突然的永久冻土融化与西藏一个热喀斯特湖泊中硅藻的大量繁殖有关

《Global and Planetary Change》：Abrupt permafrost thaw linked to diatom proliferation in a Tibetan thermokarst lake

青藏高原温喀斯特湖生态系统受冰冻土融化的主导影响，硅藻记录显示B?lling-Aller?d温暖期开始融化，但冰冻土稳定化导致晚HCO期硅藻浓度下降， hierarchical partitioning证实冰冻土融化（31.6%）对群落变化的作用强于生长季温度（24.7%）。

　　

Jinna He|Xinwei Yan|Kathleen M. Rühland|John P. Smol|Jianbao Liu

太原师范学院地理科学学院，中国晋中030619

摘要

北半球的高纬度和高海拔地区正在以超过全球平均水平的速度变暖，这对永久冻土的稳定性产生了影响。永久冻土的退化以及随之而来的养分通量和物理化学性质的变化预计将对水生生态系统产生重大影响。然而，区分永久冻土融化对热喀斯特湖泊生态系统的影响仍然具有挑战性，因为永久冻土的退化通常与气候变暖同时发生。我们整合了来自青藏高原一个热喀斯特湖泊的硅藻记录以及温度、降水、季风变化、永久冻土融化和甲烷循环的多种代理指标，以了解自上次冰川消退以来气候驱动的永久冻土动态如何调节湖泊生态系统的演变。硅藻首次出现在湖泊记录中（尽管浓度较低）与B?lling-Aller?d暖期相吻合，当时永久冻土开始融化。然而，硅藻的繁衍（硅藻浓度达到每克沉积物1.21×10^6个壳）仅限于全新世早期气候最适宜期（HCO），此时永久冻土退化加剧。尽管在全新世晚期温度持续较高（根据同一序列中的分支甘油二烷基甘油四醚（brGDGTs）重建得出），硅藻浓度却显著下降。这种下降可能是由于永久冻土的稳定化，限制了向湖泊输入的养分。温度与藻类生产力之间的脱钩突显了永久冻土融化及其对养分通量和湖泊物理化学性质的影响，这些因素对于调节硅藻动态至关重要。通过层次聚类（HP）方法量化了这种主导作用，结果显示永久冻土融化（31.6%）对群落变化的影响始终大于生长季节温度（24.7%）。这些发现表明永久冻土融化是高海拔湖泊生态系统发展的关键驱动因素，并为加速全球变暖下的生态响应提供了重要见解。

引言

永久冻土被定义为至少连续两年保持在0°C或以下的地面，覆盖了北半球约25%的陆地面积（Zhang等人，2008年）。气候变暖导致的永久冻土融化会将大量有机碳、养分和金属污染物释放到水生系统中，从而引发水质、水文状况和生态系统稳定性的连锁反应（Vonk等人，2015年；Miner等人，2021年；Heffernan等人，2024年）。热喀斯特湖泊由富含冰的永久冻土退化和地面沉降形成，是这些气候变化的监测器（Smith等人，2005年；Nitze等人，2018年）。水文和生物地球化学循环对永久冻土融化非常敏感（Colombo等人，2017年；Lamontagne-Hallé等人，2018年；Yang等人，2019年），导致养分通量（Hobbie等人，1999年；McCllland等人，2007年；Lougheed等人，2011年；Lewis等人，2012年；Reyes和Lougheed，2015年；Pokrovsky等人，2022年）、生产力和食物网动态（Mesquita等人，2010年）发生变化。然而，永久冻土融化对水生生态系统的综合影响尚未完全阐明。一个关键挑战在于区分永久冻土融化过程的直接影响与其他同时发生的因素，例如温度升高对热喀斯特湖泊生态系统的影响。

