从第三极到北极： 热喀斯特及其对碳循环影响研究进展

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0006

冰川冻土 ›› 2020, Vol. 42 ›› Issue (1): 157-169.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0006

从第三极到北极：热喀斯特及其对碳循环影响研究进展

贾麟¹(), 范成彦¹, 母梅¹, 陈旭¹, 仲文¹, 尚建国², 张凤¹, 李丽丽³, 彭小清¹, 牟翠翠¹^,⁴^,⁵(), 张廷军¹^,⁵

^1.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室, 甘肃兰州 730000
^2.中国人民解放军 63983部队, 江苏无锡 214035
^3.北京大学城市与环境学院, 北京 100871
^4.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东珠海 519000
^5.中国高校极地联合研究中心, 北京 100875

收稿日期:2019-10-21 修回日期:2020-03-22 出版日期:2020-06-30 发布日期:2020-07-03
通讯作者: 牟翠翠 E-mail:jial14@lzu.edu.cn;mucc@lzu.edu.cn
作者简介:贾麟（1995 - ），男，甘肃省兰州人， 2018年在兰州大学获得学士学位，现为兰州大学在读硕士研究生，从事多年冻土碳循环研究. E-mail： jial14@lzu.edu.cn
基金资助:
中国科学院A战略性先导科技专项(XDA20100313);国家重点研发计划“北极快速变化的机理、影响及其气候效应研究”项目(2019YFA0607003);国家自然科学基金项目(41871050)

Studies of thermokarst and its effects on ecosystem carbon cycle in the Third Polar regions and the Arctic

Lin JIA¹(), Chengyan FAN¹, Mei MU¹, Xu CHEN¹, Wen ZHONG¹, Jianguo SHANG², Feng ZHANG¹, Lili LI³, Xiaoqing PENG¹, Cuicui MU¹^,⁴^,⁵(), Tingjun ZHANG¹^,⁵

^1.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems （Ministry of Education），College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China
^2.Unit 63983，People’s Liberation Army of China，Wuxi 214035，Jiangsu，China
^3.College of Urban and Environmental Sciences，Peking University，Beijing 100871，China
^4.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Zhuhai），Zhuhai 519000，Guangdong，China
^5.University Corporation for Polar Research，Beijing 100875，China

Received:2019-10-21 Revised:2020-03-22 Online:2020-06-30 Published:2020-07-03
Contact: Cuicui MU E-mail:jial14@lzu.edu.cn;mucc@lzu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

北半球多年冻土区储存着大量的土壤有机碳，气候变暖加剧了多年冻土退化，多年冻土退化最明显的特征是热喀斯特。热喀斯特会直接导致活动层及多年冻土层土壤有机质暴露，并改变水文、植被和土壤生物环境条件，对生态系统碳循环具有重要影响。热喀斯特对碳循环的影响是评估多年冻土碳循环和气候变化关系不确定性的关键问题之一。然而，在气候变暖背景下热喀斯特地貌的发育及其对碳循环影响有多大，目前对这个问题仍然缺乏足够的认识。通过综合比较第三极和北极热喀斯特相关研究，分析了第三极和北极地区热喀斯特地貌特征及其变化趋势，阐述了热喀斯特对植被演替、土壤碳损失和生态系统温室气体排放过程的影响，并提出了未来热喀斯特研究可能遇到的挑战。认识热喀斯特碳循环过程，是评估气候变化对多年冻土碳循环影响的关键环节，有助于加强多年冻土区生态系统碳循环与气候变暖之间反馈关系的认知。

关键词: 多年冻土, 热喀斯特, 碳循环, 第三极, 北极

Abstract:

Large quantities of organic carbon are stored in the Northern Hemisphere permafrost regions. Climate warming can accelerate permafrost degradation， one of the most significant characteristics is thermokarst. Thermokarst can directly exposes soil organic matter and change soil hydrological and biological conditions， which plays an important role in ecosystem carbon cycle. The effect of thermokarst on carbon cycle is one of the key issues to assess the uncertainties of the responses of permafrost carbon cycle to climate change. However， little is known about the effect of thermokarst formation on permafrost carbon cycle. In this paper， we review the characteristics of thermokarst landscapes and its changes in the Third Pole regions and the Arctic. Meanwhile， the effects of thermokarst on vegetation evolution， soil carbon loss and ecosystem greenhouse gas emissions were explained. Combined with the monitoring techniques of thermokarst landscapes， the challenges for studying permafrost carbon cycle are presented. Studies of thermokarst development， ecosystem carbon emission and its biogeochemical processes in permafrost regions are essential to predict the effects of climate change on permafrost carbon cycle. It will provide insights for enhancing the understanding of feedback dynamics between permafrost carbon cycle and climate warming.

Key words: permafrost, thermokarst, carbon cycle, Third Pole, Arctic

中图分类号:

P642.14

贾麟, 范成彦, 母梅, 陈旭, 仲文, 尚建国, 张凤, 李丽丽, 彭小清, 牟翠翠, 张廷军. 从第三极到北极：热喀斯特及其对碳循环影响研究进展[J]. 冰川冻土, 2020, 42(1): 157-169.

