“地球冰箱”——神奇的冻土

“地球冰箱”——神奇的冻土

　　罗栋梁

　　在许多地理和气候变化类科普知识中，我们经常会看到一个词——冻土。那么，什么是冻土呢？它到底在哪里呢？

　　地球气候系统由五大圈层组成，除与日常生活密切相关的大气圈、水圈、生物圈土壤、岩石圈外，在地球表层还存在一个与上述圈层均有交互的特殊的负温圈层——冰冻圈，冻土就位于其中。冻土是温度在0℃或低于0℃且含冰的土壤或岩石，冻土中的冰，能够将土体中的砾石、黏粒、有机质等像胶水一样牢牢地胶结在一起。除了这个特殊性，冻土还是一种神奇的土体。它是“活”的，其形态性质随气候环境变化而改变。它的体积可“胖”可“瘦”，气候寒冷时可坚如磐石气候变暖后又软如稀泥，就像刚拿出冰箱的冰棍很难咬动，但快融化的时候又变得很软。

　　日常生活中人们接触到的土壤往往具有很强的可塑性，人们在上面开垦田地，种植粮食作物和经济作物，开挖地基，修筑房屋、基础设施和各类工程。然而，到了冬天，当气温降到0℃以下时，土壤中水分冻结，孔隙被冰晶充填，原来松软的土壤冻结后变得坚硬如水泥块或石块，刀剑难入。这，就是冻土。在几年到几万年甚至更长时间的地质演化和气候环境变迁中，冻土中的地下冰可以不断地生长发育和汇集。按照冻结状态持续时间的长短，自然界的冻土可分为瞬时冻土、季节冻土和多年冻土等。

　　冻土离我们有多近

　　冻土在甘肃广泛分布，其中祁连山北坡的酒泉市、张掖市和武威市、黄河源区甘南州等地均有多年冻土分布；省内中西部主要分布中-深季节冻土（最大冻结深度>1m），东部主要有浅季节冻土（最大冻结深度<1m）；瞬时冻土则分布在陇南市的极少数地区。

　　在气候严寒的青藏高原、我国东北和西北天山阿尔泰山等很多地区，年平均气温低于零摄氏度，分布着面积约160万k㎡的多年冻土，其冻结状态持续时间在两年或以上。多年冻土层之上，覆盖着厚度从几厘米到几米不等的活动层，每年经历着冷季冻结和暖季融化的过程。

　　季节冻土广泛分布在多年冻土区的外围以及华北、西北广大地区，其地表以下几十厘米乃至两三米常在冬春季处于季节性的冻结状态，是我国分布最广的冻土类型。而在长江中下游和云贵高原等地区，在极寒冷的冬天早晨或寒潮过境影响期间，短暂存在着冻结状态持续几小时至几天的短时或瞬时冻土。北半球多年冻土分布面积接近2300万k㎡，约占陆地表面积的1/5，广泛分布于西伯利亚、阿拉斯加和加拿大西北部，以及中低纬度海拔较高的青藏高原、中亚山地、大小兴安岭、阿尔卑斯山、安第斯山等。南半球多年冻土则分布于南极大陆外缘，以及海拔较高的安第斯山等。

　　据粗略估算，北半球多年冻土地下冰储量高达1.14万-3.55万km³，多年冻土连同其中的地下冰，相当于地球系统的巨大“冰箱”之一，在长期的气候环境变化、地理地质变迁和局地因素作用下，植被凋落物及死亡动物残体等堆积在地表后，由于不断地冻融翻搅最后沉积封冻到较深层的多年冻土中。由于多年冻土温度较低，土壤微生物的新陈代谢受到抑制，冻土中累积的动植物和微生物残体难以被大量分解，千百万年来“地球冰箱”便冷藏了陆地生态系统最大的土壤有机碳库。据估算，多年冻土中土壤有机碳储量达1.7万亿吨以上，占全球土壤碳库的大部分，超过了大气和植被碳库的总和。