青藏高原拥有地球上最大的高海拔永久冻土面积（Zhao等人，2010年），分布着大约161,300个热喀斯特湖泊，覆盖面积约为2800平方公里（Wei等人，2021年）。这些水生生态系统很少受到人为因素的干扰，为研究气候相关的永久冻土退化如何影响湖泊生态提供了理想的自然实验室。虽然已经证明永久冻土退化通过生物地球化学循环变化、营养级重组和生物群落变化显著改变了北极和亚北极湖泊生态系统（Thienpont等人，2013年；Thienpont等人，2025年；Kendrick等人，2018年；Budy等人，2025年），但其对高海拔热喀斯特湖泊的潜在影响仍知之甚少。解决这些知识空白对于预测生态系统轨迹和制定青藏高原及其他永久冻土地区的保护策略至关重要。

硅藻是主导水生初级生产力的硅质微藻，在食物网和全球生物地球化学循环中起着关键作用（Smol和Stoermer，2010年）。它们对环境变量（如养分、光照穿透、气候相关变化）的异常敏感性和出色的化石保存能力使它们成为生态系统变化的强大生物指示剂（Smol和Stoermer，2010年；Rühland等人，2015年）。在青藏高原，研究主要集中在气候变暖和大气氮沉降对硅藻群落的影响上（Hu等人，2016年；Liao等人，2020年；He等人，2022年；Wang等人，2024年），而对永久冻土融化的潜在影响关注较少。此外，大多数现有的硅藻记录的时间分辨率较低，阻碍了对长期环境趋势的可靠评估。这限制了我们对青藏高原生态系统在当前和过去变暖事件下如何响应的理解。

在这里，我们提供了一个来自青藏高原热喀斯特湖泊的硅藻记录（平均分辨率为约170年），涵盖了过去约15,000年的时间。为了研究气候驱动的永久冻土动态如何调节自上次冰川消退以来的湖泊生态系统演变，我们将硅藻数据与关键环境变量的多种代理指标相结合（即温度、降水、永久冻土融化、甲烷循环、总氮（TN）、总有机碳（TOC）和水生植物正烷烃与陆地植物的比例（P_aq））。我们的发现表明永久冻土融化是青藏高原热喀斯特湖泊生态系统变化的关键驱动因素，这对当前和未来的变暖情景具有重要意义。

研究地点

Nianbu Co（北纬29°48′，东经92°22′，海拔4980米）位于雅鲁藏布江流域的Mila山口东侧（图1）。根据2019年9月的实地调查，这是一个小型（约0.07平方公里）、浅水（最大深度为2米）的热喀斯特湖泊，位于不连续的永久冻土带中，主要由降水、地表径流和山体融水补给。其北部一侧的季节性流出使得湖泊水位变化有限

硅藻地层

Nianbu Co的7米长复合岩芯NBC19/21A提供了连续约15,000年的环境变化记录。岩芯底部（571–641厘米；15.0–13.9千年前）的硅藻壳非常稀少，无法进行计数。在上面的561厘米中，分析了80个样本，观察到了70种硅藻。显微镜检查显示整个沉积物记录中的硅藻壳保存状况良好，适合进行古环境重建。

气候变化对热喀斯特湖泊生态系统的影响

在全球环境变化下，气候对湖泊生态系统既有直接影响也有间接影响（Woolway等人，2021年；Woolway等人，2022年），调节着热结构、冰盖持续时间、混合模式、养分循环和生物生产力（Battarbee等人，2009年；Rühland等人，2015年；Sadro等人，2019年）。在Nianbu Co沉积物岩芯中，15.0至13.9千年前硅藻存在，但由于极端的冰川和冰盖条件，数量非常稀少

结论

利用来自代表青藏高原东南部的浅水湖泊的沉积物记录（平均分辨率为约170年），我们研究了硅藻和多种环境代理指标，以探讨自上次冰川消退以来驱动热喀斯特湖泊生态变化的潜在机制。我们发现：1）在B/A暖期永久冻土融化的早期阶段，硅藻群落开始生长（尽管浓度较低）。种群数量可能

作者贡献声明

Jinna He：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理。Xinwei Yan：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、方法论、正式分析、数据管理、概念化。Kathleen M. Rühland：撰写——审稿与编辑、方法论、正式分析、概念化。John P. Smol：撰写——审稿与编辑、方法论、正式分析、概念化。Jianbao Liu：撰写——审稿与编辑，

未引用的参考文献

Krammer和Lange-Bertalot，1988

Krammer和Lange-Bertalot，1991b

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。