Lin JIA, Chengyan FAN, Mei MU, Xu CHEN, Wen ZHONG, Jianguo SHANG, Feng ZHANG, Lili LI, Xiaoqing PENG, Cuicui MU, Tingjun ZHANG. Studies of thermokarst and its effects on ecosystem carbon cycle in the Third Polar regions and the Arctic[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(1): 157-169.

图/表 9

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92	Matveev A， Laurion I， Deshpande B N， et al. High methane emissions from thermokarst lakes in subarctic peatlands［J］. Limnology and Oceanography， 2016， 61（S1）： 150 - 164.
93	Elder C D， Xu X， Walker J， et al. Greenhouse gas emissions from diverse Arctic Alaskan lakes are dominated by young carbon［J］. Nature Climate Change， 2018， 8（2）： 166 - 171.
94	Brosius L S， Anthony K M W， Grosse G， et al. Using the deuterium isotope composition of permafrost meltwater to constrain thermokarst lake contributions to atmospheric CH4 during the last deglaciation［J］. Journal of Geophysical Research： Biogeosciences， 2012， 117： G01022.
95	Walter K M， Chanton J P， Chapin F S， et al. Methane production and bubble emissions from arctic lakes： isotopic implications for source pathways and ages［J］. Journal of Geophysical Research： Biogeosciences， 2008， 113： G00A08.
96	Elder C D， Schweiger M， Lam B， et al. Seasonal sources of whole-lake CH₄ and CO₂ emissions from interior Alaskan thermokarst lakes［J］. Journal of Geophysical Research： Biogeosciences， 2019， 124（5）： 1209 - 1229.

地貌类型	英文名称	定义	文献来源
热融湖塘	thermokarst lake/pond	自然或人为因素引起的活动层增厚，导致地下冰或富冰多年冻土层发生局部融化，地表土层随之沉陷而形成热融洼地并积水形成的湖塘	《冰冻圈科学辞典》^［12］
溯源热融滑塌	retrogressive thaw slump	该地貌常发育在水分条件较好的坡面或沟谷中，成因是地下冰融化导致上覆土层失去支撑，从而沿融化面发生失稳坍塌、运移	《多年冻土调查手册》^［27］
活动层边坡坍塌	active-layer detachment slide	由于冻土季节性融化，覆盖在冰层之上的植被土壤块体整体顺坡滑下形成的一种地貌	Leibman等^［28］
热融沟	thermo-erosion gully	热融沟是由于冰楔融化以及地表径流冲刷形成逐渐连起来呈线性或者树枝状分布的一种地貌	Kokelj等^［29］
热融沉陷	thermokarst settlement	指由于多年冻土上限下移、多年冻土表层地下冰融化而导致的地表向下的沉降过程	《冰冻圈科学词典》^［12］

地点	类型	形态	坡度/（°）	后缘陡坎高度/m	发育时间	溯源坍塌速度/（m·a^-1）	发育阶段
东大沟3号热融滑塌	坍塌沉陷式	圈椅形	3 ~ 5	<1.2	1965—1985年	0.6	日趋稳定阶段
78道班1号热融滑塌		带形	5 ~ 8	3.0 ~ 3.5	1974—1979年	4.2	发展阶段
78道班1号热融滑塌		带形	5 ~ 8	3.0 ~ 3.5	1979—1985年	1.3	发展阶段
风火山观测站对面热融滑塌	牵引滑动式	多头舌形	7 ~ 10	1.5 ~ 2.5	1960—1976年	6.0	滑塌体北半部日趋稳定，南半部处于发展阶段，预计8 ~ 10年后可全部达到稳定
					1976—1984年	3.4
					1984—1985年	1.0
78道班1号热融滑塌			6 ~ 7	1.8 ~ 2.5	1984—1985年	3 ~ 4	初始阶段
东大沟1号热融滑塌		长条形	8 ~ 15	1.5 ~ 2.0	1976—1979年	4.6	日趋稳定阶段
东大沟1号热融滑塌			8 ~ 15	1.5 ~ 2.0	1979—1985年	0.5	日趋稳定阶段
风火山观测站北侧热融滑塌			8	1.3 ~ 1.5	1975—1985年	5	发展阶段
78道班热融滑塌		支岔形	12 ~ 15	2.0 ~ 2.5	1954—1961年	8.6	基本稳定
					1961—1965年	15.0
					1965—1974年	4.0
					1974—1979年	2.8
					1979—1984年	0.2
					1984—1985年	0
东大沟2号热融滑塌			9 ~ 13	1.5 ~ 2.5	1961—1976年	1.0	基本稳定
					1976—1979年	0.6
					1979—1985年	0
K3035		圈椅形	7	2.0	2002—2004年	5.0	发展阶段
K3037		圈椅形	7	1.5	2002—2004年	5.0	发展阶段
EBL-1 EBL-15			3 4	3.6 2.4	1997—2009年 2009—2015年 2015—2017年 1997—2009年 2009—2015年 2015—2017年	8.8 1.9 1.2 2.1 3.8 4.7	日趋稳定阶段发展阶段

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从第三极到北极：热喀斯特及其对碳循环影响研究进展

Studies of thermokarst and its effects on ecosystem carbon cycle in the Third Polar regions and the Arctic

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