冻土突然解冻释放出大量碳

导读

全球约60%的土壤碳储存在多年冻土区，随着气候变暖促进土壤碳排放，多年冻土区域有可能因此成为一个巨大的碳源。当前的地球系统模式只模拟了冻土垂直水平上的缓慢融化，而没有考虑到冻土的突然解冻过程。冻土的突然解冻往往会导致地形地貌发生巨大改变，例如造成地面塌陷、快速侵蚀和崩塌，形成湖泊和湿地等。尽管只有不到20%的冻土区域可能会发生突然解冻，但这一过程可能会威胁到50%的冻土碳储量。对此，研究人员综合了现有的观测数据，结合一个一阶模型，模拟了冻土突然解冻对冻土碳平衡的影响。在RCP8.5的情景下，250万平方公里冻土突然解冻导致的气候反馈，与1800万平方公里冻土的缓慢融化导致的气候反馈相当。模型预测，在RCP8.5的情景下，冻土缓慢融化可能会使得生态系统净碳吸收，但是突然解冻产生的碳排放量可能会让这一潜在的碳汇化为乌有。到2300年，突然解冻所塑造的地形中，山坡侵蚀类型将占到3%，但其碳释放量却占到了所有地形碳排放量的三分之一。冻土解冻形成的湖泊和湿地则是甲烷的热点，但它们释放的碳被缓慢再生的植被部分抵消。考虑到冻土突然解冻后会趋于稳定、湖泊排水和植被恢复对土壤碳吸收的影响后，现有的模型只模拟了冻土的缓慢融化而忽视了突然解冻这一过程，因而实质上大大低估了冻土解冻时的碳排放量。

研究背景

永久冻土区占全球土壤面积的15%，却存储了全球60%的土壤碳（约1500 PgC）。高纬度地区的快速增温正在加剧冻土碳的分解，将大量温室气体释放到大气，可能足以影响到气候系统。冻土碳非常容易受到冻土融化的影响，由此产生的排放量也可能非常巨大，这一现象已经是当今气候谈判的热点问题。

当前的地球系统模式主要关注于气候变暖如何影响冻土活动层的高度及其水文状态。随着气候变暖，高纬度地区的冻土活动层的垂直高度将逐渐扩张。然而，在地表冰过多的地区，在冻土退化过程中会发生地表沉降，形成热喀斯特（thermokarst）。长期以来，人们一直认为热喀斯特等冻土突然解冻过程具有非常重要的意义，但这些过程过于复杂而未被充分研究，因此没有被充分纳入到耦合模型中。冻土几十年的缓慢融化只能影响到几厘米的土壤，而突然解冻则有可能在几天到几年的时间里影响到数米深度的土壤。在高地，冻土的突然解冻会造成热融滑塌、冲沟和活动层剥落等现象；而在排水不良地区，冻土的突然解冻会导致湖泊和热喀斯特湖的形成。在这些地貌中，冻土区域的水文状况都被极大地改变了。当解冻后的土壤处于淹水状态，其碳矿化速率受到抑制，但CH4产量增加。因此，随着土壤解冻，冻土的碳平衡也随之改变，并随着时间而发生生态演替。例如有研究就发现，在千年尺度上，热喀斯特湖从最初大气碳源转变为了碳汇。

研究方法

对此，为了比较冻土突然解冻和缓慢融化产生的排放量，研究人员综合了现有的观测数据，开发了一个简单、统一的一阶模型，用于探索冻土突然解冻的初始阶段以及随后的中长期生态系统恢复阶段的生态系统碳平衡（Fig. 1）。

Fig. 1 | 冻土突然解冻后的演替模式。a：在山坡或高地，冻土突然解冻造成滑塌、活动层剥落和冲沟地貌；b：在含有矿质土壤的低地上，则会形成湖泊；c：在富含有机质的低地上，则会形成湖泊或湿地。随着生态演替，一些地貌会恢复到初始的状态。

