如何把更多碳留在未解冻冻土里:限制化石燃料的使用 ... 能源

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来源：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。

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