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

从第三极到北极专栏

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

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

JIA Lin,1, FAN Chengyan1, MU Mei1, CHEN Xu1, ZHONG Wen1, SHANG Jianguo2, ZHANG Feng1, LI Lili3, PENG Xiaoqing1, MU Cuicui,1,4,5, ZHANG Tingjun1,5

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

通讯作者: 牟翠翠, 教授, 从事冻土碳循环与气候变化研究. E-mail: mucc@lzu.edu.cn.

编委: 周成林

收稿日期: 2019-10-21   修回日期: 2020-03-22  

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

Received: 2019-10-21   Revised: 2020-03-22  

作者简介 About authors

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 , E-mail:jial14@lzu.edu.cn

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.

Keywords: permafrost ; thermokarst ; carbon cycle ; Third Pole ; Arctic

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本文引用格式

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 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0006

JIA Lin, FAN Chengyan, MU Mei, CHEN Xu, ZHONG Wen, SHANG Jianguo, ZHANG Feng, LI Lili, PENG Xiaoqing, MU Cuicui, ZHANG Tingjun. 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 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0006

0 引言

北半球多年冻土区面积约占陆地面积的24%, 多年冻土区土壤有机碳储量丰富, 约是大气中碳储量的两倍多1-3。其中, 北极地区0 ~ 3 m土壤有机碳库达1 035 Pg, 第三极多年冻土区0 ~ 25 m有机碳储量为160 Pg, 其中0 ~ 3 m深度为33 Pg4-5。多年冻土对温度变化非常敏感, 气温升高会导致多年冻土退化。多年冻土退化表现为其温度升高、 面积减少以及活动层厚度增加6-8, 但其最明显的特征是热喀斯特地貌的发育9。热喀斯特是由于富冰多年冻土退化或厚层地下冰融化而形成的特殊地貌过程10, 常见的热喀斯特地貌包括热融滑塌、 热融侵蚀和热融湖塘等(图1), 其中热融滑塌和侵蚀主要发育在山坡地带11, 而热融湖塘一般分布在平原或坡度低于3°的平坦低洼的山间盆地和谷地内12表1)。多年冻土区热喀斯特分布广泛, 环北极地区热喀斯特面积可占多年冻土区的20%, 而且~ 50%土壤有机碳存储于热喀斯特景观中13, 因此热喀斯特对多年冻土碳循环过程具有重要影响。

图1

图1   典型的热喀斯特地貌

(a)Retrogressive thaw slump over the Heihe River basin on the northeast of Qinghai-Tibet Plateau (QTP);(b)The thermokarst lake at Tuotuohe in the center of QTP;(c)The Batagaika crater, thaw slump on eastern Russia24;(d)Thermokarst lakes at the foothills of the Brooks Range, Alaska

Fig.1   Typical thermokarst landforms


表1   常见的热喀斯特地貌分类及定义

Table 1  Typical thermokarst landscape classifications and definitions

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

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目前几乎所有的地球系统模型中, 通常假设多年冻土是处于自上而下的缓慢退化, 但是热喀斯特地貌的形成可以迅速改变多年冻土景观及其水热条件, 进而对碳循环产生较强烈的影响14。研究表明, 热喀斯特对温室气体释放的影响可能大于温度升高和活动层厚度增加的效应15-16。热喀斯特对土壤碳循环的影响主要包括两个过程, 一是热喀斯特破坏原有地貌, 将原本保存于多年冻土中的有机质暴露;二是热喀斯特改变诸如土壤结构、 温度、 水分以及氧化还原电势等物理条件16。这两个过程最终导致土壤碳及其他营养物质流失, 加速有机质的微生物分解和光降解过程, 向大气释放更多的温室气体11。另外, 热喀斯特会改变地表水文过程, 导致土壤溶解性有机碳和颗粒有机碳释放到地表径流, 汇入河流、 湖泊或海洋17-18, 并转化为温室气体而释放19图2)。其中, 热融湖塘的形成会改变多年冻土区原有的地表形态, 之前被封存在多年冻土区中的有机质被淹没, 并被微生物在不同条件下分解为甲烷和二氧化碳20, 之后以扩散、 鼓泡、 水生植物导管等途径进入大气21-23。热喀斯特过程释放的大量温室气体可能增强多年冻土碳循环与气候变化之间的正反馈效应15。因此, 评估热喀斯特对碳循环的影响是探究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。

