5600万年前的地球“发烧史”警示当下：极端变暖或致陆地碳库失稳崩溃----中国科学院西双版纳热带植物园

在未来全球变暖的背景下，陆地生态系统究竟会吸收更多二氧化碳以缓解温室效应，还是会变成“碳释放源”加速气候恶化？这一直是全球气候变化研究的核心谜题。近日，中国科学院西双版纳热带植物园（以下简称“版纳植物园”）古生态研究组在国际知名学术期刊Communications Earth & Environment发表重要成果，通过重建5600万年前地球历史上最著名的极端变暖事件，揭示了陆地碳库在极端高温下的脆弱性，为预测未来地球的碳循环走向提供了关键的关键地质镜鉴。

约5600万年前，地球经历了一次剧烈的全球变暖事件——古新世—始新世极热事件（Paleocene-Eocene Thermal Maximum, 简称PETM）。在这一时期，大量碳输入海洋—大气系统，导致全球气温在短时间内飙升约5–6℃，海洋酸化加剧，陆地和海洋生态系统均发生了颠覆性的快速变化。由于PETM的碳输入规模和变暖速度与当前人类活动引发的全球变暖具有高度相似性，它成为了科学家理解未来地球系统响应的大规模碳输入的最重要地质历史参照。在全球变暖情景下，陆地生态系统的角色一直存在争议。一方面，植物可以通过光合作用吸收更多二氧化碳，并将碳储存在植被和土壤中，发挥“碳汇”的缓冲作用；但另一方面，高温也会加速土壤有机质的分解，并引发更频繁的野火，使碳重新释放回大气。这两者之间的博弈平衡，决定了陆地生态系统在极端变暖事件中，究竟是作为缓冲器抵抗变暖，还是作为放大器进一步加剧碳循环的扰动。

为解开这一谜题，版纳植物园古生态研究组李树峰研究员团队以PETM事件为核心切入点。研究团队将LPJ-LMfire动态全球植被模型（气候驱动数据基于DeepMIP项目的CESM1.2早始新世模拟）与地质记录中的碳同位素负偏移信号相结合，建立起了碳同位素质量平衡模型，系统评估了极端变暖条件下全球陆地碳储量的动态变化及其物理机制。

研究结果表明，PETM期间陆地生态系统并非作为强碳汇来缓冲碳释放。相反，在变暖发生和达到峰值的过程中，碳储量明显下降，表明陆地生物圈可能向大气释放大量碳。在中等变暖情景下，尽管植被的碳汇功能有所增强，但无法抵消土壤释放的碳，导致陆地生态系统释放约66 Pg C；而在更强变暖情景下，临界点被打破，植被和土壤的碳汇功能同时出现显著退化，导致陆地碳库遭遇毁灭性崩溃，碳损失最高可达约900 Pg C（图1）。

进一步分析显示，陆地碳响应具有明显的空间格局差异。高纬度地区在变暖条件下植被扩展，植被碳储量增加；但这种“高纬度变绿”并不足以抵消其他地区的碳损失。热带地区森林显著减少，同时土壤分解过程加快，使更多碳从土壤返回大气。最终，热带和中低纬度地区的巨大碳损失，远远超过了高纬度地区变绿带来的碳收益。随着变暖幅度的增强，全球陆地生态系统从有限的碳流失迅速转向急剧的碳储量塌陷（图2）。

研究团队利用碳同位素质量平衡模型检验了不同的碳释放情景，发现单一的碳排放源无法完全解释地质记录与模型模拟的吻合度。最符合模拟和地质记录的是混合碳源情景，即碳输入主要来自北大西洋火成岩省火山活动释放的CO₂，并可能包含一定比例的同位素组成较轻的碳源，如永冻土碳或甲烷水合物的分解释放（图3）。这一结果表明，PETM的碳释放很可能并非来自单一来源，而是多种碳源共同参与的结果。

该研究向人类敲响了警钟：在极端变暖条件下，陆地生态系统无法持续发挥“碳吸收”的红利。一旦全球温升跨越某个核心阈值，陆地碳库可能会发生快速失稳并集中释放，从而形成致命的气候—碳循环正反馈。这对于我们理解地质历史时期的气候突变具有重大的科学价值，更为评估当代人类活动应对气候变化、预测未来陆地碳循环反馈及控制气候风险提供了不可或缺的量化依据。

该成果以“Terrestrial carbon stock vulnerability during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum”为题发表在Nature旗下期刊Communications Earth & Environment上。版纳植物园古生态研究组硕博连读研究生方晓琪为该论文第一作者，Kenji Izumi副研究员和李树峰研究员为该论文通讯作者。参与研究的单位还有海南大学、美国国家大气研究中心以及成都理工大学等。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院东南亚生物多样性研究中心项目、云南省中青年学术技术带头人项目和版纳植物园“十四五”规划项目等资助。