环北极多年冻土区碳循环研究进展与展望

环北极多年冻土区作为全球碳库的重要组成部分,它以一种独特的方式响应着气候变化。在气候变暖的背景下,冻土中的有机碳将在全球碳循环中扮演着更活跃的角色。为增进对环北极多年冻土区碳循环的认识,分析了近年来北极多年冻土区碳储量和碳迁移状况,以及相关模型在模拟碳循环应用方面的最新进展。目前,对北极多年冻土区碳源/汇的时空分布格局、碳循环过程的关键驱动因子以及碳循环对全球变化的响应等一系列问题尚不能作出完整的、系统性的科学解释。同时,还进一步分析了北极多年冻土区碳循环模拟的三大不确定性因素。基于以上分析,提出未来对北极多年冻土区碳循环的研究还应在典型研究区开展长期的野外系统监测、创新研究方法,深化碳循环机制研究,重视学科交叉以及多模型集成,宏观与微观相结合、多途径与多尺度综合研究。     

从第三极到北极： 热喀斯特及其对碳循环影响研究进展

北半球多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 气候变暖加剧了多年冻土退化, 多年冻土退化最明显的特征是热喀斯特。热喀斯特会直接导致活动层及多年冻土层土壤有机质暴露, 并改变水文、 植被和土壤生物环境条件, 对生态系统碳循环具有重要影响。热喀斯特对碳循环的影响是评估多年冻土碳循环和气候变化关系不确定性的关键问题之一。然而, 在气候变暖背景下热喀斯特地貌的发育及其对碳循环影响有多大, 目前对这个问题仍然缺乏足够的认识。通过综合比较第三极和北极热喀斯特相关研究, 分析了第三极和北极地区热喀斯特地貌特征及其变化趋势, 阐述了热喀斯特对植被演替、 土壤碳损失和生态系统温室气体排放过程的影响, 并提出了未来热喀斯特研究可能遇到的挑战。认识热喀斯特碳循环过程, 是评估气候变化对多年冻土碳循环影响的关键环节, 有助于加强多年冻土区生态系统碳循环与气候变暖之间反馈关系的认知。     

多年冻土退化下碳、氮和污染物循环研究进展

多年冻土储存了大量的有机碳、氮素以及持久性有机污染物和汞等污染物.全球变暖背景下,目前全球大部分的多年冻土都处于退化状态.多年冻土区土壤温度升高、多年冻土层解冻后,土壤温度水分会发生变化,从而改变微生物的生长代谢过程,进而改变多年冻土区的物质循环.通过综述多年冻土区的碳、氮及污染物的储量及其在多年冻土退化下的迁移转化及输出特征,研究发现:多年冻土退化增加活动层厚度、形成热喀斯特地貌,一方面导致碳基和氮基温室气体快速释放到大气中,另一方面也向水生系统中输出溶解性碳氮组分及可溶性污染物,这些过程会导致多年冻土由碳、氮和污染物储存的"汇"转变为"源",并最终影响全球生物地球化学循环.明确多年冻土区碳、氮和污染物的生物地球化学循环过程对于全面理解气候变化对自然和人类社会系统的影响具有重要作用.未来研究中,还需要结合多学科技术手段,开展多年冻土退化过程、水文过程与生物化学循环过程的系统集成研究,此外,还需加强汞、POPs等污染物的二次释放过程与碳氮循环的耦合关系研究,定量多年冻土中污染物二次释放的环境效应,以深刻认识多年冻土中物质循环过程并为气候和环境变化提供预测依据.     

从第三极到北极： 多年冻土碳循环研究进展

多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 其碳库变化及生态系统碳反馈机制是当前全球气候变化研究中备受关注的热点问题。为了增强对多年冻土碳循环的认识, 通过综合第三极和北极地区多年冻土碳循环研究, 概述了土壤有机碳库大小、 脆弱性及生态系统碳交换过程, 分析了涉及大气、 海洋和陆地综合影响的多年冻土区生态系统碳循环。研究表明： 第三极和北极多年冻土区碳储量不确定性较大, 影响和控制有机碳分解和生态系统碳交换的生物地球化学过程仍需进一步研究, 进而改进生态系统碳循环相关的模拟研究。在全球气候变化背景下, 研究多年冻土碳库变化及其对气候变化的响应, 是预估未来气候变化的关键环节。     