　　冻土与气候变化

　　近几十年来，我国各地经历了不同程度的升温。今年夏天，我国不少城市经历了持续多日的35℃乃至40℃以上的高温天气，同时降水减少、蒸发量增加，加剧了各地不同程度的气象干旱。如，我国不少大江大河浅滩出露，湖泊严重萎缩，甚至东部一些湖泊水位创有记录以来同期历史新低，给地区工农业生产和社会经济活动带来了严重损失。

　　气候变暖对冻土区的影响尤为突出和显著。以多年冻土广泛分布的青藏高原为例，其年平均气温的升温幅度自1960年以来达到了0.4℃/10a，不仅高于同纬度其他地区，也是全球气温升速的1.5-2倍。气温升高叠加强烈人类活动和火灾等自然灾害，破坏了地气间原有的能量和水分平衡，造成区域性冻土退化，表现为：土壤温度升高，冻结天数减少，融化天数增加，冻结开始时间延后，融化开始时间提前，季节冻结深度减小以及多年冻土活动层加深。

　　位于青藏高原东北部的黄河源区是中华水塔的重要组成，也是黄河流域的水资源补给和水源涵养区，近二三十年来多年冻土退化严重，地下冰消融，热融灾害增多。其15m深度地温升温率达0.04℃-0.25℃/10a，其中地温低于-1℃的低温多年冻土升温更快，而地温较高（特别是高于-0.5℃且低于0℃、地下冰含量较高）的多年冻土升温相对缓慢，但当多年冻土退化为季节冻土后，地温在短期内迅速升高到+1℃乃至+2℃以上。研究数据表明，一旦退化为季节冻土，多年冻土很难再恢复原有热状态，其生态水文结构和功能就会发生显著变化，因而制约冻土区的生态安全屏障功能和水源涵养功能，降低寒区工程基础稳定性和承载能力。由此可见，气候变暖对冻土变化的负面影响不容忽视。

　　“地球冰箱”慢慢被打开

　　尽管多年冻土区人口稀少，但冻土退化、“地球冰箱”意外开启，不可避免地会直接或间接影响人们的生产生活和社会公共卫生安全。气候变暖加速了地下冰消融，加快了多年冻土由固态向液态转变，加速侵蚀植被覆盖稀疏和裸露的土壤，可能加剧地表的砾质化乃至沙化，减弱冻土水源涵养功能，加重冻融荒漠化。冻土快速退化和地下冰消融形成热融滑塌、热融沉陷、热融湖塘等热喀斯特现象，造成地表不均匀的下沉变形，引发桥隧道路工程病害。而人们对冻土区资源不合理的开发利用则进一步弱化了“地球冰箱”制冷功能，其大规模的机械施工不仅挖损压占土地，造成取弃土坑积水，而且加剧了对地貌景观、地表植被、沼泽湿地和冻结土壤结构的破坏，严重干扰了地表水热动态平衡，造成多年冻土活动层增厚，引发区域地下水位下降，冻土生态环境将更加脆弱。

　　在地形高陡的丘陵山地及山麓区域阴坡一侧，地下冰融化改变了冻土的强度和热力学性质，产生的水流渗透作用使表层土壤在重力作用下蠕滑，极易引发冻土滑坡、热融滑塌、融冻泥流等一系列热融灾害，更有甚者，造成人员伤亡。

　　热融湖塘和热融滑塌等热融退化地貌，相当于在多年冻土区划开并快速加深的一道道创口，慢慢打开了“地球冰箱”，造成了其“功能紊乱”，同时也弱化了其对冻土碳库等的冷藏功能。“地球冰箱”冷藏功能一旦弱化，冻土碳库就会失稳，进而对全球气候系统和生态环境产生不利影响，并可能加速气候变暖。随着气候变暖加剧，热融湖塘和热融滑塌出现的频率和体积都呈几何级数增加，不仅大大增加了冻土碳的暴露度，而且促进了冻土中微生物对土壤有机碳的活化。冻土碳库虽不至于如“碳炸弹”般爆炸，但巨大碳库一旦被打开，大量温室气体就将或缓慢或快速地释放出来。与此同时，历年来封存在冻土中的汞、砷、铬化合物等危险化学品，以及沉睡数万年的古老病毒和细菌等，也可能随着多年冻土融化而暴露或复苏，给社会公共卫生安全增加极大不确定性。

