土壤表层碳库约是大气碳库两倍以上。2022年，在《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）第21次缔约方大会上，由法国农业部提出，UNFCCC启动了“千分之四全球土壤增碳”计划。该计划通过土壤增碳千分之四，可抵消当前全球二氧化碳净排放量。土壤碳汇成为当前应对气候变化的重要自然解决方案之一。但在气候变暖背景下，基于当前地球系统模式对土壤碳源汇效应的模拟预估仍存在不确定性，这一研究热点也是当下全球碳循环研究的“黑箱”。

冰湖的快速扩张和形成是过去几十年第三极地区环境变化最为突出的特征之一。冰湖在受到外源扰动时，如冰崩和滑坡，或因冰碛坝内部埋藏冰融化导致坝体破裂，会产生冰湖溃决洪水，其具有洪峰流量高和破坏性大等特点，对下游的社区和基础设施安全造成严重威胁。据统计，过去百年间第三极发生100余起源自冰碛湖的溃决洪水事件，累计超过7000人丧生。今年10月发生在印度锡金的South Lhonak冰湖溃决和所造成的社会经济与生命财产重大损失，再一次警示我们要高度关注冰湖变化与冰湖溃决导致的灾害风险。

热带大规模火山喷发是少数能引发地球气候系统突变的外强迫之一，被喷发至平流层的硫酸盐气溶胶，散射、反射太阳辐射，可导致区域乃至全球尺度的温度下降，水循环减弱，给生态系统带来巨大胁迫，降低生态系统服务功能，并可能引发人类社会动荡甚至崩溃。1815年4月，印度尼西亚松巴哇岛坦博拉（Tambora）火山喷发，是近500年来最为剧烈的火山喷发，使1816年成为“无夏之年”（year without a summer）。而这之前，1809年也有一次未明确记录的大型热带火山喷发，连续的火山喷发使19世纪10年代成为近500年来最冷的10年，是研究极端低温对生态系统弹性影响的独特案例。在缺乏仪器观测资料的条件下，对坦博拉火山爆发后气候突变的定量研究可通过代用资料与模型模拟等手段开展，对人类社会秩序变化的影响可通过史料记录等了解，但对生态系统的冲击，还缺乏全球尺度上应用实测证据且标准统一的研究。而树木年轮则是研究生态系统功能变化的绝佳资料。

现代观测表明，亚洲内陆大气粉尘中铁元素等营养物质通过高空西风环流的传输，促进西北太平洋地区浮游植物的繁盛。然而，地质历史时期的亚洲内陆粉尘能否同样通过“铁肥料”效应强化北太平洋生物固碳作用，并对全球气候环境产生重大影响，亟需亚洲内陆粉尘长时间尺度记录的检验。 实验室昝金波研究员和方小敏研究员，联合英国兰卡斯特大学Barbara A. Maher教授、东京大学Toshitsugu Yamazaki教授、临沂大学韩文霞教授等专家学者，通过研究亚洲内陆粉尘360万年以来铁化学形态组成和含量变化的历史，首次揭示出中更新世气候转型期（1.2-0.7 Ma，MPT）青藏高原冰川剥蚀过程与亚洲粉尘铁化学形态以及太平洋生态系统转型的机制联系，深化了对“铁假说”碳循环模型的认识，该研究成果于2023年6月6日发表在国际知名学术期刊《美国科学院院刊》(PNAS)上。

地球大数据的爆炸式增长不仅推动着地球系统科学向数据密集型范式（Data-intensive paradigm）转变，也为破译和解析复杂的地球系统奠定了基础。如何从海量、多源、异构、泛在的地球大数据中汲取所需的信息和知识，实现数据-信息-知识-决策链条的贯通，亟需更加行之有效的解决方案。

