上海科学家在冻土碳循环研究中取得重要进展。据上海海洋大学，该校海洋科学与生态环境学院许云平教授团队与合作者揭示了全球变暖背景下青藏高原冻土融化后溶解有机碳（DOC）的光降解和生物降解过程及其影响因素。日前，相关成果发表在国际学术期刊《湖沼学和海洋学快报》（Limnology and Oceanography Letters）上。

全球土壤有机碳储量高达2.4万亿吨，是大气二氧化碳碳储量的2倍多，其中冻土区土壤有机碳储量为1.3万亿吨，占土壤有机碳储量的一半以上。这些巨量的冻土碳能够在环境中保存数千年甚至数万年，是重要的碳汇。然而随着气候变暖，大量冻土融化，在我国最大的冻土区——青藏高原出现了大面积的冻土塌陷。气候变暖导致冻土微生物活动加剧，分解大量冻土碳，并以二氧化碳和甲烷的形式进入大气，形成了强烈的全球变暖正反馈效应。

冻土融化后，一部分冻土碳还会以溶解态有机质（DOM）形式进入河流和湖泊，影响水域生态系统碳循环。有研究发现，进入水体的冻土DOM会被快速地分解，也有研究显示冻土DOM能够沿着河流进行长距离搬运，最终进入海洋。可见，学术界对于环境中冻土DOM的保存、输送和最终归宿尚不清楚。

对于溶解态有机质的环境稳定性，目前学术界有两种主要假说。

一是“分子组分/结构稳定性假说”，认为DOM的环境稳定性主要是由化合物的分子结构决定的，例如糖类和蛋白类化合物比脂类和木质素化合物更加活泼。

二是“稀释浓度假说”，认为DOM的环境稳定性并不取决于分子化学结构，而是由分子浓度决定的，即当环境中DOC浓度过低时，微生物寻找DOM消耗的能量大于其利用DOM获得的能量时，无论是活泼分子还是惰性分子均无法被微生物利用。

为评估这两种机制对冻土DOM稳定性的影响，许云平研究团队采集了青藏高原的冻土样本，配置不同浓度梯度的DOM体系，模拟冻土DOM的生物降解和光降解过程，运用傅里叶变换高分辨质谱、紫外-可见光谱、三维荧光光谱以及元素分析方法，评估了DOM的化学结构和浓度对其降解的影响。“研究结果有助于深入理解冻土DOM的分解和长距离输送过程及其影响因素，并帮助预测气候变暖背景下冻土碳的排放。”许云平说。

科研人员介绍，研究通过生物降解实验发现，青藏高原冻土DOM的生物降解表现出对特定化学结构的选择性；光降解实验结果表明，在自然阳光照射下，冻土DOM经过15天照射后，溶解有机碳含量快速下降，但未达到平台期，表明光降解还不完全。实验还通过稀释溶解有机碳浓度来研究浓度对生物降解的影响，结果发现随着初始溶解有机碳浓度的降低，生物可降解的溶解有机碳比例减少，且降解速率随着初始溶解有机碳浓度的降低而减缓。这些表明溶解有机碳浓度是影响生物降解效率的关键因素。因此从冻土区到下游河流甚至海洋，随着冻土DOM浓度的不断被稀释，微生物可能越来越难降解残留下来的冻土碳，这可能也解释为什么冻土碳能够被长距离输送至河口甚至海洋。

科研团队还通过高分辨率质谱数据揭示了微生物在不同溶解有机碳浓度条件下的代谢策略。这项研究为理解冻土DOM的降解机制提供了新的见解，揭示了有机碳的浓度和化学组成对冻土DOM转化的显著影响，尤其是在冻土DOM从源头区域向海洋的长距离输送过程中，浓度和化学组成因素对DOM的降解和转化起着决定性作用。“考虑到冻土巨大的碳储量，以及对气候变化的高度敏感性，研究对于人们理解冻土区碳动态、预测冻土融化对全球碳循环的影响以及制定环境管理策略具有重要意义。”许云平说。

课题组已毕业博士生王映辉（现为南方科技大学研究助理教授）为论文第一作者，王映辉博士及许云平教授为共同通讯作者，上海海洋大学为论文第一单位。