The Innovation | 全球气候变化会导致冻土退化吗?

导 读

近日来，北美地区极端高温已导致700余人死亡；欧洲中西部地区的强降雨引发罕见洪水已造成至少164人死亡；中国河南千年一遇的强降雨引发大规模洪水已致120多万人受灾。极端气候事件频繁出现，是大自然向人类敲响的警钟。

然而，全球变暖不仅加剧了气候系统的不稳定性，也对陆地生态系统产生着深远影响。冻土作为陆地生态系统重要的组成部分，其面积约占全球陆地总面积的50%。在全球气候变化背景下，全球冻土正在持续地消融和退化，不仅增加了生物安全的风险，也会释放大量温室气体从而进一步加剧全球变暖，因此深刻影响着人类的生存环境和可持续发展。然而，目前对全球冻土的时空演变和驱动机制仍缺乏较为全面的认识。本研究结果表明，在土壤冻结时间推迟和消融时间提前的共同影响下，近40年北半球表层土壤冻结的持续时间和面积显著减少，而温度和积雪等因素起着关键作用（图1）。该研究可为准确评估和预测北半球土壤冻融格局变化及其生态环境效应提供重要支撑。

图1 在温度和积雪等因素的作用下，北半球土壤冻结时间显著缩短

全球气候变化不仅加剧了两极和高山的冰川消融过程，也对全球陆地生态系统产生着深远影响。冻土作为陆地生态系统重要的组成部分，其不仅分布面积广，而且是气候变化的灵敏“指示器”，同时也蕴藏着丰富的微生物和有机质资源，在全球生物安全和气候变化等领域发挥着重要作用。通常而言，冻土随着季节变化而发生周期性的冻融循环（如冬季冻结，夏季融化），称为季节冻土；如果多年处于冻结状态的土层，则称为多年冻土。而多年冻土又可分为上下两层，上层是“冬冻夏融”或者“夜冻昼融”的活动层，下层是多年冻结不融的永冻层（图2）。

图2 季节冻土和多年冻土分层示意图

因此，解析土壤冻融循环（FTCs）的时空演变对于理解气候变化背景下陆地生态系统的生物地球化学循环等关键过程至关重要。随着全球气候变暖，冻土的退化和冻融格局的变化不仅会释放大量温室气体从而进一步加剧气候变暖，也会影响生态水文特性和植被物候及生产力，甚至会释放出古病毒和病原微生物加剧全球生物安全的风险，从而深刻影响着人类的生存环境和可持续发展。然而，目前对土壤冻融过渡状态等关键过程的重要性仍缺乏较为全面的认识，并且在全球冻土的时空演变和驱动机制等方面仍不明晰。

图3 1979-2017年北半球土壤冻结、融化和过渡状态持续时间（A）和面积（B）变化

最近，中国科学院生态环境研究中心傅伯杰院士团队采用多源遥感数据融合和归因分析等方法，详细刻画了1979-2017年北半球土壤冻融循环的时空格局及热点地区和关键驱动因子。研究结果显示，近40年来北半球土壤冻结的持续时间和年平均面积分别以每年0.13±0.04天和4.9×10⁴ km²的速率显著减少（图3），这主要是由于土壤开始冻结的时间以每年0.1±0.02天的速率显著推迟，而冻结结束的时间和开始融化的时间分别以每年0.21±0.02天和0.15±0.03天的速率显著提前，尤其是在北美洲南部和亚欧大陆的大部分地区。这表明，每年入冬的时间逐渐推迟而春天则逐渐提前来临，从而使整个冬季冻结期变得更短。并且，欧亚大陆土壤冻融状态的面积变化比北美洲更为剧烈，尤其是在中纬度（30-45°N）和北极（75°N以北）等地区（图4）。如果这种变化趋势持续下去，势必会引起土壤圈、水圈和生物圈等自然界各圈层的连锁反应，从而威胁着人类的生存和发展。

