青藏高原高寒草地是全球典型寒旱生态系统，长期受低温与水分亏缺双重限制，植物与微生物代谢活性较弱，土壤有机碳的积累和分解过程对气候变化高度敏感。当前高原整体呈暖湿化趋势，厘清高寒土壤碳库如何响应水热协同变化，对精准评估区域碳汇功能及其气候反馈效应具有重要科学意义。然而，现有野外增温实验多限于单一增温梯度，缺少多梯度增温与降水交互的原位验证，难以揭示土壤有机碳对增温的非线性响应，也无法深入阐明降水对增温效应的调控机制。
为此，中国科学院青藏高原研究所生态系统功能与全球变化团队依托西藏那曲高寒草甸野外平台，开展为期5年的多梯度增温（+0、+1、+2、+4 ℃）与增雨（+50%）双因子交互控制试验。研究结合土壤碳组分及植物源、微生物源生物标志物分析，系统揭示高寒草甸表层（0-10cm）土壤有机碳对水热协同变化的响应规律，阐明该土层有机碳对增温响应的降水依赖特征，并明确调控该响应的温度阈值区间。
研究表明，高寒草甸土壤有机碳（SOC）对增温并非简单的线性响应，而是呈现降水依赖型的阈值响应。自然降水条件下，不同幅度增温均未显著改变土壤有机碳含量；仅在增雨处理下，增温的固碳效应才被激活。其中，+4℃增温耦合增雨处理可使表层土壤有机碳显著提升55%，而+1℃和+2℃增温耦合增雨无显著影响。该结果表明，只有增温幅度突破临界阈值并匹配充足水分，才能触发高寒草地土壤碳循环的功能转变。
机制分析显示，4℃增温耦合增雨下土壤有机碳的增加主要来源于矿物结合有机碳（MAOC）的累积，且与真菌残体增加密切相关。水热条件协同改善后，草地根系周转加快，更多根源碳输入到土壤；同时微生物合成代谢被激活，促进微生物残体累积。此外，真菌残体对矿物结合有机碳变化的解释率高于植物根源碳，凸显了真菌残体在高寒土壤稳定有机碳固存中的主导作用。
图1 增温和增雨对土壤有机碳组分及植物、微生物源生物标志物的影响
图2 增温和增雨交互下植物‑微生物‑土壤互作机制概念图
最后，研究发现高寒草甸土壤碳循环关键指标的响应阈值均落在2–4℃增温区间，且该阈值响应依赖降水条件。增温幅度低于阈值时，即便降水增加，土壤稳定碳库、真菌残体与微生物生物量均无明显响应；只有增温突破阈值并叠加增雨，生态系统才由碳稳态转向主动碳固存。该响应机制可为北极苔原、高海拔干旱半干旱等同属低温和水分限制的生态系统提供参考。研究强调，未来陆地碳—气候反馈模拟需纳入水热交互的阈值效应，才能更准确评估高寒旱区生态系统碳汇动态。同时，仍需在更多寒旱生态系统开展多梯度增温-增雨实验，细化碳过程响应的阈值估算，厘清其普遍性与空间变异性，为改进全球高寒地区碳循环预测提供参数支撑。
图3 土壤碳循环关键变量对增温的阈值响应
上述研究成果以“Precipitation-dependent nonlinear accumulation of soil organic carbon in response to warming via microbial residues”为题，发表于Nature Portfolio 旗下期刊Communications Earth & Environment。该研究由中国科学院青藏高原研究所、中国科学院大学、中国科学院地理科学与资源研究所、瑞典农业科学大学等单位科研人员共同完成。中国科学院青藏高原研究所2024届硕士毕业生陈美镕为论文第一作者，姜丽丽研究员为论文通讯作者。该研究得到国家重点研发计划（2024YFF0809104）、国家自然科学基金项目（42425106和31872994）的资助。
