中能長期保存，這讓它成為研究地質(zhì)歷史時期環(huán)境變化的重要工具?？茖W(xué)家們通過研究現(xiàn)代湖泊沉積物中brGDGTs 的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)它們與溫度有很強(qiáng)的相關(guān)性?；谶@些研究，已經(jīng)建立起一套用于估算歷史溫度的‘溫度標(biāo)尺’，這為我們更精確地重建古氣候帶來了極大的便利。”論文第一作者、南京地湖所博士研究生周聲芳表示。

 

首次厘清溫度與湖泊碳封存的關(guān)系

 

研究結(jié)果顯示，青藏高原南部地區(qū)的溫度在早中全新世時較低，而在中全新世顯著上升。通過整合青藏高原范圍內(nèi)已發(fā)表的13條brGDGTs記錄，再結(jié)合古氣候模式（TraCE-21ka）模擬結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些湖泊沉積物中的brGDGTs記錄主要反映了無冰季的積溫變化。而且，這一變化與不同緯度無冰季的持續(xù)時間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。

 

研究發(fā)現(xiàn)，由于在全新世的早中期季節(jié)性溫度變化明顯，相應(yīng)地湖泊沉積物中的有機(jī)碳含量較高，而在季節(jié)性溫度變化較弱的中晚期，湖泊沉積物中的有機(jī)碳含量則明顯降低，意味著季節(jié)性溫度差異顯著有助于湖泊有機(jī)碳的長期封存，季節(jié)性溫差縮小則可能削弱湖泊的碳封存能力，導(dǎo)致更多碳釋放到大氣，加劇溫室效應(yīng)。這一結(jié)論也得到了陸面過程碳循環(huán)模擬（ORCHIDEE）的支持。

 

“當(dāng)前全球變暖的一個顯著特征是冬季升溫幅度大于夏季，導(dǎo)致季節(jié)性溫差縮小，這與全新世某些時期的變化趨勢相似。”隆浩表示，“這項研究中的結(jié)論為預(yù)測未來湖泊碳循環(huán)的變化趨勢提供了重要的科學(xué)依據(jù)。”

 

提出湖泊碳循環(huán)新視角

 

“這項研究重建了過去1.2萬年季節(jié)性溫差的變化，為湖泊碳循環(huán)的氣候響應(yīng)提供了地質(zhì)時間尺度的證據(jù)。”隆浩指出，“同時，我們打破了過去研究中對年均溫影響湖泊碳埋藏的關(guān)注，首次強(qiáng)調(diào)了季節(jié)性溫差才是關(guān)鍵控制因子，并發(fā)現(xiàn)其對湖泊碳埋藏的影響在不同氣候階段表現(xiàn)出系統(tǒng)性的趨勢，在全球變暖背景下提出了湖泊碳循環(huán)的新視角。”

 

隆浩強(qiáng)調(diào)：“我們的研究不僅深化了對湖泊碳埋藏機(jī)制的理解，也揭示了未來氣候變暖可能引發(fā)的湖泊碳釋放風(fēng)險。這一發(fā)現(xiàn)對于評估湖泊在全球碳循環(huán)中的作用，以及制定氣候變化適應(yīng)策略，具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。”

 

此項研究得到青藏高原地球系統(tǒng)基礎(chǔ)科學(xué)中心、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、國家自然科學(xué)基金以及南京地湖所科技計劃等項目資助。