IPCC第六次评估报告解读：北半球多年冻土碳的观测结果和预估

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)第一工作组报告对多年冻土区土壤碳储量、碳汇效应及未来气候情景下温室气体排放进行了归纳和总结。报告明确指出,北半球多年冻土区表层土壤和深层沉积物的有机碳储量为1 460～1 600 PgC(1 Pg=10亿吨)(中等信度)。随着气候持续变暖,多年冻土显著退化,土壤有机质迅速分解并以二氧化碳(CO₂)或甲烷(CH₄)的形式释放到大气中,加速了气候变暖。在未来全球变暖情景下,近地表多年冻土面积将显著减少,并向大气释放CO₂和CH₄,造成多年冻土碳与气候的正反馈作用。报告还指出,预计到2100年,气温每升高1℃,多年冻土区CO₂和CH₄的排放量分别相当于18(3.1～41) PgC和2.8(0.7～7.3) PgC(低信度)。但由于所使用的估算数据异质性较大及模型之间的一致性有限,并且对多年冻土环境驱动因素及过程模型的认知尚不完整,故多年冻土对气候变化反馈的时间及幅度的可信度还处于较低水平。     

大兴安岭呼玛河流域多年冻土区森林土壤有机碳和有效氮分布特征及影响因素北大核心CSCD

多年冻土区土壤碳、氮的可变性及对深层土壤特性了解的缺乏限制了人们对气候变化响应的理解。为明确东北大兴安岭多年冻土区森林土壤有机碳、有效氮(铵态氮、硝态氮)含量分布特征,于2020年秋季(9月末)采集呼玛河流域三种类型多年冻土区(不连续多年冻土区、零星多年冻土区和岛状多年冻土区)16个1 m深的土壤剖面,基于结构方程模型探讨海拔、气候、冻土区类型和植被类型等环境变量对森林土壤有机碳和有效氮含量的影响。结果表明:土壤有机碳和硝态氮含量在不连续多年冻土区高于零星多年冻土区和岛状多年冻土区,土壤铵态氮含量在零星多年冻土区高于岛状多年冻土区和不连续多年冻土区;在垂直剖面上,随着土壤深度的增加,土壤有机碳和有效氮含量呈降低趋势,且土壤有机碳与有效氮之间呈显著的负相关关系(P<0.05)。结构方程模型表明,植被类型和年平均温度是土壤有机碳含量变化的主要控制因素,年均降水量对土壤有机碳含量变化的影响最弱;冻土区类型和植被类型是土壤铵态氮和硝态氮含量变化的主要控制因素。研究结果能够为未来准确模拟和估算呼玛河流域多年冻土区森林土壤碳氮储量提供一定的数据支撑。     

CLM5.0对阿拉斯加多年冻土区土壤温度和碳循环模拟的适用性评估北大核心CSCD

气候变暖对北极多年冻土和植被产生了重要的影响。CLM(Community Land Model)是应用最广泛的陆面过程模式之一,但其中复杂的边界条件和参数化过程导致模式模拟结果存在一定的不确定性。本研究评估了CLM5.0对阿拉斯加多年冻土区表层土壤温度和碳循环的模拟能力,结果表明,CLM5.0可以捕捉到表层土壤温度的季节变化。在苔原和针叶林站点,CLM5.0在日尺度和月尺度都可以很好地模拟出总初级生产力(GPP)随时间的变化,但对净生态系统碳交换(NEE)的模拟结果存在一定的不确定性。CLM5.0可以较为合理地模拟高纬度多年冻土区的土壤温度季节变化,在未来的研究中可能还需要从结构、参数化方案等过程进行改进,从而进一步提升高纬度多年冻土区碳循环的模拟精度。     