图4 1979-2017年北美洲（A）和欧亚大陆（B）不同纬度带土壤冻结、融化和过渡状态年平均面积的变化趋势

此外，该团队将前人研究中的非冻结状态进一步细分为融化状态和过渡状态。过渡状态是指由于昼夜温差等原因而出现频繁冻融交替的状态，常发生在秋冬交替和冬春交替等时期。在此期间，土壤的理化性质和微生物活性均会发生剧烈变化，从而对关键元素的生物地球化学循环过程产生深远的影响。基于分段回归模型和Mann-Kendall趋势检验的结果表明，北半球的春季过渡期整体上显著提前，而秋季过渡期在2000年以后出现显著推迟（图5）。从空间格局上看，欧洲西部、太平洋沿岸、北美洲南部和我国的北部及青藏高原等地区均为冻融过渡状态变化显著的热点区域（图6）。

图5 1979-2017年北半球土壤年冻结开始（A）、冻结结束（B）、融化开始（C）和融化结束（D）日期的变化趋势

图6 1979-2017年北半球土壤冻结开始（A）、冻结结束（B）、融化开始（C）和融化结束（D）变化趋势的空间格局

由于前期研究主要侧重于分析温度和土壤水分等因素对冻融状态的影响，而对积雪动态的作用认识不足。因此，该研究通过耦合目前最新的雪水当量（GlobSnow v3.0 SWE）等数据集，解析了近40年北半球土壤冻融时空格局变化的关键驱动因子。结果表明，相较于土壤水分，温度和积雪对北半球土壤冻融格局变化的影响更为显著，这为模拟和预测未来土壤冻融格局变化及生态环境效应提供了科学依据。

总结和展望

虽然冻土一般分布在中高纬度和高海拔地区，但是与我们的生活息息相关。在全球气候变化背景下，冻土持续地消融和退化可能使得“新气候”时代加速到来。该研究发现了近40年北半球表层土壤冻结的持续时间和面积显著减少，识别了土壤冻融格局变化的热点地区和关键时期，并强调了温度和积雪等因素在其中的驱动作用，有助于更好地理解未来全球冻土的演化过程和趋势。然而，冻土的持续退化仅仅是全球气候变化的一个方面，随着近年来全球暴雨洪涝、高温热浪和持续干旱等极端气候事件的频率和强度显著增加，我们不仅要科学地应对和适应气候变化，更需要采取切实可行的减排增汇措施来减缓未来气候变化，从而实现与自然和谐共生。

全球气候变化加速冻土退化，极端天气也频繁出现，人类在大自然灾难面前如此脆弱。为了我们共同的家园，请节约使用每一滴水、每一张纸、每一度电，绿色出行，低碳生活……珍惜环境，从我做起！

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00071-0

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第三期将以Report发表的“Shortened duration and reduced area of frozen soil in the Northern Hemisphere” (投稿: 2021-01-28；接收: 2021-07-18；在线刊出: 2021-07-20)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100146

引用格式：Li T., Chen Y., Han L., Cheng L., Lv Y., Fu B., Feng X., Wu X. (2021). Shortened duration and reduced area of frozen soil in the Northern Hemisphere. The Innovation. 2(3),100146.

作者简介

傅伯杰，中国科学院院士，第三世界科学院院士，英国爱丁堡皇家学会外籍院士，美国人文与科学院外籍院士，中国科学院生态环境研究中心研究员。主要从事景观生态学与自然地理学研究，在Nature、Science、Nature Climate Change、Nature Geoscience、Science Advances、National Science Review等刊物发表论文300余篇，出版著作10余部，为国家提供咨询报告10余项，多次入选高被引学者榜单。曾获国家自然科学二等奖、国家科技进步二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、何梁何利科学与技术进步奖和国际景观生态学会杰出贡献奖。

伍星，中国科学院生态环境研究中心副研究员，中国科学院青年创新促进会会员。主要从事气候变化和人类活动对生态系统碳氮循环的影响及其机制等方面的研究，在Environmental Pollution、Global Biogeochemical Cycles、Soil Biology & Biochemistry和Biology and Fertility of soils等刊物发表论文40余篇。

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