凍土突然解凍釋放出大量碳

　　全球約60%的土壤碳儲存在多年凍土區，隨著氣候變暖促進土壤碳排放，多年凍土區域有可能因此成為一個巨大的碳源。當前的地球系統模式只模擬了凍土垂直水平上的緩慢融化，而沒有考慮到凍土的突然解凍過程。凍土的突然解凍往往會導致地形地貌發生巨大改變，例如造成地面塌陷、快速侵蝕和崩塌，形成湖泊和濕地等。盡管只有不到20%的凍土區域可能會發生突然解凍，但這一過程可能會威脅到50%的凍土碳儲量。對此，研究人員綜合了現有的觀測數據，結合一個一階模型，模擬了凍土突然解凍對凍土碳平衡的影響。在RCP8.5的情景下，250萬平方公里凍土突然解凍導致的氣候反饋，與1800萬平方公里凍土的緩慢融化導致的氣候反饋相當。模型預測，在RCP8.5的情景下，凍土緩慢融化可能會使得生態系統凈碳吸收，但是突然解凍產生的碳排放量可能會讓這一潛在的碳匯化為烏有。到2300年，突然解凍所塑造的地形中，山坡侵蝕類型將占到3%，但其碳釋放量卻占到了所有地形碳排放量的三分之一。凍土解凍形成的湖泊和濕地則是甲烷的熱點，但它們釋放的碳被緩慢再生的植被部分抵消。考慮到凍土突然解凍后會趨于穩定、湖泊排水和植被恢復對土壤碳吸收的影響后，現有的模型只模擬了凍土的緩慢融化而忽視了突然解凍這一過程，因而實質上大大低估了凍土解凍時的碳排放量。

　　研究背景

　　永久凍土區占全球土壤面積的15%，卻存儲了全球60%的土壤碳（約1500 PgC）。高緯度地區的快速增溫正在加劇凍土碳的分解，將大量溫室氣體釋放到大氣，可能足以影響到氣候系統。凍土碳非常容易受到凍土融化的影響，由此產生的排放量也可能非常巨大，這一現象已經是當今氣候談判的熱點問題。

　　當前的地球系統模式主要關注于氣候變暖如何影響凍土活動層的高度及其水文狀態。隨著氣候變暖，高緯度地區的凍土活動層的垂直高度將逐漸擴張。然而，在地表冰過多的地區，在凍土退化過程中會發生地表沉降，形成熱喀斯特（thermokarst）。長期以來，人們一直認為熱喀斯特等凍土突然解凍過程具有非常重要的意義，但這些過程過于復雜而未被充分研究，因此沒有被充分納入到耦合模型中。凍土幾十年的緩慢融化只能影響到幾厘米的土壤，而突然解凍則有可能在幾天到幾年的時間里影響到數米深度的土壤。在高地，凍土的突然解凍會造成熱融滑塌、沖溝和活動層剝落等現象；而在排水不良地區，凍土的突然解凍會導致湖泊和熱喀斯特湖的形成。在這些地貌中，凍土區域的水文狀況都被極大地改變了。當解凍后的土壤處于淹水狀態，其碳礦化速率受到抑制，但CH4產量增加。因此，隨著土壤解凍，凍土的碳平衡也隨之改變，并隨著時間而發生生態演替。例如有研究就發現，在千年尺度上，熱喀斯特湖從最初大氣碳源轉變為了碳匯。

　　研究方法

　　對此，為了比較凍土突然解凍和緩慢融化產生的排放量，研究人員綜合了現有的觀測數據，開發了一個簡單、統一的一階模型，用于探索凍土突然解凍的初始階段以及隨后的中長期生態系統恢復階段的生態系統碳平衡（Fig. 1）。

　　Fig. 1 | 凍土突然解凍后的演替模式。a：在山坡或高地，凍土突然解凍造成滑塌、活動層剝落和沖溝地貌；b：在含有礦質土壤的低地上，則會形成湖泊；c：在富含有機質的低地上，則會形成湖泊或濕地。隨著生態演替，一些地貌會恢復到初始的狀態。