研究结果与讨论

解冻面积在RCP8.5情景下，冻土突然解冻的面积预计在2000-2300年期间增加三倍。有必要指出的是，冻土的突然解冻也是冻土周期沉积和退化的一种自然行为；因此，为了区分出气候变化所造成的突然解冻速率，研究人员对1900年到2000年的历史背景值进行了评估。研究表明，气候变化正使得冻土解冻速率迅速增长。在1900年，有90.5万平方公里冻土（约占整个永久冻土区的5%）发生了突然解冻。随着气候变暖，到2100年，突然解冻的冻土面积增加到160万平方公里；而到2300年，总面积预计增加到250万平方公里。随着时间的推移，突然解冻的区域会变得稳定而逐渐恢复，因此有可能再次形成永久冻土。碳平衡 研究发现，气候变暖导致冻土突然解冻的速度加快，使得生态系统从净碳吸收转变为净碳释放。到2300年，冻土突然解冻导致的累积碳排放量约为 80±19 PgC（Fig. 2a）。相比之下，最近的研究发现，到2300年，冻土的缓慢融化预期将导致208 PgC 碳损失。因此，突然解冻的碳损失相当于缓慢融化碳排放的40%。而其中大部分碳损失来源于新形成的地貌，但是这些地貌只占总冻土面积的5%。

Fig. 2 | 冻土突然解冻导致的碳释放。不同解冻地貌的净碳平衡（net ecosystem carbon balance, NECB）以及CO2和CH4相对辐射强迫。a：整个冻土区的突然解冻；b：热融滑塌、冲沟或活动层剥落地貌；c：热喀斯特湖；d：湿地和湖泊。NECB正值代表生态系统碳吸收，负值代表生态系统碳损失。辐射强迫数据是累积值，正值表示输入能量超过输出能量。

解冻新形成的湖泊是巨大的碳源，但是那些成熟的湖泊以及干涸的湖盆则表现为较低的排放量，有些甚至为净碳吸收。因此，在进行碳评估时，还必须考虑到湖泊的成熟和排水过程，否则将高估新解冻湖泊的面积及其相关碳排放。另外，湖盆中植被的重新生长也能部分抵消碳排放（Fig. 2c）。研究发现，从2000年到2300年，在冻土突然解冻后的稳定期，植被的恢复抵消了约20%的碳排放量（约51 TgC yr-1）。约85%的植被恢复发生在稳定后的解冻湖泊和湿地。

从2000年到2300年，突然解冻所塑造的地形中，山坡侵蚀类型从将0.1%增加到3%，但其碳释放量却占到了所有地形碳排放量的三分之一（Fig. 2b）。这种地形有如此高的碳排放主要有3点原因。首先，它们具有良好的排水条件，适宜的氧气有助于微生物分解土壤碳。第二，土壤在重新埋藏或向下游河流运输过程中很容易迅速矿化。第三，研究人员的模拟结果显示，这种地形下的植被恢复有限，无法有效补偿土壤碳损失。

在冻土突然解冻过程中，甲烷（CH4）仅占碳排放的20%左右，但由于其强烈的大气辐射强迫作用，贡献了总辐射强迫的50%。综合考虑CO2和CH4的排放量，从2000年到2100年，缓慢融化的碳排放量为613-802Tg CO2e yr-1，而突然解冻可以释放624-960Tg CO2e yr-1。因此，250万平方公里冻土突然解冻导致的气候正反馈，与1800万平方公里冻土的缓慢融化导致的气候反馈相当。2100年后，由于气候变暖使得湖泊排水和干涸，CH4对辐射强迫的贡献有所下降（Fig. 2a,c,d）。

由于任何地球系统模式都没有模拟冻土的突然解冻，量化它对气候变化的反馈仍然是一个挑战。随着气候变暖，冻土的解冻区域在不断扩大，而与此同时，形成的湿地和湖泊也在排水、干燥之间，因此量化这一反馈需要综合考虑到这两者之间的平衡。研究表明，在RCP8.5情景下，21世纪全球温度每升高1℃，冻土突然解冻将导致3.1 PgCCO2和1180 TgCCH4的反馈；而到2300年，则增加到7.2 PgCCO2和1970 TgCCH4。研究还发现，采取积极的气候变化减缓措施可以减少约50%的突然解冻导致的碳损失。