冻土，与你我息息相关
2018/8/27 7:30:00 中科院之声
近年来夏季总是热浪滚滚，“最热年份”的各种记录不断被打破。我们的地球，没有最热，只有更热。
图1 近年来有关气候报道的新闻截图
全球变暖主要是由人类燃烧化石燃料引起的。此观点有着坚实的科学基础：来自全球各地的气温观测数据、湖泊沉积、冰芯和树轮的一系列证据、北极海冰和南极冰盖的消融等现象。
当然，还有一个重要的现象，那就是冻土的温度上升。
地冻住了，就成了冻土
图2 冻结的大地
除了大家直接看到的地面冻结的土壤之外，还有一种分布广泛的冻土：多年冻土。
图3 阿拉斯加多年冻土区
开阔的草原、大型哺乳动物。确定这不是非洲大草原？不是说地冻住了就是冻土，这算哪门子冻土？没错，这真是多年冻土，继续看下面这几张图。
图4 多年冻土区地下冰图片
看到了吧？原来，冻土就“藏”在地表以下。
其实，多年冻土是指存在时间超过两年的温度低于0℃、含有各种物质的岩石或土壤，很多地区，多年冻土的存在时间可超过几万年。其垂直剖面示意图如图5。
图5 多年冻土的垂直剖面示意图
这么看来，多年冻土是指埋藏于地表以下的冻结层，那之前我们以为的冻土是假的冻土？其实那也是冻土，只不过叫短时冻土或者季节冻土。根据冻结时间长短来分：短时冻土的存在时间为数小时、数日至半月；季节冻土的存在时间为半月至数月；多年冻土的冻结时间持续两年或两年以上。
多年冻土对水文过程和植被都有重要影响
我们今天重点介绍的是多年冻土。多年冻土面积分布巨大，全球的多年冻土区占北半球陆地面积的24%，总面积约1900万平方千米(图6)。
图6 全球多年冻土区分布示意图(红色圆圈是我国青藏高原地区，这也是世界上最大的中低纬度多年冻土分布区)
多年冻土对水文过程有着重要的影响。在环北极地区，很多地表看起来含水量高，河流分布广泛。可是很多地方的年降水量(包括融化的雪)只有150-250 mm，如果没有多年冻土的存在，环北极地区将是一片荒漠。多年冻土冻结层的存在，阻止了土壤水分的下渗，因此水分浸润地表土壤时，就会形成沼泽和池塘，可以为植物生长提供水分。
图7 阿拉斯加多年冻土区的湿润地表条件
在青藏高原，多年冻土的存在同样有利于土壤水分的维持，从而利于植被的生长。当然，多年冻土与土壤水分、植被生长是相互作用的：
多年冻土的存在有利于植被生长；
土壤水分高时，有利于地下冰的形成，而地下冰在夏季融化时会吸收大量的热，因此也有利于保护多年冻土的向下融化；
较好的植被条件会在夏季通过遮阴效应，降低土壤温度；
植被生长提高了土壤有机质含量，降低土壤导热率，对多年冻土也有保护作用。
在活动层较浅的地区(例如环北极的大部分地区)，多年冻土退化导致的地下冰融化，会向地表补充大量水分，促进植物的生长；在活动层较大的地区(例如我国青藏高原的大部分地区)，多年冻土退化会导致更多的土壤水分下渗，地下冰融化对土壤水分补充的水分也难以被植物吸收，所以会导致植被退化(图8)。
图8 青藏高原不同多年冻土条件下土壤水分、温度和植被分布示意图
在多年冻土区进行工程建设，面临着许多挑战
多年冻土对工程的影响也很大。因为多年冻土深埋地下，且其厚度太大，人类在多年冻土区的工程只能建立在多年冻土层之上。
那么，问题来了。
随着全球变暖，多年冻土在不断退化，冻结层融化后，会导致地面沉降，从而影响到工程结构的稳定性。工程本身会对土层的结构产生影响，公路的沥青路面还会吸收更多的热量，加速多年冻土的退化。因此，在多年冻土区进行工程建设，面临着许多挑战(图9)。
图9 多年冻土区因沉降废弃的建筑物和沉降影响的公路
许多工程须在多年冻土区修建。因此，人们发展了一系列技术，用以提高多年冻土区工程的稳定性。例如：热棒(图10)、块石护坡(图11)、特殊工程设计包括管道的弯曲设计(图12)等。
图10 多年冻土区的热棒
图11 多年冻土区的块石护坡
图12 阿拉斯加输油管道的锯齿形设计和公路的无沥青路面
采用的这些措施目的是要能保证工程的稳定性，保证公路、铁路的安全运营，并使得工程后期的维护成本得到大幅度的降低(图13)。
图13 多年冻土区的青藏铁路
多年冻土对我们的日常生活有影响吗？当然有
多年冻土主要是在环北极地区和青藏高原，那与我们的日常生活有关系吗？当然有关系，主要原因是其对水循环和气候的影响。
多年冻土对水循环有着复杂的影响。例如我们国家的三江源自然保护区就广泛发育多年冻土。多年冻土退化会增加土壤水分下渗，减少地表径流，从而影响我国和亚洲多条重要大河的径流量和年内分配规律。此外，若多年冻土全部退化，其巨大的地下冰储量也会融化，改变全球的水循环。
多年冻土对气候的影响主要是因为其与碳循环相关。多年冻土区温度低、土壤含水率高，限制了土壤微生物的活动，有机质的分解缓慢；表层土壤强烈的冻融循环会将有机质带入深层土壤，促进了有机质的埋藏(图14)。
多年冻土区有机质分解缓慢，经过千百年来，甚至是数万年以来的长期积累，积累了大量的有机碳。多年冻土区有机碳的储量约为大气中碳储量的2倍(图15)。
图14 青藏高原多年冻土区土壤探坑剖面(40cm以上的土层有机质含量高，50-60cm和1.2m-1.4m都有埋藏的有机质层，1.6m以下为多年冻土层)
图15 多年冻土和陆地及大气碳库分布情况(Pg为10亿吨)
多年冻土区的巨大碳库和多年冻土的发育密切相关，其积累的必要条件就是多年冻土区的低温环境。多年冻土退化，意味着土壤温度升高，这会加速活动层中碳的分解，同时也使得多年冻土层中之前冻结的有机碳开始融化，并也被微生物利用分解。这些有机碳分解后会形成温室气体进入大气，从而进一步加速全球变暖(图16)。
图16 多年冻土区碳循环与温室效应的正反馈示意图
多年冻土的碳储量巨大，其变化足以影响到大气中温室气体的浓度。毫无疑问，温度升高会加速土壤中有机碳的分解。当然，温度升高在夏季会促进植被生长，在夏季能吸收更多的碳。但是，大部分研究表明，这部分吸收的碳不足以抵消土壤中释放的碳。也就是说，多年冻土退化和温度升高后，会整体上导致碳的释放。
如何把更多的碳留在未解冻的多年冻土里？对多年冻土区的碳进行固定显然不切实际，唯一可行的解决方案是限制化石燃料的使用和森林砍伐，以此减缓全球变暖。只有这样，才能减缓多年冻土的融化速率，从而为全球各个地区的人类争取更多的适应时间。
来源：中国科学院西北生态环境资源研究院(筹)
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