　　当前，为持续应对全球气候变化，我国正积极努力地实施碳达峰、碳中和政策。习近平总书记指出，实现碳达峰、碳中和不仅是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会变革。为了实现这一目标，生态系统的固碳减源增汇是其核心环节之一。而多年冻土作为陆地生态系统最大的有机碳库，如何尽量减少其碳源即降低其土壤有机碳的释放和排放速率，对于实现地球系统的碳中和便十分关键。

　　合理保护助力实现双碳目标

　　青藏高原是我国也是全球高海拔多年冻土主要分布区；东北地区是我国第二大多年冻土区，也是重要的原始森林和冻土碳库。但在社会经济发展背景下，土地利用变化、工农业生产模式以及生计方式变得更加多样化，冻土区的固碳增汇能力正变得越来越不稳定。若气候持续变暖，多年冻土退化趋势难以逆转，冻土区地表沉降和表土层蠕滑现象将更为频繁，以热融湖塘、热融滑塌、热融沉陷等的涌现为特征的冻土快速退化，一方面使冻土中的层状和块状地下冰敞露，另一方面让更多的土壤有机碳暴露于空气中。不仅如此，土壤侵蚀和土壤层位混合作用将改变浅表层土壤理化性质，可能进一步增强土壤微生物活性，加速有机碳的大量分解和温室气体的释放，并且可能使冻土区由弱碳汇向碳源转变，进而对气候变暖形成正反馈。

　　为了应对气候变化，实现碳达峰、碳中和这一国家重大战略，有必要多学科、多技术结合，构建接近自然状态或过程的冻土保护措施体系，合理保护冻土。考虑到多年冻土区同时也是高寒森林、灌丛和草地的主要分布区，其深部为易受气候变暖影响的有机碳库，在进行科研调查后，我们建议可采取增强土壤浅表层（0-30cm）固碳增汇能力和保护冻土深层（>30cm）碳库相结合的方法。

　　首先，在精准获取多年冻土空间分布的基础上，合理规划并优化冻土保护区的结构和功能，分类施策：对于热状态较稳定的低温多年冻土区，尽量减少人为干扰；而对热状态不稳定即处于退化边缘的高温多年冻土区，加强立体化监测并构建热融退化预警预判系统，同时积极实施退化高寒草地的生态修复。对于易发生热融退化的多年冻土，一方面优化其地表地下水文网络结构，通过增水和再湿化措施等维持合理地下水位，另一方面利用植被垫等的保护作用，减少热融退化的发生，尤其是避免突然和快速的冻土退化，降低土壤有机碳的暴露度。

　　其次，由于良好的植被状况在一定程度上可保护多年冻土环境，因此可在多年冻土区采取植被修复和湿地恢复措施，维护高寒生态系统生物多样性和高寒草甸草毡层结构和功能，同时繁育耐寒且具有较强碳固持能力的植物。

　　再次，充分利用一些微生物对土壤结构、密度、孔隙等性质的改造作用，发展微生物技术以调节冻结融化土壤热物理性质，并利用地表枯枝落叶层截留积雪以及对地表传热作用的改变，调控冷暖季太阳辐射在土壤浅表层的传导、对流和辐射，增加冬季散热减少夏季热量的集聚和向地下深部的传导。

　　最终，使多年冻土升温速率和活动层加深趋势减缓，合理保护多年冻土，维持“地球冰箱”功能，助力碳达峰、碳中和行动，促进社会经济的低碳高质量发展。（作者单位：中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室）