青藏高原冻土碳会不会变成重磅“温室炸弹”

导读

在温室效应逐渐严重，气温逐年攀升，厄尔尼诺现象频发的21世纪，两级冰川加速消融，而被封存在地下的冻土碳也在逐渐融化，并成为了世界碳排放中不可忽视的一部分。

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北半球分布的多年冻土面积约占北半球陆地表面积的1/4，青藏高原地区分布着环北极地区以外最大范围的多年冻土，有地球“第三极”之称。随着气候变化，青藏高原分布的多年冻土和季节性冻土正在发生并将持续发生退化。在气候变化背景下，青藏高原的冻土将发生何种变化，这些冻土变化对生态环境可能产生何种影响，这些问题越来越受到科学家、执政者以及公众的关注与重视。但受制于青藏高原恶劣的自然环境与稀疏的实地观测资料，这些问题始终很难获得较为科学的回答。

围绕这些科学问题，清华大学杨大文教授团队针对青藏高原冻土退化及其生态水文效应进行了相关研究，2020年5月，在Science Advances上发表文章，通过对青藏高原冻土及土壤碳观测数据的调查，估算了青藏高原多年冻土区有机碳的储量，同时首次评估了升温情景下青藏高原冻土有机碳融化释放对区域碳循环的潜在影响。

以往对环北极地区冻土碳的研究

北半球高纬度及高海拔地区多年冻土中储存的土壤有机碳（SOC）在全球气温变暖的背景下正逐渐成为一个巨大的碳源。多年冻土的定义是保持0摄氏度以下的时间长达两年的地下岩层或土层，北半球约有1/4的地区被多年冻土所覆盖。近年来研究表明，随着全球气候变暖，北半球高纬度及高海拔冻土的活动层逐渐变厚，导致这些地区原本储藏在多年冻土层中的土壤有机碳以二氧化碳、甲烷等温室气体的形式释放，这些温室气体进一步加剧全球升温，进而加速冻土退化，形成冻土碳-气候的正反馈。在代表性浓度途径（representative concentration pathways，RCPs，包含多种二氧化碳排放情景，包括RCP8.5代表的高水平排放，和RCP4.5代表的中等水平排放）RCP4.5和RCP8.5预测下，2100年多年冻土融化引起的冻土碳融化量预计分别在6-33pg（1Pg=10^15 g）和23-174pg之间，可能部分甚至完全抵消全球陆地碳汇(~160pg)（*指覆盖于多年冻土之上夏季融化冬季冻结的土层），甚至将环北极多年冻土区从净碳汇(~35pg)逆转为净碳源。

与环北极地区相比，以往研究者对青藏高原冻土特别是冻土碳的研究较为匮乏，已有的全球冻土碳数据集也缺乏青藏高原地区的相关数据。因此，开展青藏高原冻土土壤有机碳的研究就变得十分重要。

对青藏高原地区土壤有机碳的评估及预测

青藏高原分布着世界上范围最广的高山多年冻土，过去几十年的观测数据显示，青藏高原的多年冻土显著退化，活动层加深的速度甚至超过了环北极地区，且多年冻土海拔下界不断上移，面积减少，热稳定性持续下降。最近的研究表明，青藏高原多年冻土活动层深度可能超过3米；而多年来，对于多年冻土有机碳的研究更多局限于3m以内的浅层土壤。近期，也有科学家提出了北极冻土区3米以下的多年冻土融化带来的碳排放风险，表明这一部分土壤有机碳也是不可忽视的。

该团队通过观测数据驱动的结果，估计青藏高原多年冻土区的有机碳储量为50.43Pg(不确定范围，35.78至69.02Pg)，其中13.22Pg(不确定范围，13.19至13.26Pg)在活动层中发生季节性冻融，其余37.21Pg(不确定范围，22.59至55.75Pg)冻结在多年冻土层中。随着气候变暖，活动层将逐渐变深。基于不同排放情景进行预测，在2100年将有1.86 ± 0.49 Pg（RCP4.5） 或3.80 ± 0.76 Pg（RCP8.5）多年冻土层中的土壤有机碳发生融化，这会很大程度抵消当地的陆地碳汇，甚至可能将青藏高原多年冻土区转变为净碳源。

图1：青藏高原多年冻土活动层厚度的时空变化

在RCP4.5下，到2100年，额外融化的冻土碳量将抵消约70%的净陆地碳汇；在RCP8.5下，冻土碳融化量甚至可能将青藏高原多年冻土区从净碳汇转变为净碳源。在RCP4.5和RCP8.5情景下，到2100年，3米以下的冻土融化量也将分别抵消净陆地碳汇的~22%和~58%。需要指出的是，上述融化的冻土碳不会立刻被微生物分解而释放到大气中，融化冻土碳以温室气体形式释放到大气当中的速率需要综合考虑土壤微生物丰度、土壤有机碳性质等因素。

根据最近的青藏高原变暖实验，到本世纪末，大约45.4%的融化的多年冻土碳将最终被分解，以二氧化碳的形式释放到大气中。如果我们采用这个比例，在RCP4.5和RCP8.5情景下，到2100年，深层冻土释放的碳可以抵消净陆地碳汇的~10%和~26%，这突显了深层冻土融化对未来多年冻土碳释放的重要性。除了活动层逐渐加深导致的渐进性的多年冻土碳融化与释放外，该研究估计的大量分布的深层冻土碳(3~25米深度~35.10Pg，不确定性范围20.45~53.69Pg)也将受到突发性融化塌陷活动引起的热岩溶影响，以甲烷的形式释放到大气中。这将增加青藏高原多年冻土区在未来气候情景下成为净碳源的风险。

图2：解冻的土壤有机碳含量在不同RCP情景下的变化情况

研究结论

该团队的研究结果填补了全球已有冻土碳数据中关于青藏高原地区冻土碳分布状况的空白，弥补了现有研究仅关注浅层冻土碳释放的不足。为科学家评估气候变化背景下冻土融化对区域乃至全球碳循环的影响提供了新思路；为我国执政者制定一系保护政策提供了重要的参考意义。

参考文献

Wang, Taihua, Dawen Yang, Yuting Yang, Shilong Piao, Xin Li, Guodong Cheng, and Bojie Fu, 2020. "Permafrost thawing puts the frozen carbon at risk over the Tibetan Plateau." Science Advances, 6(19): eaaz3513.

文稿｜学术新秀候选人 王泰华

编辑及排版｜邱雨浩 周圣钧 高松龄

审核｜赵 鑫 张可人

“学术新秀”评选迄今已有24年历史，每年评选出约10名代表清华大学研究生最高学术水平的“学术新秀”，建立了突出质量贡献的学术评价制度。本文作者王泰华是第24届“学术新秀”的候选人。