冰凍圈化學的熱點科學問題

多年凍土退化與碳循環

北半球多年凍土區有機碳儲量為?1?400—1?850?Pg C，約占全球土壤碳庫的?50%，是大氣碳儲量的?2?倍多。全球快速升溫正在加劇多年凍土退化，導致原本凍結封存的有機碳融化分解，將大量溫室氣體（如?CO₂?和?CH₄）釋放到大氣中，而大氣中增加的溫室氣體進一步加速全球變暖。因此，多年凍土退化對氣候變化具有強烈的正反饋效應（圖?3）。然而，多年凍土的碳源和碳匯效應在不同區域表現出了巨大的差異，對未來的評估存在較大偏差。具體而言，氣候變暖引起土壤碳，特別是深層土壤碳釋放量的評估差異很大。北極地區多年凍土退化后，還有可能形成熱融湖塘而增加?CH₄?排放，而這種地表改變引起的溫室氣體氣候效應機理仍不清楚。此外，盡管全球變暖增加了局部地區土壤碳的釋放，但變暖又促進了植被生長，從而吸收更多的碳。因此，對上述過程認識的不足導致人們對未來碳循環和氣候變化的評估存在很大的不確定性。

多年凍土區碳的生物地球化學循環過程是發展和改進地球系統模式中的重要內容之一。目前，幾乎所有地球系統模式研究主要關注多年凍土緩慢升溫過程，在富冰多年凍土區，多年凍土退化會導致地表快速崩塌，形成熱喀斯特，但是，這些過程比較復雜而未被充分研究，因此沒有被納入到耦合模型中，導致碳循環的評估具有很大不確定性。氣候變暖導致多年凍土崩塌的速度加快，使得生態系統從凈碳吸收轉變為凈碳釋放，而植被的重新生長也能部分抵消碳釋放。另外，溶解性有機碳隨著徑流發生跨區域輸移，并改變其生物可利用性；其釋放通量對多年凍土退化的響應也是評估多年凍土碳反饋潛力的不確定因素之一。

除了陸地多年凍土，海底多年凍土對氣候變化也有重要影響。然而，由于目前對海底多年凍土分布、CH₄?水合物存儲及滲透過程、沉積物有機碳儲量及分解的生物地球化學機制不清楚，研究人員難以系統評估海底多年凍土碳庫的氣候效應。因此，在氣候變暖背景下要準確評估多年凍土退化對氣候變化的反饋，亟待解決的科學問題是：明確陸地和海底多年凍土退化過程中碳分解和穩定的化學機制，厘清多年凍土緩慢升溫和快速崩塌過程中溫室氣體釋放速率、方式及其與植被碳吸收之間的平衡關系。

冰凍圈退縮的環境效應

人類活動排放的污染物通過大氣環流傳輸到偏遠的冰凍圈，可以被封存在冰川和凍土之中。因此，冰凍圈也是人類活動釋放大氣污染物的“儲存庫”。隨著全球氣候變暖加劇，冰凍圈快速消融，其儲藏的有毒污染物將會快速釋放，即產生污染物的“二次釋放”。當前世界各國已經關注到冰川融化和多年凍土退化的環境危害。例如，在過去?40?年內我國西部冰川已通過冰川融水釋放出約?2?500 kg?汞污染物并進入下游生態系統，而且增溫背景之下的冰川表面冰塵積聚區極有可能是汞甲基化的新場所。北極多年凍土區亦存儲了大量的汞，氣候變暖導致北極多年凍土退化，從而增加凍土區汞的釋放和遷移。北極地區每年約有?20?000?kg?的汞污染物會進入河流并輸入到北冰洋中。這些冰川和凍土釋放的汞污染物和持久性有機污染物（POPs）等隨地表徑流進入下游生態系統中，將可能對依靠冰凍圈融水補給的河流下游地區生態環境產生潛在影響，所導致的環境污染風險不容小覷。

冰川和凍土中不僅含有上述有毒污染物，而且極有可能封存著古老的微生物。這些古老生命體在氣候變暖之前暫且還被凍結在冰凍圈之中，不參與冰凍圈與其他圈層之間的遷移。然而一旦冰川消融和凍土退化，極有可能釋放冰封萬年甚至數十萬年的微生物并進入人類生存環境。而這種極端后果，將可能是下一場人類無法承受的災難。已有研究發現在青藏高原深孔冰芯樣品中存在古老病毒，其中?28?種是新病毒。同樣地，在多年凍土中的未凍水內，經常被發現有微生物存在，其中也可能含有古老的病毒。早期在多年凍土中提取了一種被封存長達?3?萬年的病毒?，在實驗室對其重新加熱發現病毒仍能迅速復活。這也意味著，這些凍結在凍土中的未知病原體可能會因氣候變暖而再次蘇醒。隨著冰凍圈繼續快速退縮，“沉睡”在冰凍圈中的未知病毒重新被激活將對產生何種環境和健康效應，值得繼續深入研究。