东北多年冻土退化及环境效应研究现状与展望

东北多年冻土属中高纬度多年冻土,对气候变化非常敏感。数据模型模拟表明,21世纪东北多年冻土区气温会持续上升,显著的变暖将导致多年冻土退化。东北多年冻土呈现自南向北的区域性退化趋势,多年冻土区南部表现为南界的北移、融区的扩大和多年冻土的消失,而北部表现为多年冻土下限的上移、活动层厚度增大及地温升高等。多年冻土的退化会导致寒区生态环境的恶化,如兴安落叶松占绝对优势的天然林带锐减,林带北移,沼泽湿地萎缩等。随着多年冻土的迅速退缩和变薄,原多年冻土中蕴藏的碳将释放出来,对气候变化产生积极的正反馈,加速变暖,并影响全球碳循环。多年冻土退化导致其热状态失稳而造成寒区基础设施损坏,并且影响冻土微生物、碳循环、寒区生态和水文等,而它们是区域气候变化的重要因子,也将成为未来多年冻土研究的重点。而这些研究都需要长期的基础数据作支撑,因此需要进一步完善冻土参数监测网络,用模型厘清气候变化与多年冻土退化及其环境效应之间的关系。     

大小兴安岭多年冻土退化及其趋势初步评估

大小兴安岭多年冻土处于欧亚大陆多年冻土带南缘,地温高、厚度小、热稳定性差、对气候变暖的敏感性强.过去40 a来该区多年冻土退化主要表现为最大季节融化深度增大,厚度减薄,地温升高,融区扩大,多年冻土岛消失等.气候变暖及该区森林植被的锐减是导致多年冻土退化的普遍性和基础性因素,而多种人为活动影响起了加速促进作用.依据多年冻土南界与多年平均气温的密切相关关系,据1991—2000年平均气温-1.0~1.0℃等值线给出了现今多年冻土南界位置,并探讨了未来40~50 a后气温升高1.0~1.5℃情况下多年冻土南界的可能北移情况.     

南水北调西线工程通天河—雅砻江调水区若干冻土环境问题研究

调水区多年冻土划分为３个区，冻土面积为１１×１０＾４ｋｍ＾２左右，约占全区面积的７２．４％，受全球气候变化及人类经济活动的影响，区内多年冻土处于退化状态。在全球气候持续变暖的情况下，未来５０ａ内，目前厚度小于１０ｍ的多年冻土和岛状多年冻土将消融殆尽，多年冻土面积将减少约１５％，冻土下界上升１５０－２００ｍ，气候变暖，使得性冻土层变薄，某些地段的多年冻土消失或变为深埋藏多年冻土等，则可降低工程造价，     

气候变暖背景下青藏高原多年冻土层中地下冰作为水"源"的可能性探讨

多年冻土中含有大量地下冰,全球气候变暖势必导致多年冻土退化,地下冰融化,部分水分被释放并参与到区域水循环之中,改变了区域水文状况.冻土退化-释水的过程在监测上面临较大困难,无法提供直接让据,但其长期累计的效果在宏观水文过程中表现显著.为此,利用近年来青藏高原部分湖泊水位变化监测以及地区水文情势变化研究成果,探讨了在气候变暖背景下,多年冻土层中的地下侣冰作为一种潜在水"源"的可能性.结果表明:多年冻土退化较强烈地区,补给源头在多年冻土区的封闭湖泊水位上涨、地下水位上升,排除其它补给量增加的可能性后,多年冻土地下冰很可能是补给水量增加的原因之一.     

寒区灌丛与积雪关系研究进展

在气候变化的背景下, 寒区灌丛与积雪的相互关系成为寒区水文循环研究的重要环节. 综述近几十年来寒区灌丛-积雪相互关系的国内外研究现状, 并对未来研究提出了展望. 寒区灌丛过去几十年来覆盖面积和生物量等呈现增加趋势, 灌丛的增加可截留积雪, 改变积雪重分布, 影响积雪消融过程; 积雪可增加灌丛区地温, 制约灌丛区融雪时空变化过程, 影响寒区灌丛的生理生态过程. 灌丛与积雪同为寒区自然生态系统和环境的重要组成部分, 二者相互作用使地面太阳辐射和地表水分分配过程复杂化, 从而间接地影响寒区冻土环境变化. 最后, 指出了未来研究需要重点关注的几个问题: 寒区灌丛区积雪分布的精确估计; 灌丛-积雪-冻土连续体的研究; 耦合灌丛-积雪作用的寒区水文模型的构建.     