高寒草地是青藏高原的主要植被类型，总面积约为146万km2，主要分为高寒草原和高寒草甸。由于高海拔、寒冷、半干旱气候、强烈的太阳辐射、贫瘠的土壤以及短暂的生长季等，高寒草地生态系统对气候变化非常脆弱且敏感。研究表明，近几十年来青藏高原的升温速率约为全球同期的两倍，降水也呈显著增加趋势，整体呈现出“暖湿化”。气候变暖不仅会增加总初级生产力并延长生长季节，还会增加生态系统呼吸。因此，围绕这两个过程存在许多不确定性，使得量化两者差值的青藏高原高寒草地净生态系统碳交换量大多数（NEE）变得具有挑战性。 鉴于气候变化背景下青藏高原碳循环的重要意义，许多学者使用模型评估了青藏高原的NEE。总的来说，这些模型在估计值的大小和空间分布上存在较大的差异。这主要是因为驱动碳循环模型的参数需要大量的实测数据，如通量观测数据，但是地面观测数据的稀缺和不均匀分布常常导致模型结果准确性有限。这使得我们对青藏高原高寒草地NEE的时空动态和调控机制了解不足，限制了我们评估潜在碳-气候反馈的能力。

地球生命的起源演化与氧气息息相关。强烈的大洋缺氧通常会极大影响海洋生物的演化。为了更好理解大洋缺氧对生物演化的影响，通常需要定量估算地质历史时期全球大洋缺氧的程度。 近年来，铀同位素（δ238U）和钍/铀比值（Th/U）是被广泛使用的全球尺度古海洋缺氧代用指标。铀（U）在海洋中的滞留时间较长（~40万年），其浓度和同位素组成均匀分布在广海中。因而，δ238U和Th/U的变化可以反映全球尺度海洋的氧化还原状况。当全球海洋缺氧增强时，海水中更多的六价U被还原成不溶于水的四价U。由于四价U相对富集238U，因此，大洋缺氧会导致海水U含量和δ238U减小。与U相比，Th只有一个价态，它对大洋缺氧反应不敏感。因而，当全球大洋缺氧增强时，海水的δ238U会减小，Th/U比值会增加。富氧海水中形成的碳酸盐沉积物能够准确记录海水的δ238U和Th/U。因而，碳酸盐岩δ238U下降和Th/U比值升高反映了全球大洋缺氧的增强。近十年来，该原理被广泛地用来重建地质历史时期全球大洋缺氧程度的变化。

数字高程模型（DEM）被广泛用于估算全球冰川质量损失。传统的基于DEM的大地测量法只能观测到冰川表面和水面，不能揭示发生在冰前湖泊水面以下的冰川质量损失。喜马拉雅地区分布着数以万计的冰湖，在全球变暖背景下，冰川正在加速消融与退缩，与冰川相连的冰湖迅速扩张。前人的研究更多聚焦于冰湖面积和水量变化，以及由此引发的冰湖溃决、洪水灾害风险。然而，冰湖扩张引起的水下冰质量损失在传统的大地测量法中未被考虑，导致喜马拉雅甚至全球尺度的冰川质量损失被大大低估。 为此，第二次青藏科考“亚洲水塔动态变化与影响”科考分队、实验室环境变化与多圈层过程团队张国庆研究员等联合奥地利格拉茨科技大学、英国圣安德鲁斯大学和美国卡内基梅隆大学的研究人员，通过对大喜马拉雅山脉（包括兴都库什、喀喇昆仑、喜马拉雅、念青唐古拉和横断山脉）冰湖的多期详细制图和分类，结合典型冰湖的水下地形测量数据，详细估算了喜马拉雅冰湖的水量变化，量化了由于湖水替换冰引起的冰川水下质量损失。

湿地甲烷反馈效应是地球系统科学中重要的自然反馈过程。随着全球温度上升，湿地生态系统产生的甲烷微生物活动增加，释放出更多甲烷。甲烷是全球变化中仅次于二氧化碳的强效温室气体，这种反馈效应对气候变化有着重要影响。在短期（约20年）尺度上，甲烷的增温效应比二氧化碳强80多倍。自2007年以来，大气中甲烷浓度开始快速增加，在2020和2021年连续两年创下历史新高（图1）。目前，大气甲烷上升的原因尚不明确，但大气中的甲烷碳13稳定同位素含量呈持续下降趋势，这意味着大气甲烷来源的成分中，湿地等自然排放源所制造的甲烷可能是主导因素。