图2

图2   多年冻土区受热喀斯特影响的土壤碳流失示意30

区域1活动层厚度在空间上均匀增加, 区域2则属于由地下冰含量差异驱动的空间非均匀多年冻土退化

Fig.2   Mechanisms of soil carbon loss affected by thermokarst in the permafrost regions30

The active layer thickness in Zone 1 increases uniformly in space,while Zone 2 belongs to the spatial heterogeneous permafrost degradation caused by the differences of ground ice content


1 第三极热喀斯特及其对碳循环的影响

1.1 热喀斯特地貌特征及变化概况

在多年冻土区快速升温背景下, 第三极热融滑塌分布广泛且发育速率加速。量化热融滑塌分布和发展, 是开展热融滑塌研究的基础。在早期, 由于缺乏有效的测量手段, 热融滑塌分布的研究主要是对范围和形状的总结与描述。王绍令25经过现场实地测量和总结之前研究, 根据表面形状及地形特征, 对第三极风火山地区的热融滑塌类型进行了总结和划分(表2)。王治华26使用遥感数据, 采用人机交互解译辅以实地验证的方法, 查明了青藏公路和铁路沿线 50 km宽的条带内, 覆盖面积大于0.01 km2的滑坡共552处。罗京等31利用SPOT5卫星数据结合实地调查, 在青藏铁路(楚玛尔河到风火山段)两侧各5 km范围内共发现42处热融滑塌和滑坡。

表2   青藏高原热融滑塌的类型之形态和动态变化253438

Table 2  The dynamic change of types of thermokarst collapse on the Qinghai-Tibet Plateau253438

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<1.21965—1985年0.6日趋稳定阶段
78道班1号热融滑塌带形5 ~ 83.0 ~ 3.51974—1979年4.2发展阶段
1979—1985年1.3
风火山观测站对面热融滑塌牵引滑动式多头舌形7 ~ 101.5 ~ 2.51960—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 ~ 71.8 ~ 2.51984—1985年3 ~ 4初始阶段
东大沟1号热融滑塌长条形8 ~ 151.5 ~ 2.01976—1979年4.6日趋稳定阶段
1979—1985年0.5
风火山观测站北侧热融滑塌81.3 ~ 1.51975—1985年5发展阶段
78道班热融滑塌支岔形12 ~ 152.0 ~ 2.51954—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 ~ 131.5 ~ 2.51961—1976年1.0基本稳定
1976—1979年0.6
1979—1985年0
K3035圈椅形72.02002—2004年5.0发展阶段
K3037圈椅形71.52002—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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随着科学技术的发展, 测量热融滑塌的技术也不断丰富, 目前相对成熟的技术有RTK测量、 三维激光扫描仪、 机载激光雷达、 无人机摄影测量、 高分辨率遥感影像等。这些技术使得对热融滑塌进行高精度制图与分析变得切实可行。Luo等32利用多个高空间分辨率(0.6 ~ 2 m)的光学遥感卫星的数据与实地勘测, 对2008—2017年间北麓河地区的热融滑塌分布进行了绘制与验证。结果表明:在十年内北麓河的热融滑塌数量增加了253%, 热融滑塌面积增加了617%, 且热融滑塌发育速率与气温升高和极端降水之间有很好的对应关系。使用RTK及三维激光扫描仪, 对2016—2018年间俄博岭地区的热融滑塌进行监测, 发现在此期间地表最大垂直变形达-3.36 m33。通过结合RTK、 无人机航空摄影技术和高分辨率遥感卫星数据, 对1969—2017年间俄博岭地区热融滑塌的分布进行了高精度绘制34。结果显示, 在1997—2009年、 2009—2015年和2015—2017年间, 热融滑塌面积以61.8、 60.0和156.8 m2·a-1的速率增加, 滑塌源头以1.3、 1.6和2.0 m·a-1的速率向后退缩(图3)。