多年冻土区斜坡稳定性研究综述

全球变暖、极端天气频发,引发的地质灾害对自然生态环境和人类生产生活造成了很大的影响。尤其对气候变化较为敏感的高温（年平均地温>-1 °C）和高含冰量多年冻土区,气候变暖以及人类活动导致的冻融地质灾害日益频繁。冻土退化条件下,土体结构和物理力学性质发生改变,黏聚力和抗剪强度降低,造成多年冻土区斜坡发生滑坡、崩塌、泥流等灾害。斜坡失稳加剧了多年冻土区脆弱生态环境的恶化,同时对建（构）筑物安全运营产生威胁。与非冻土区相比,多年冻土区斜坡稳定性研究主要针对高含冰量斜坡段,斜坡失稳模式主要以热融滑塌和活动层滑脱为主。热融滑塌由斜坡段地下冰暴露融化引起,而活动层滑脱产生的原因是冻土融化导致土体孔隙水压力过大,形成的超孔隙水压力降低了土体强度,造成斜坡失稳。此外,多年冻土区斜坡失稳模式还包括融冻泥流、崩塌以及蠕变滑坡等。通过综述近期多年冻土区斜坡稳定性研究进展,概括了多年冻土区斜坡失稳的模式、特征、影响因素、失稳机理、分析方法及防治措施等,并对未来多年冻土区斜坡失稳的研究重点提出建议。     

高温多年冻土区冻土地基预先融化技术研究现状及展望

在气候变暖背景下,多年冻土退化加剧,高温冻土将会在更大范围出现,保护冻土原则的适用性将受到经济、技术、环保合理性的挑战.在条件适宜高温冻土区,根据建筑结构和基础类型,采用预先融化技术(简称预融技术)处理冻土地基可在经济合理的前提下,保证工程的安全可靠性和长期稳定性.回顾了国内外冻土区预先融化技术的经验,总结和展望了预融技术在工程设计、施工及运行中的三个基本步骤,包括施工前多年冻土的融化、已融土的密实和固结,工程运行期间保持融化和防止冻胀措施的实施.预融技术主要利用蒸汽,热、冷水的对流换热和电流热效应,以及改变地表热状况来融化下伏多年冻土.保持融化的方法主要包括改变地表反射率和地基土的结构,融土保温以及利用主动和被动升温传热装置等(如热管技术).结合中国东北的一些预融技术运用实例,如漠河机场工程等,简要评述了预融技术的应用效果.     

冻土区甲烷排放研究进展

冻土区土牡表面和活动层土的ＣＨ_４排放和吸收表现出强烈的时空变化性。根据多年冻土中ＣＨ_４含量的模拟结果表明，全球尺度上，平均每米厚度多年冻土含有ＣＨ_４６５Ｔｇ。在未来的２００年间，多年冻土融化所导致的大气ＣＨ_４附加年源强变化于２～２５Ｔｇ。     

森林大火对冻土环境影响的研究进展

森林大火是森林生态系统最主要的干扰因素之一,不仅影响着森林生态系统内部的营养物质循环、水分和能量流动、土壤理化性质的变化,而且对冻土环境和冷生土壤和土壤碳库、碳氮循环等生物地球化学过程有着重要影响。随着气候变暖和人为活动不断增强,北方林区火灾日益频繁,对冻土的水热影响显著：活动层加深、薄层冻土退化、浅层有机碳大量快速释放、森林和湿地的逆向演替,导致热融沉陷、滑塌、泥石流等现象发生。通过综述国内外森林大火对冻土环境影响的研究进展,分析指出目前森林大火对冻土环境影响的研究主要集中在火烧之后短时间、小范围的定性描述与推断,缺乏长时间、大范围的定量分析。尤其是在大兴安岭地区,除了20世纪90年代初期的少量研究外,此后这方面研究虽有零星报道,但缺乏长期和系统的观测与模型研究,所以森林大火对冻土环境的研究,可以利用空间代替时间的方法,通过长、短期的野外观测和数值模拟相结合,定量研究森林大火之后,多年冻土的水热状态、过程和变化机制,可以为寒区林区、湿地保护、生态环境修复提供科学依据。