　　研究結果與討論

　　解凍面積在RCP8.5情景下，凍土突然解凍的面積預計在2000-2300年期間增加三倍。有必要指出的是，凍土的突然解凍也是凍土周期沉積和退化的一種自然行為；因此，為了區分出氣候變化所造成的突然解凍速率，研究人員對1900年到2000年的歷史背景值進行了評估。研究表明，氣候變化正使得凍土解凍速率迅速增長。在1900年，有90.5萬平方公里凍土（約占整個永久凍土區的5%）發生了突然解凍。隨著氣候變暖，到2100年，突然解凍的凍土面積增加到160萬平方公里；而到2300年，總面積預計增加到250萬平方公里。隨著時間的推移，突然解凍的區域會變得穩定而逐漸恢復，因此有可能再次形成永久凍土。碳平衡 研究發現，氣候變暖導致凍土突然解凍的速度加快，使得生態系統從凈碳吸收轉變為凈碳釋放。到2300年，凍土突然解凍導致的累積碳排放量約為 80±19 PgC（Fig. 2a）。相比之下，最近的研究發現，到2300年，凍土的緩慢融化預期將導致208 PgC 碳損失。因此，突然解凍的碳損失相當于緩慢融化碳排放的40%。而其中大部分碳損失來源于新形成的地貌，但是這些地貌只占總凍土面積的5%。

　　Fig. 2 | 凍土突然解凍導致的碳釋放。不同解凍地貌的凈碳平衡（net ecosystem carbon balance, NECB）以及CO2和CH4相對輻射強迫。a：整個凍土區的突然解凍；b：熱融滑塌、沖溝或活動層剝落地貌；c：熱喀斯特湖；d：濕地和湖泊。NECB正值代表生態系統碳吸收，負值代表生態系統碳損失。輻射強迫數據是累積值，正值表示輸入能量超過輸出能量。

　　解凍新形成的湖泊是巨大的碳源，但是那些成熟的湖泊以及干涸的湖盆則表現為較低的排放量，有些甚至為凈碳吸收。因此，在進行碳評估時，還必須考慮到湖泊的成熟和排水過程，否則將高估新解凍湖泊的面積及其相關碳排放。另外，湖盆中植被的重新生長也能部分抵消碳排放（Fig. 2c）。研究發現，從2000年到2300年，在凍土突然解凍后的穩定期，植被的恢復抵消了約20%的碳排放量（約51 TgC yr-1）。約85%的植被恢復發生在穩定后的解凍湖泊和濕地。

　　從2000年到2300年，突然解凍所塑造的地形中，山坡侵蝕類型從將0.1%增加到3%，但其碳釋放量卻占到了所有地形碳排放量的三分之一（Fig. 2b）。這種地形有如此高的碳排放主要有3點原因。首先，它們具有良好的排水條件，適宜的氧氣有助于微生物分解土壤碳。第二，土壤在重新埋藏或向下游河流運輸過程中很容易迅速礦化。第三，研究人員的模擬結果顯示，這種地形下的植被恢復有限，無法有效補償土壤碳損失。

　　在凍土突然解凍過程中，甲烷（CH4）僅占碳排放的20%左右，但由于其強烈的大氣輻射強迫作用，貢獻了總輻射強迫的50%。綜合考慮CO2和CH4的排放量，從2000年到2100年，緩慢融化的碳排放量為613-802Tg CO2e yr-1，而突然解凍可以釋放624-960Tg CO2e yr-1。因此，250萬平方公里凍土突然解凍導致的氣候正反饋，與1800萬平方公里凍土的緩慢融化導致的氣候反饋相當。2100年后，由于氣候變暖使得湖泊排水和干涸，CH4對輻射強迫的貢獻有所下降（Fig. 2a,c,d）。

　　由于任何地球系統模式都沒有模擬凍土的突然解凍，量化它對氣候變化的反饋仍然是一個挑戰。隨著氣候變暖，凍土的解凍區域在不斷擴大，而與此同時，形成的濕地和湖泊也在排水、干燥之間，因此量化這一反饋需要綜合考慮到這兩者之間的平衡。研究表明，在RCP8.5情景下，21世紀全球溫度每升高1℃，凍土突然解凍將導致3.1 PgCCO2和1180 TgCCH4的反饋；而到2300年，則增加到7.2 PgCCO2和1970 TgCCH4。研究還發現，采取積極的氣候變化減緩措施可以減少約50%的突然解凍導致的碳損失。