陆地-海洋北极碳循环，气候变化对碳交换的影响

北极地区是地球上变暖最快的地区之一，随着全球气温持续上升，北极陆地和海洋生态系统之间的相互作用在决定未来气候变化轨迹方面变得越来越重要，而涉及陆地生态系统、永久冻土、河流和北冰洋之间复杂的碳交换及其反馈对于对全球气候系统的未来变化越来越重要。

气候变化对北极碳循环的影响

北极碳循环涉及陆地和海洋系统之间的动态碳交换，两者都受到持续气候变化的影响。在北极，陆地和海洋生态系统都是碳汇，但它们也有可能向大气中释放大量碳，加剧全球变暖。

北极碳循环的主要组成部分是永久冻土中有机碳的储存。永久冻土是经过数千年积累的有机物质的冻土，是重要的碳库。根据最新估计，永久冻土含有近1,700千兆吨(Gt)的有机碳，是目前大气中碳含量的两倍多。当永久冻土因温度升高而融化时，其中所含的碳会以二氧化碳和甲烷的形式释放到大气中。随着北极变暖，更多的永久冻土融化，释放出更多的温室气体，进而导致进一步变暖。

虽然北极碳循环的陆地部分主要涉及永久冻土中碳的储存和释放，但北冰洋在碳动态中也发挥着关键作用。北冰洋传统上充当碳汇，通过气体交换等物理过程和海洋浮游植物光合作用等生物过程吸收大量大气中的二氧化碳。这些过程对于调节大气中的碳含量和缓解全球变暖至关重要。海洋吸收的碳随后通过生物碳泵输送到深海，在这一过程中，浮游植物将二氧化碳转化为有机碳，当这些生物死亡或被消耗时，有机碳随后被输送到海洋深处。这些碳可以在深海水域封存数百年或数千年，从而降低大气中二氧化碳的总浓度。然而，随着北极变暖和海冰减少，北极作为碳汇的效率正在发生变化，海冰减少导致碳释放增加，同时也使海洋暴露在更多的阳光下，短期内增加了浮游植物的生产力，但可能会降低长期碳封存效率。

陆海相互作用与碳通量

陆地和海洋生态系统之间的相互作用是北极陆地-海洋碳循环的核心，这些相互作用包括通过河流运输和海岸侵蚀进行的有机碳转移，预计这两种情况都会因气候变暖而加剧。

在北极地区，河流是碳从陆地转移到海洋的主要通道。随着永久冻土融化，更多的有机碳被河流运输到海洋，影响北极地区碳平衡。除了河流运输外，海岸侵蚀是碳从陆地释放到海洋的另一个重要机制。北极沿海地区，尤其是冻土融化的地区，正在经历加速侵蚀。海冰的消失和风暴潮的增加使储存在沿海沉积物中的有机碳暴露出来，并将其释放到海洋中。在储存大量冻土的地区，海岸侵蚀导致这些碳直接释放到海洋中。

新的研究发现

北极是一个高度一体化的系统，其接收的陆架海盆地与各自的陆地流域在水文上紧密耦合，陆地-海洋有机碳通量可加剧海洋酸化并影响海洋生态系统，而海洋沉积物中的长期封存是重要的地质碳汇。因此，北极一体化系统中碳储量、通量和循环连通性的变化会影响全球碳循环。

研究综合了北极陆地-海洋连续体沿线所有碳循环组成部分的定量数据，从集水区土壤到海洋沉积物，探讨了极地区的碳储量和通量。北极环极流域拥有大量土壤有机碳储量，这些储量已积累了数千年，是全球碳循环的重要组成部分，土壤有机碳储量在景观和土壤剖面中的分布方式在很大程度上决定了它们对流动、降解以及随后以温室气体形式释放的脆弱性。

新的研究发现，北极系统是一个碳汇。北极陆地土壤储量总计877±16Pg C，其中冻土区占62%（540±10Pg C），非冻土区占19%（292±7Pg C）；海洋沉积物表层（0-1cm）有机碳储量为529±107 Tg C，0-100cm深度为82±35Pg C；溶解有机碳（DOC）储量约506±14Tg C，净初级生产力（NPP）年际波动在241-691Tg C之间。北极河流年均向海洋输送39.5（17-90）Tg DOC、8.21（1.5-37）Tg POC和65.4（23-102）Tg DIC。

河流运输和海岸侵蚀是将碳从陆地转移到海洋的主要横向运输过程，与每个过程相关的通量都具有很强的季节性，并将物质输送到浅北极陆架海，支持和影响沿海和海洋生态系统。研究估计，北极流域年河流通量为39.5(17–90)Tg DOC、8.21(1.5–37)Tg POC和65.4(23–102)Tg DIC。

北冰洋周围有约407,680公里的海岸线，气候变化加剧了北极的海岸侵蚀，方式包括延长开放水域时间、升高的空气和海水温度、更深的冻土融化、季节后期更强烈的风暴以及海平面上升。自21 世纪初以来，北极海岸线的侵蚀速度相对于21世纪下半叶有所加快。研究估计，泛北极海岸侵蚀产生的海洋有机碳通量估计范围为每年4.9-14Tg C，侵蚀物质可能主要以颗粒形式（~80%）释放，而不是DOC（~20%）。基于遥感的估计表明海洋有机碳通量范围分别在2.03和2.74Tg C年–1之间，侵蚀速率的不确定性约为0.3m年每年。观察证据表明，北极地区各处的海岸侵蚀率和相关物质通量一直在增加，预计到2100年，海岸侵蚀输入的有机碳将增加，从而导致海洋从大气中吸收的CO2减少4.6-13.2 Tg C/年。

北极碳汇的主要驱动力为海洋吸收和陆架海沉积物中有机碳的埋藏，海洋吸收的CO2约127±36Tg C年-1，陆架海沉积物中有机碳的埋藏量约112±41Tg C 年-1。陆地系统是CH4和CO2的净来源，由于海岸侵蚀加剧、河流有机碳释放以及近岸碳周转增强导致陆架沉积物埋藏量降低等因素，北极碳汇可能会在持续变暖的情况下减弱。由于海岸侵蚀加剧、河流有机碳释放以及近岸碳周转增强导致陆架沉积物埋藏量降低等因素，北极碳汇可能会在持续变暖的情况下减弱。

研究结果表明，整个北极系统（陆地和海洋结合）目前是一个总体碳汇，主要由海洋从大气中吸收CO2和有机碳积累到陆架沉积物所驱动。海洋变暖和深水形成的变化可能会减少海洋对CO2的吸收相反，海冰覆盖减少会增加CO2吸收潜力，并改变海气通量的季节性，预计秋季CO2吸收量会增加，而河流排放的有机碳可能通过排气将近岸地区变成CO2来源，北极架沉积物的有机碳吸收功能预计也会变小。研究也指出，由于目前流域和近岸区域数据不足，存在一定的不确定性。

思考

增加河流有机碳运输将如何影响北冰洋海洋生态系统？海岸侵蚀对北极碳释放有何长期影响？

参考文献：Jorien E. Vonk, Michael Fritz, Niek J. Speetjens, Marcel Babin, Annett Bartsch, Luana S. Basso, Lisa Bröder, Mathias Göckede, Örjan Gustafsson, Gustaf Hugelius, Anna M. Irrgang, Bennet Juhls, McKenzie A. Kuhn, Hugues Lantuit, Manfredi Manizza, Jannik Martens, Matt O’Regan, Anya Suslova, Suzanne E. Tank, Jens Terhaar & Scott Zolkos ，The land–ocean Arctic carbon cycle.  doi：10.1038/s43017-024-00627-w