冰冻圈化学：解密气候环境和人类活动的指纹

 冰冻圈化学的热点科学问题

多年冻土退化与碳循环

北半球多年冻土区有机碳储量为 1 400—1 850 Pg C，约占全球土壤碳库的 50%，是大气碳储量的 2 倍多。全球快速升温正在加剧多年冻土退化，导致原本冻结封存的有机碳融化分解，将大量温室气体（如 CO₂ 和 CH₄）释放到大气中，而大气中增加的温室气体进一步加速全球变暖。因此，多年冻土退化对气候变化具有强烈的正反馈效应（图 3）。然而，多年冻土的碳源和碳汇效应在不同区域表现出了巨大的差异，对未来的评估存在较大偏差。具体而言，气候变暖引起土壤碳，特别是深层土壤碳释放量的评估差异很大。北极地区多年冻土退化后，还有可能形成热融湖塘而增加 CH₄ 排放，而这种地表改变引起的温室气体气候效应机理仍不清楚。此外，尽管全球变暖增加了局部地区土壤碳的释放，但变暖又促进了植被生长，从而吸收更多的碳。因此，对上述过程认识的不足导致人们对未来碳循环和气候变化的评估存在很大的不确定性。

多年冻土区碳的生物地球化学循环过程是发展和改进地球系统模式中的重要内容之一。目前，几乎所有地球系统模式研究主要关注多年冻土缓慢升温过程，在富冰多年冻土区，多年冻土退化会导致地表快速崩塌，形成热喀斯特，但是，这些过程比较复杂而未被充分研究，因此没有被纳入到耦合模型中，导致碳循环的评估具有很大不确定性。气候变暖导致多年冻土崩塌的速度加快，使得生态系统从净碳吸收转变为净碳释放，而植被的重新生长也能部分抵消碳释放。另外，溶解性有机碳随着径流发生跨区域输移，并改变其生物可利用性；其释放通量对多年冻土退化的响应也是评估多年冻土碳反馈潜力的不确定因素之一。

除了陆地多年冻土，海底多年冻土对气候变化也有重要影响。然而，由于目前对海底多年冻土分布、CH₄ 水合物存储及渗透过程、沉积物有机碳储量及分解的生物地球化学机制不清楚，研究人员难以系统评估海底多年冻土碳库的气候效应。因此，在气候变暖背景下要准确评估多年冻土退化对气候变化的反馈，亟待解决的科学问题是：明确陆地和海底多年冻土退化过程中碳分解和稳定的化学机制，厘清多年冻土缓慢升温和快速崩塌过程中温室气体释放速率、方式及其与植被碳吸收之间的平衡关系。

冰冻圈退缩的环境效应

人类活动排放的污染物通过大气环流传输到偏远的冰冻圈，可以被封存在冰川和冻土之中。因此，冰冻圈也是人类活动释放大气污染物的“储存库”。随着全球气候变暖加剧，冰冻圈快速消融，其储藏的有毒污染物将会快速释放，即产生污染物的“二次释放”。当前世界各国已经关注到冰川融化和多年冻土退化的环境危害。例如，在过去 40 年内我国西部冰川已通过冰川融水释放出约 2 500 kg 汞污染物并进入下游生态系统，而且增温背景之下的冰川表面冰尘积聚区极有可能是汞甲基化的新场所。北极多年冻土区亦存储了大量的汞，气候变暖导致北极多年冻土退化，从而增加冻土区汞的释放和迁移。北极地区每年约有 20 000 kg 的汞污染物会进入河流并输入到北冰洋中。这些冰川和冻土释放的汞污染物和持久性有机污染物（POPs）等随地表径流进入下游生态系统中，将可能对依靠冰冻圈融水补给的河流下游地区生态环境产生潜在影响，所导致的环境污染风险不容小觑。

