凍土，與你我息息相關

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近年來夏季總是熱浪滾滾，「最熱年份」的各種記錄不斷被打破。我們的地球，沒有最熱，只有更熱。

圖1 近年來有關氣候報道的新聞截圖

全球變暖主要是由人類燃燒化石燃料引起的。此觀點有著堅實的科學基礎：來自全球各地的氣溫觀測數據、湖泊沉積、冰芯和樹輪的一系列證據、北極海冰和南極冰蓋的消融等現象。

當然，還有一個重要的現象，那就是凍土的溫度上升。

地凍住了，就成了凍土

圖2 凍結的大地

除了大家直接看到的地面凍結的土壤之外，還有一種分布廣泛的凍土：多年凍土。

圖3 阿拉斯加多年凍土區

開闊的草原、大型哺乳動物。確定這不是非洲大草原？不是說地凍住了就是凍土，這算哪門子凍土？沒錯，這真是多年凍土，繼續看下面這幾張圖。

圖4 多年凍土區地下冰圖片

看到了吧？原來，凍土就「藏」在地表以下。

其實，多年凍土是指存在時間超過兩年的溫度低於0℃、含有各種物質的岩石或土壤，很多地區，多年凍土的存在時間可超過幾萬年。其垂直剖面示意圖如圖5。

圖5 多年凍土的垂直剖面示意圖

這麼看來，多年凍土是指埋藏於地表以下的凍結層，那之前我們以為的凍土是假的凍土？其實那也是凍土，只不過叫短時凍土或者季節凍土。根據凍結時間長短來分：短時凍土的存在時間為數小時、數日至半月；季節凍土的存在時間為半月至數月；多年凍土的凍結時間持續兩年或兩年以上。

多年凍土對水文過程和植被都有重要影響

我們今天重點介紹的是多年凍土。多年凍土面積分布巨大，全球的多年凍土區佔北半球陸地面積的24%，總面積約1900萬平方千米（圖6）。

圖6 全球多年凍土區分布示意圖（紅色圓圈是我國青藏高原地區，這也是世界上最大的中低緯度多年凍土分布區）

多年凍土對水文過程有著重要的影響。在環北極地區，很多地表看起來含水量高，河流分布廣泛。可是很多地方的年降水量(包括融化的雪)只有150-250 mm，如果沒有多年凍土的存在，環北極地區將是一片荒漠。多年凍土凍結層的存在，阻止了土壤水分的下滲，因此水分浸潤地表土壤時，就會形成沼澤和池塘，可以為植物生長提供水分。

圖7 阿拉斯加多年凍土區的濕潤地表條件

在青藏高原，多年凍土的存在同樣有利於土壤水分的維持，從而利於植被的生長。當然，多年凍土與土壤水分、植被生長是相互作用的：

• 多年凍土的存在有利於植被生長；
• 土壤水分高時，有利於地下冰的形成，而地下冰在夏季融化時會吸收大量的熱，因此也有利於保護多年凍土的向下融化；
• 較好的植被條件會在夏季通過遮陰效應，降低土壤溫度；
• 植被生長提高了土壤有機質含量，降低土壤導熱率，對多年凍土也有保護作用。

在活動層較淺的地區（例如環北極的大部分地區），多年凍土退化導致的地下冰融化，會向地表補充大量水分，促進植物的生長；在活動層較大的地區（例如我國青藏高原的大部分地區），多年凍土退化會導致更多的土壤水分下滲，地下冰融化對土壤水分補充的水分也難以被植物吸收，所以會導致植被退化（圖8）。

圖8 青藏高原不同多年凍土條件下土壤水分、溫度和植被分布示意圖

在多年凍土區進行工程建設，面臨著許多挑戰

多年凍土對工程的影響也很大。因為多年凍土深埋地下，且其厚度太大，人類在多年凍土區的工程只能建立在多年凍土層之上。

那麼，問題來了。

隨著全球變暖，多年凍土在不斷退化，凍結層融化後，會導致地面沉降，從而影響到工程結構的穩定性。工程本身會對土層的結構產生影響，公路的瀝青路面還會吸收更多的熱量，加速多年凍土的退化。因此，在多年凍土區進行工程建設，面臨著許多挑戰（圖9）。

圖9 多年凍土區因沉降廢棄的建築物和沉降影響的公路

許多工程須在多年凍土區修建。因此，人們發展了一系列技術，用以提高多年凍土區工程的穩定性。例如：熱棒（圖10）、塊石護坡（圖11）、特殊工程設計包括管道的彎曲設計（圖12）等。

圖10 多年凍土區的熱棒

圖11 多年凍土區的塊石護坡

圖12 阿拉斯加輸油管道的鋸齒形設計和公路的無瀝青路面

採用的這些措施目的是要能保證工程的穩定性，保證公路、鐵路的安全運營，並使得工程後期的維護成本得到大幅度的降低（圖13）。

圖13 多年凍土區的青藏鐵路

多年凍土對我們的日常生活有影響嗎？當然有

多年凍土主要是在環北極地區和青藏高原，那與我們的日常生活有關係嗎？當然有關係，主要原因是其對水循環和氣候的影響。

多年凍土對水循環有著複雜的影響。例如我們國家的三江源自然保護區就廣泛發育多年凍土。多年凍土退化會增加土壤水分下滲，減少地表徑流，從而影響我國和亞洲多條重要大河的徑流量和年內分配規律。此外，若多年凍土全部退化，其巨大的地下冰儲量也會融化，改變全球的水循環。

多年凍土對氣候的影響主要是因為其與碳循環相關。多年凍土區溫度低、土壤含水率高，限制了土壤微生物的活動，有機質的分解緩慢；表層土壤強烈的凍融循環會將有機質帶入深層土壤，促進了有機質的埋藏（圖14）。

多年凍土區有機質分解緩慢，經過千百年來，甚至是數萬年以來的長期積累，積累了大量的有機碳。多年凍土區有機碳的儲量約為大氣中碳儲量的2倍（圖15）。

圖14 青藏高原多年凍土區土壤探坑剖面（40cm以上的土層有機質含量高，50-60cm和1.2m-1.4m都有埋藏的有機質層，1.6m以下為多年凍土層）

圖15 多年凍土和陸地及大氣碳庫分布情況（Pg為10億噸）

多年凍土區的巨大碳庫和多年凍土的發育密切相關，其積累的必要條件就是多年凍土區的低溫環境。多年凍土退化，意味著土壤溫度升高，這會加速活動層中碳的分解，同時也使得多年凍土層中之前凍結的有機碳開始融化，並也被微生物利用分解。這些有機碳分解後會形成溫室氣體進入大氣，從而進一步加速全球變暖（圖16）。

圖16 多年凍土區碳循環與溫室效應的正反饋示意圖

多年凍土的碳儲量巨大，其變化足以影響到大氣中溫室氣體的濃度。毫無疑問，溫度升高會加速土壤中有機碳的分解。當然，溫度升高在夏季會促進植被生長，在夏季能吸收更多的碳。但是，大部分研究表明，這部分吸收的碳不足以抵消土壤中釋放的碳。也就是說，多年凍土退化和溫度升高後，會整體上導致碳的釋放。

如何把更多的碳留在未解凍的多年凍土裡？對多年凍土區的碳進行固定顯然不切實際，唯一可行的解決方案是限制化石燃料的使用和森林砍伐，以此減緩全球變暖。只有這樣，才能減緩多年凍土的融化速率，從而為全球各個地區的人類爭取更多的適應時間。

作者：吳曉東 陳雲峰

來源：中國科學院西北生態環境資源研究院（籌）

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