冰冻圈化学：解密气候环境和人类活动的指纹

中国网/中国发展门户网讯   自工业革命以来，人类活动日益加剧，给地球环境带来深刻影响。特别是自 20 世纪中期以来，人口剧增，人类面临着严峻的资源、环境和社会发展等重大问题。20 世纪 80 年代，科学家提出“全球变化”概念，逐步将地球的大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、冰冻圈和人类圈纳入“全球变化”范畴，并突出强调地球多圈层相互作用及其环境变化。

在全球变暖背景下，近几十年来冰冻圈正在经历快速退缩。冰冻圈快速退缩引起冰冻圈区域的生物地球化学循环发生变化，导致冰冻圈化学成分和化学过程发生改变，对区域乃至全球气候和环境变化带来强烈的反馈效应。作为链接圈层相互作用的核心纽带之一，冰冻圈化学能为全球变化各个方面，如人类活动、环境污染、气候变化、生物地球化学循环等诸多科学研究提供基础。认识冰冻圈各要素中化学组分特征、时空格局、迁移转化归趋过程及其对气候和环境变化的响应与反馈机制，可为当今人类经济社会的可持续发展提供重要科技支撑。由此，在冰冻圈科学总体框架之下，与物理学、化学、生物学、大气科学、生态学、气候学和环境科学等内容综合交叉的冰冻圈化学应运而生。

 冰冻圈科学与冰冻圈化学

冰冻圈是指地球表层连续分布且具一定厚度的负温圈层。冰冻圈的组成要素包括陆地冰冻圈的冰川（含冰盖）、冻土（包括多年冻土、季节冻土）、积雪、河冰和湖冰，海洋冰冻圈的冰架、冰山、海冰和海底多年冻土，以及大气冰冻圈中的冻结状水体（如冰晶、冰核、冰雹等）。冰冻圈科学是研究自然背景条件下，冰冻圈各要素形成和变化的过程与机制，冰冻圈与气候系统其他圈层相互作用，以及冰冻圈变化的影响和适应的新兴交叉学科。冰冻圈化学是研究冰冻圈各要素化学组分的时空格局、来源、迁移、转化、归趋及其对气候和环境影响的一门学科；它涉及冰冻圈化学成分的地域特性、源和汇特征、生物地球化学循环过程，以及冰冻圈与其他圈层界面的化学过程等。

冰冻圈是气候系统中最为敏感的圈层，也是全球变化的放大器。冰冻圈主要分布在极地和高寒区域，受局地人类活动的影响较小；因此，冰冻圈化学作为“指纹信息”，可以反映区域或全球尺度气候与环境变化的信息，有利于获得不同气候和环境因子的演化过程。同时，冰冻圈独特的物质能量交换和快速的相变过程，对于气候变暖和人类活动极为敏感，是参与全球生物地球化学循环的重要圈层之一。在全球变暖和人类活动双重驱动下，冰冻圈生物地球化学循环与各类化学组分正在经历快速的变化过程，给气候和环境带来显著的反馈效应。

尽管冰冻圈化学是冰冻圈科学体系中的新兴研究领域，但随着冰冻圈化学学科的建设、发展和研究的深入，其必将为冰冻圈科学的发展提供支撑。此外，冰冻圈化学通过揭示多化学指标的生物地球化学循环规律，了解过去全球气候环境变迁历史和机理，并预测未来变化和服务人类发展，具有重要的科学意义和应用前景。

 冰冻圈化学学科框架

冰冻圈化学的学科框架如图 1 所示。冰冻圈化学研究空间范围包括陆地冰冻圈、海洋冰冻圈和大气冰冻圈；主要研究对象包括冰冻圈中的微量气体、无机和有机化学组分、稳定和放射性同位素、微生物等；研究时间范围覆盖小时、天、季节、年、多年等多个不同维度。冰冻圈化学研究内容主要包括 3 个方面。

冰冻圈化学相关的基本物理、化学和生物过程。基本物理过程主要包括大气成分的干湿沉降、清除过程、雪冰离子淋融和脉冲、冻土淋溶作用、海冰排盐等过程；化学过程主要包括同位素分馏、光化学作用、氧化还原反应等；生物学过程包括甲基化、甲烷的微生物过程、硝化与反硝化等。

冰冻圈化学组分的时空格局及其来源。研究大气冰冻圈、陆地冰冻圈、海洋冰冻圈中的无机成分（如化学离子、不溶微粒、元素、黑碳等）和有机成分（如有机质、持久性有机污染物等）的时空分布、传输和来源等；运用同位素的指纹特征研究化学成分的自然和人为来源；以及利用雪冰记录研究人类活动排放污染物的变化历史等。

冰冻圈生物地球化学循环的影响与效应。研究冰冻圈不同要素的关键生物地球化学过程；评估气候变暖和人类活动加剧双重影响下，冰冻圈生物地球化学循环的气候和环境效应，为应对未来气候环境变化提供科技支撑。