图3

图3   1997—2015年青藏高原祁连山区俄博岭地区热融滑塌发育过程(以2009年卫星影像作为基准影像)。1997—2009年和2009—2015年滑塌最宽处分别增加了24 m和30 m, 源头分别后退了23 m和29 m

Fig.3   The development of thaw slump on the Eboling mountains of the Qilian Mountains on the northern Qinghai-Tibet Plateau from 1997 to 2015 (based on 2009 satellite imagery). The widest part of the slump widened by 24 m from 1997 to 2009, and widened by 30 m from 2009 to 2015; the source of the slump retreated 23 m from 1997 to 2009, and from 2009 to 2015 going back 29 m


随着遥感影像的空间分辨率越来越高及无人机市场的成熟, 一些面积较大的热融滑塌可以直接在高分辨率遥感影像和无人机生产的地表正射模型中识别出来, 自动化的热融滑塌制图成为可能。目前已有研究者开始探索热融滑塌自动化制图的技术。梁林林等35通过无人机航空摄影技术获取了俄博岭小区域的2016年的高分辨率地表正射模型(Digital orthophoto map, DOM)和数字表面模型(Digital surface model, DSM)影像, 使用面向对象的方式对数据进行了分割, 表明常见的5种机器学习方法提取热融滑塌的精度精度都在90%以上。Huang等36使用无人机航空摄影技术, 获取了俄博岭0.15 m的高分辨率的数字正射模型与数字表面模型图, 并尝试使用DeepLab人工智能算法对热融滑塌进行自动化绘制。利用CubeSat影像在北麓河5 200 km2的范围内应用DeepLab V3+人工智能的方法, 对热融滑塌进行了较大范围的自动化制图, 精确率(Precision)、 召回率(Recall)和F1 score 分别达到了0.863、 0.833和0.84837。交叉验证结果表明, 模型在此区域具有很好的普适性。

目前第三极热融滑塌分布的获取还主要集中在局部小区域, 还很少涉及在区域尺度或大范围的制图研究。这是因为有些热融滑塌宽度只有几米, 从影像中提取需要的空间分辨率较高。而分辨率变高会导致数据量成倍的增加, 而且这些高分辨率的卫星大多是商业卫星, 要大范围的提取热融滑塌, 需要的存储设备、 高性能计算等诸多成本是普通科研工作者无法承受的。同时, 要获取第三极的热融滑塌分布情况, 必然要用到模型来自动化提取。但第三极覆盖范围极广, 且具有很高的空间异质性, 而目前模型都在局部区域进行训练, 必然存在着过拟合的现象, 无法直接将训练好的模型参数进行大范围推广。

热融湖塘作为典型的热喀斯特地貌也在第三极地区快速地发展。第三极多年冻土区热融湖塘多达几千个, 面积从几十平方米到几万平方米不等, 而在中部面积大于1 000 m2的湖塘则有上千个39-40, 目前关于第三极热融湖塘变化的研究主要集中于青藏工程走廊一带41-42。在人类活动和气候变化影响下, 第三极热融湖塘分布广泛且扩张显著, 其湖塘边缘塌陷速率约为1.8 m·a-1[43。年际变化遥感监测研究表明, 北麓河盆地热融湖塘面积从20世纪60年代至今始终处于扩张的趋势中, 且随着时间推移, 该区域热融湖塘的面积增长速率逐渐加快44。在1969—2010年近40年热融湖塘数量面积普遍迅速增加:总数量增加约534个, 总面积扩大约4.10 km2, 有84%的热融湖塘面积呈增大趋势, 只有8%的湖塘面积减小和6%的湖塘彻底消失, 总体增加速率为0.1 km2·a-1。由于目前缺乏实地监测数据和高分辨率遥感数据, 而且青藏高原范围广、 面积大、 地形复杂, 许多地方常年云量多, 卫星遥感影像识别度较差, 很难确定一些小型热融湖塘的具体分布, 这是目前导致第三极地区热融湖塘数量和面积不确定性的主要原因。另外, 第三极地区的湖塘有多少是属于热融湖塘还需要大量的野外实测数据进行验证。