 冰凍圈化學的氣候反饋效應

作為冰凍圈化學重要組分，吸光性成分（如黑碳、有機碳、粉塵等）的氣候反饋效應備受關注。雪冰中吸光性成分產生的直接影響是降低雪冰反照率，即通過雪冰表面變暗后吸收更多太陽輻射，使得雪冰增溫和雪冰消融加強。

在亞洲高山冰凍圈區域，沉降到雪冰中的吸光性成分的反照率反饋對地表氣溫具有顯著增溫作用，可達?0.1℃—1.5℃，這成為僅次于?CO₂?的重要短生命周期氣候強迫因子。青藏高原冰川消融期粒雪中黑碳和粉塵共同作用對反照率降低的貢獻可達?20%—50%，所導致的輻射強迫可達?100 W?·?m^–2。由于雪冰中黑碳和粉塵的氣候反饋作用，青藏高原地區冰川消融增加約?20%，積雪消融增加?5—25?mm?·?w.e.，積雪持續時間縮短?3—4?天。近年來，北極地區增溫幅度可達全球平均水平的?2?倍以上。由于雪冰表面的高反照率和強烈的反饋過程，北極地區氣候受雪冰中吸光性成分的影響顯著，而吸光性成分是除溫室氣體外造成北極變暖的重要因素。北極積雪黑碳導致的輻射強迫可達?0.17?W?·?m^–2，由此帶來的溫升幅度可達?0.24℃。吸光性成分可導致北緯?66.5°?以北每年?7—9?月海冰減少約?1%和格陵蘭冰蓋消融增加約?8?Gt?·?a^–1（約占總消融量的?6.8%）。冰凍圈的持續消融，特別是冰川的消融導致其表面的吸光性成分富集，從而進一步加速冰川消融。由此，雪冰中的吸光性成分的氣候效應將會越來越顯著，在全球范圍定量評估其影響及水文水資源效應是亟待解決的科學問題。

隨著實驗室分析測試和野外自動監測技術的提升，冰凍圈化學相關研究快速發展，通過多學科交叉融合，從過去主要側重化學組分在冰凍圈介質中的遷移轉換歸趨等過程的認識，逐漸發展至與氣候和環境效應等內容的深度融合。毋庸置疑，冰川（冰蓋）、凍土、河冰和湖冰、海冰等冰凍圈要素是記錄氣候環境變化及人類活動的獨特介質，具有不可替代的優勢；未來隨著分析測試新技術的發展和日趨完善，冰凍圈環境中更多化學組分分析測定將逐一實現；因此，冰凍圈化學的研究內容還會不斷拓展延伸。

冰凍圈化學已逐漸成為冰凍圈科學重要的分支學科，但冰凍圈化學的學科構建、內涵和外延需要在研究和實踐中不斷完善和發展。在未來學科發展中，迫切需要通過建立全球立體觀測網絡體系，獲得全球冰凍圈化學成分和遷移轉化的第一手資料，并結合實驗室分析測試和模擬，闡述冰凍圈環境介質中化學成分遷移轉化過程和機理，科學精準認知冰凍圈化學成分變化與生物地球化學循環的自然和人為過程、機理和影響，揭示全球變暖和人類活動加劇背景下冰凍圈的氣候和環境效應，從而為全球氣候變化應對和區域可持續發展提供科技支撐。

（作者：康世昌 ，中國科學院西北生態環境資源研究院副院長，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室主任、研究員；   黃  杰，中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心、中國科學院青藏高原研究所；   牟翠翠，蘭州大學  資源環境學院 ；    張玉蘭，中國科學院西北生態環境資源研究院、  中國科學院西北生態環境資源研究院；徐建中，中國科學院西北生態環境資源研究院；董志文，中國科學院西北生態環境資源研究院、  中國科學院西北生態環境資源研究院； 杜文濤，中國科學院西北生態環境資源研究院 。《中國科學院院刊》供稿）