冻融驱动的土壤水分回补在变暖的青藏高原上显著促进春季物候

为什么亚洲高原的春天来得更早

在广袤的青藏高原草地上，近年来春季返青的到来越来越早。叶片提早萌发很重要，因为它促进植物生长、从大气中吸收更多二氧化碳，并改变陆地到大气间的水分循环。本研究揭示了一个容易被忽视的因素——在冻结与融化过程中被挤压并在地下搬运的水分——它是促使这片“第三极”植被每年更早苏醒的主要原因之一。

冻结地表下的隐形供水引擎

在寒冷季节，高原表层土壤反复经历冻结与融化。随着冻结面向下推进，它将液态水向上牵引，使根区水分在完全锁冰之前得到集中。当春季回暖时，表层的冰首先融化，突然为植物根系提供一股液态水。作者将以这种方式回到上层土壤的水分称为“土壤水分回补”。利用2003年至2024年间来自32个站点的数据，他们将这种冻融驱动的水分与普通春季降雨区分开，研究两者各自如何影响生长季开始，即“春季返青”的时点。

测量哪种水更关键

为了分离这些不同水源的影响，研究团队建立了一个新框架，用以追踪土壤水分如何缓解植物的水分胁迫。他们运用能量—水分平衡的思路，定义了一个关键土壤含水量阈值：低于该阈值时植物主要受水分限制，高于该阈值时植物主要受光照和温度限制。通过将实际的春季土壤含水曲线与代表无新输入时土壤干燥过程的参考曲线进行比较，研究人员估算出春季水分增加中有多少来自冻融过程、有多少来自降雨。随后他们将这些量化结果与卫星和地面监测的植被首次返青记录相联系。

冻融水胜过降雨与气温

在整个高原上，冻融驱动的水分成为推动生长季提前的最强单一因子。平均来看，它解释了观测到的春季提前大约五分之一的变化，超过了春季气温和春季降水的直接影响。具有较厚“活动层”——覆盖在永冻土之上的季节性融化层，厚度可超过两米——的站点表现出特别强的敏感性：当该层深度超过约2.2米时，表层土壤含水量对冻融水分影响的敏感性约增加三分之一。同时，研究发现水分增加的益处存在上限：当土壤过湿时，植物可能面临缺氧和养分流失，导致返青的提前速度放缓甚至出现后退。

地表变化与碳平衡的转变

随着永冻土融化，活动层加深，水在土壤剖面中的流动方式发生变化。起初，来自更深冰体的融水可以补给中层土壤，并在冻融循环中帮助喂养上层土壤。然而超过2.2米的阈值后，更深的通道和改变的土壤结构会使更多水侧向或向下渗漏，而不是回到表层。研究显示，即便在这种变化下，冻融回补水仍然是触发提前返青的关键因素，而在活动层较厚的地区，春雨的作用则变得更重要。返青提前又与更强的春季碳吸收密切相关：在大多数站点，返青较早的年份也是陆地从大气中吸收更多碳的年份。

对“亚洲水塔”未来的含义

这些结果强调，高原春季生态系统的行为并非由气温单独控制。土壤中一种由冻融驱动的自然“自我调节”供水机制，当前帮助植物更早生长并每年吸收更多碳。但持续的变暖和永冻土退化可能通过改变春季到达根区的水量，逐步削弱这一机制。这种变化可能在区域水资源和亚洲的碳平衡中产生连锁反应。保护土壤稳定并将冻融水动力纳入气候与地球系统模型，对于预判未来生态系统健康与下游水安全的变化至关重要。

引用: Zhao, H., Sun, S., Song, C. et al. Freeze-thaw-driven soil moisture return significantly contributes to spring phenology on the warming Qinghai-Tibet Plateau. Nat Commun 17, 3981 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71956-1

关键词: 春季物候, 土壤冻融, 青藏高原, 永冻土, 碳吸收