1.2 热喀斯特对生态系统碳循环的影响

第三极地区关于热喀斯特对碳循环影响的研究主要以热融滑塌为主。热融滑塌使原本处于冻结状态的土壤暴露, 其温度、 水分及光照条件发生变化, 加速了土壤中碳氮等营养元素流失或被微生物分解以温室气体形式释放(图4)。第三极东北部地区热融滑塌不仅导致表层0 ~ 10 cm土壤碳氮含量分别减少了29.6%和28.9%, 还改变了有机质的化学性质和组分, 进而影响有机质分解速率11。热融滑塌也造成地表斑块化, 直接破坏了植被发育, 使得植被覆盖度及群落结构发生较大变化, 从而对生态系统温室气体排放具有重要影响。通过连续监测表明, 热融滑塌导致暴露裸土的呼吸作用增强, 区域范围内生态系统从碳汇转变为碳源(图545。同时, 由于热融滑塌导致水分、 溶解性有机碳和矿物质等发生输移, 增强了产甲烷过程和反硝化能力, 进一步加速了甲烷和氧化亚氮的排放46。热融滑塌过程中一部分土壤碳会被转化成温室气体而释放, 另一部分碳会随着地表径流进入到河流和湖泊。研究表明, 在第三极东北部面积为3.0 km2的热融滑塌地貌区, 融化季节地表径流的DOC(可溶解有机碳)输出通量为0.912 g C·m-2。随着融化深度增加, DOC在土壤中的滞留时间增长, 进而增强了矿物吸附和微生物的降解强度, 使得地表径流的DOC浓度及其微生物可降解性降低47

图4

图4   热融滑塌影响生态系统碳循环示意47

黑色箭头代表溶解性有机质的输入, 白色箭头代表垂直方向碳分配过程及温室气体释放过程

Fig.4   A schematic of thaw slumps influencing the ecosystem carbon cycle47

The black arrows represent the input of dissolved organic matter,and the white arrows represent the vertical carbon distribution process and the greenhouse gas emissions


图5

图5   多年冻土退化对土壤水分、 溶解性有机碳和温室气体(CO2、 CH4、 N2O)释放过程影响的示意, 箭头代表生长季节生态系统温室气体交换方向和潜力45

Fig.5   Impacts of permafrost degradation on soil moisture, dissolved organic carbon and the release of greenhouse gases (CO2, CH4 and N2O), and the arrows indicate the direction and potential of ecosystem greenhouse gas exchange during the growing seasons45


相比于环北极地区, 目前我们对第三极地区热融湖塘碳循环过程的了解相对较少。第三极热融湖塘水中溶解的温室气体及鼓泡气体初步研究表明, 其主要成分为二氧化碳48。热融湖塘底泥有机质的潜在分解能力较强, 水中溶解的温室气体和水溶性有机碳含量较高, 且温度对水体温室气体的释放具有重要影响49。Yan等50对第三极湖泊的温室气体扩散通量进行了监测, 所监测的17个湖泊平均甲烷和二氧化碳通量分别为5.2 mmol·m-2·d-1和73.7 mmol·m-2·d-1。通过相关性分析发现二氧化碳通量主要与溶解性有机碳、 溶解性有机氮、 盐度与水温等因素相关, 而甲烷通量则与所监测的环境指标相关性不显著。但是, 关于多年冻土区热融湖塘的温室气体排放潜力却了解很少, 难以在区域尺度评估热融湖塘的碳源效应。因此, 未来还需要更多研究来深化对第三极热融湖塘温室气体排放的生物地球化学过程的认知。