冰川和冻土中不仅含有上述有毒污染物，而且极有可能封存着古老的微生物。这些古老生命体在气候变暖之前暂且还被冻结在冰冻圈之中，不参与冰冻圈与其他圈层之间的迁移。然而一旦冰川消融和冻土退化，极有可能释放冰封万年甚至数十万年的微生物并进入人类生存环境。而这种极端后果，将可能是下一场人类无法承受的灾难。已有研究发现在青藏高原深孔冰芯样品中存在古老病毒，其中 28 种是新病毒。同样地，在多年冻土中的未冻水内，经常被发现有微生物存在，其中也可能含有古老的病毒。早期在多年冻土中提取了一种被封存长达 3 万年的病毒 ，在实验室对其重新加热发现病毒仍能迅速复活。这也意味着，这些冻结在冻土中的未知病原体可能会因气候变暖而再次苏醒。随着冰冻圈继续快速退缩，“沉睡”在冰冻圈中的未知病毒重新被激活将对产生何种环境和健康效应，值得继续深入研究。

 冰冻圈化学的气候反馈效应

作为冰冻圈化学重要组分，吸光性成分（如黑碳、有机碳、粉尘等）的气候反馈效应备受关注。雪冰中吸光性成分产生的直接影响是降低雪冰反照率，即通过雪冰表面变暗后吸收更多太阳辐射，使得雪冰增温和雪冰消融加强。

在亚洲高山冰冻圈区域，沉降到雪冰中的吸光性成分的反照率反馈对地表气温具有显著增温作用，可达 0.1℃—1.5℃，这成为仅次于 CO₂ 的重要短生命周期气候强迫因子。青藏高原冰川消融期粒雪中黑碳和粉尘共同作用对反照率降低的贡献可达 20%—50%，所导致的辐射强迫可达 100 W · m^–2。由于雪冰中黑碳和粉尘的气候反馈作用，青藏高原地区冰川消融增加约 20%，积雪消融增加 5—25 mm · w.e.，积雪持续时间缩短 3—4 天。近年来，北极地区增温幅度可达全球平均水平的 2 倍以上。由于雪冰表面的高反照率和强烈的反馈过程，北极地区气候受雪冰中吸光性成分的影响显著，而吸光性成分是除温室气体外造成北极变暖的重要因素。北极积雪黑碳导致的辐射强迫可达 0.17 W · m^–2，由此带来的温升幅度可达 0.24℃。吸光性成分可导致北纬 66.5° 以北每年 7—9 月海冰减少约 1%和格陵兰冰盖消融增加约 8 Gt · a^–1（约占总消融量的 6.8%）。冰冻圈的持续消融，特别是冰川的消融导致其表面的吸光性成分富集，从而进一步加速冰川消融。由此，雪冰中的吸光性成分的气候效应将会越来越显著，在全球范围定量评估其影响及水文水资源效应是亟待解决的科学问题。

随着实验室分析测试和野外自动监测技术的提升，冰冻圈化学相关研究快速发展，通过多学科交叉融合，从过去主要侧重化学组分在冰冻圈介质中的迁移转换归趋等过程的认识，逐渐发展至与气候和环境效应等内容的深度融合。毋庸置疑，冰川（冰盖）、冻土、河冰和湖冰、海冰等冰冻圈要素是记录气候环境变化及人类活动的独特介质，具有不可替代的优势；未来随着分析测试新技术的发展和日趋完善，冰冻圈环境中更多化学组分分析测定将逐一实现；因此，冰冻圈化学的研究内容还会不断拓展延伸。

冰冻圈化学已逐渐成为冰冻圈科学重要的分支学科，但冰冻圈化学的学科构建、内涵和外延需要在研究和实践中不断完善和发展。在未来学科发展中，迫切需要通过建立全球立体观测网络体系，获得全球冰冻圈化学成分和迁移转化的第一手资料，并结合实验室分析测试和模拟，阐述冰冻圈环境介质中化学成分迁移转化过程和机理，科学精准认知冰冻圈化学成分变化与生物地球化学循环的自然和人为过程、机理和影响，揭示全球变暖和人类活动加剧背景下冰冻圈的气候和环境效应，从而为全球气候变化应对和区域可持续发展提供科技支撑。

（作者：康世昌 ，中国科学院西北生态环境资源研究院副院长，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室主任、研究员；   黄  杰，中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；   牟翠翠，兰州大学  资源环境学院 ；    张玉兰，中国科学院西北生态环境资源研究院、  中国科学院西北生态环境资源研究院；徐建中，中国科学院西北生态环境资源研究院；董志文，中国科学院西北生态环境资源研究院、  中国科学院西北生态环境资源研究院； 杜文涛，中国科学院西北生态环境资源研究院 。《中国科学院院刊》供稿）