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导语

- 什么是多年冻土？

- 青藏高原多年冻土退化特征与速率如何？

- 多年冻土碳释放与气候的相互作用关系如何？

- 青藏高原多年冻土碳循环研究现状如何？

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1.什么是多年冻土？

冻土是指在0℃或0℃以下各种岩石或土层。

冻土包括季节冻土和多年冻土。

多年冻土定义为温度在0℃或低于0℃至少连续存在两年的岩土层。多年冻土主要分布在高纬度和高海拔地区（图1），约占北半球陆地面积的22%。

青藏高原是中低纬度面积最大的多年冻土区，面积约1.06×106 km2，其主要特征是温度较高、热状态不稳定。

图1 青藏高原和北极地区多年冻土分布

2.青藏高原多年冻土退化特征与速率如何？

在气候变暖背景下，青藏高原升温速率和北极地区类似，约是过去十几年全球气温升高速率的两倍。

目前青藏高原多年冻土发生显著退化，主要表现为地温升高、活动层厚度增加、多年冻土面积减少及热喀斯特地貌发育。

2003-2015年青藏公路沿线多年冻土10米地温每十年升高约0.14℃，2012-2019年青藏高原东北部祁连山区多年冻土16米地温每十年升高约0.48℃。

图2 青藏高原东部和中部多年冻土地温变化特征

青藏高原多年冻土区活动层厚度范围为100-400 cm。

1982-2018年青藏公路沿线活动层厚度增加速率为每十年增加19.5 cm。

多年冻土退化最显著的表现形式是热喀斯特，在富冰多年冻土区，地下冰融化引起地表沉陷、坡体滑塌或热融侵蚀等过程，进而形成热融沉陷、热融滑塌、热融湖塘等（图3，图4）。

图3 青藏高原多年冻土区热融滑塌野外照片（a和b是高寒草甸，c和d是高寒荒漠草原）

图4 青藏高原多年冻土区热融湖塘野外照片（a和b是冬季气体鼓泡现象，c和d是夏季湖塘监测和湖岸塌陷现象）

目前青藏高原热喀斯特地貌广泛分布且快速发育，基于野外调查和深度学习方法在高原中部5200 km2研究区发现220条热融滑塌。

利用遥感资料分析表明：

2008-2017年在~3700 km2北麓河地区热融滑塌数量从124条增加至438条，影响面积从1.31 km2增加至9.34 km2。

目前在青藏高原多年冻土区内面积大于1000 m2的湖塘共有150000个，湖塘总面积约2.9×104 km2，占多年冻土区面积约2.7%。

3.多年冻土碳释放与气候的相互作用关系如何？

多年冻土由于低温、潮湿的环境存储大量的有机碳。

北半球多年冻土区土壤有机碳储量为1,400-1,850 Pg，其有机碳储量约占全球土壤碳储量的一半，几乎是大气碳储量的两倍。

气候变暖导致多年冻土退化。

土壤温度升高和活动层厚度增加，在这个过程中微生物活性增强，土壤有机质被分解利用并以CO2、CH4和N2O形式释放到大气中，进而导致大气温室气体浓度增加，进一步加速多年冻土退化，形成正反馈效应。

在区域尺度上，变暖增加了局部地区土壤碳的释放，但变暖又促进了植被生长，从而吸收更多的碳。

综合青藏高原不同地区模拟升温及监测结果，发现干湿土壤条件下生态系统碳释放对升温的响应不同。

目前青藏高原总体表现为碳汇，但未来气候变化可能增加多年冻土碳释放速率，减弱其碳汇功能。

图5 多年冻土碳与气候反馈效应示意图

4. 青藏高原多年冻土碳循环与气候变化研究现状如何？

根据Web of Science数据，对过去几十年来北极和青藏高原多年冻土及碳循环的研究进行了定量比较，表明青藏高原多年冻土是气候变化研究的重要地区。

通过对已有报道的采样点分布、土壤有机碳测定方法、多年冻土区面积的界定、土壤有机碳的空间扩展技术环节综合分析，指出青藏高原多年冻土区表层2 m土壤碳储量为19.0±6.6 Pg。这些土壤有机碳对气候变化敏感，容易被微生物分解，不同植被类型下土壤有机碳分解的温度敏感性系数为9.2±7.1。

图6 青藏高原多年冻土退化对碳循环的影响示意图

热喀斯特过程如热融滑塌和热融湖塘对生态系统碳损失和碳释放具有重要影响。已有的地球系统模式主要关注多年冻土缓慢升温过程。但是，热喀斯特过程比较复杂而未被充分研究，因而还没有被纳入到耦合模型中，导致碳循环的评估具有很大不确定性。

通过野外监测分析表明，青藏高原热融滑塌和热融湖塘发育是影响温室气体释放的重要过程，由于遥感技术限制，目前还缺少区域尺度扩展和整体反馈效应评估。

为了降低多年冻土区土壤有机碳储量及其对升温响应的不确定性，未来研究需要进一步探索基于有机质来源和沉积过程对土壤有机碳分解释放的温度敏感性的影响，并量化多年冻土退化过程中养分的有效性在调节土壤有机碳动力学和生态系统恢复中发挥的作用。

作者简介

牟翠翠

牟翠翠，女，1984年出生，理学博士，兰州大学资源环境学院教授。长期从事冰冻圈环境与冻土碳循环研究，在多年冻土碳释放过程方面取得了较为系统的创新成果。主持国家重点研发计划项目课题1项，国家自然科学基金项目2项。在本领域主流期刊如Earth-Science Reviews，Geophy. Res. Lett.，Water Res.，The Cryosphere等发表论文40篇。担任2019年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》贡献作者，参与北极理事会北极监测与评估（AMAP-2021）关于北极评估报告编写工作；担任中国冰冻圈科学学会（筹）理事会理事并兼任教育工作委员会主任。获得国际冰冻圈科学协会（IACS）颁发的“最佳青年报告奖”，荣获“施雅风冰冻圈与环境基金”青年科学家奖。

招生信息：地球系统科学专业硕士

Email：mucc@lzu.edu.cn

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825220304797?dgcid=author

作者：牟翠翠

编辑：张海霞

审核：郭军明

总审核：张强弓