2 北极热喀斯特及其对碳循环的影响

2.1 北极地区热喀斯特特征及变化

北极地区热融滑塌广泛发育在加拿大北部51, 俄罗斯西伯利亚52, 美国阿拉斯加53等区域, 其主要表现为溯源热融滑塌和活动层边坡坍塌。热融滑塌的发育主要受降水增多和夏季气温升高的影响, 且随着北极气温持续上升, 热融滑塌分布的北界将向更高纬度地区移动28。利用谷歌地球引擎(Google Earth Engine)的遥感影像显示, 1984—2015年加拿大班克斯岛上的溯源热融滑塌数量增加了60倍, 现有4 000多条新发育的热融滑塌分布在该区域, 且热融滑塌的增长主要发生在近30年的夏季54。高分影像监测显示, 俄罗斯雅库特地区2011—2013年溯源热融滑塌的侵蚀速率为3.16 m·a-1[55。热融滑塌发育后会在一段时间内重新被激活, 在加拿大育空地区溯源热融滑塌的激活时间为300 ~ 350 a56, 俄罗斯亚马尔半岛中部的活动层边坡坍塌的激活时间为350 ~ 500 a28, 未来气候变暖可能会导致北极地区热融滑塌更频繁地发生。根据数十年的航片资料显示, 由于北极夏季的极端高温天气和长时间尺度温度上升, 近三十年来北极地区热融湖塘的数目急速上升57-59。北极地区多年冻土区热融湖塘约占总面积的7.1%13, 深度可以达到1 ~ 3 m至10 ~ 20 m或更深, 而深度在20 m以上的热融湖塘主要发育于叶叨码(yedoma, 指发育在环北极地区形成于更新世的富碳粉质土层中体积含冰量达50% ~ 90%的一种多年冻土)多年冻土地带2960

研究者利用遥感技术对不同地区的热融湖塘面积和水量进行了大量的监测, 发现热融湖塘的动态变化可能因湖体面积的大小而有所差异:苔原地区的小型湖塘相较于大型湖塘具有较高的变异性61。在西伯利亚西部62, 苏厄德半岛63和瑞典北部64, 大中型热融湖被新形成的小湖塘代替;俄罗斯雅库特中部的勒纳河流域热融湖塘正在扩张65。除了年际动态变化之外, 热融湖塘的大小也受到季节突发排水过程的影响。雅库特中部地区的热融湖塘面积在夏季可能减少30%66, 加拿大育空地区减少42%67。在目前气候变化的背景下, 湖泊面积的变化具有区域性, 分布在连续多年冻土区热融湖塘的数量和面积增加, 而不连续和零星多年冻土区中湖塘的数量和面积在减少68

目前在环北极区域内, 热融湖塘发育趋势与全球变暖的趋势并不完全统一。除年平均气温上升外, 降水蒸发平衡可能是影响一些地区热融湖塘发育的主要因素。在俄罗斯雅库特盆地观测到热融湖塘面积扩张均发生在降水量较高的年份65。因此, 未来还需要更多的研究来确定气候变暖背景下环北极地区热融湖塘演化过程。

2.2 北极热喀斯特对生态系统碳循环的影响

2.2.1 坡地热喀斯特对碳排放的影响

土壤温度、 有机质含量和微地形是影响北极苔原生态系统碳循环过程的主要控制因素69-71, 坡地热喀斯特作为一种普遍形态对其产生了重要影响。坡地热喀斯特地貌主要包含热融沟、 活动层边坡坍塌以及溯源热融滑塌。坡地热喀斯特形成过程中土壤有机层不断的滑落并堆积于坡地、 水流通道或坡下的湖泊和河流中, 使得表层有机质与深层土壤混合、 底层矿物质暴露, 紫外辐射和土壤导热增加, 促进了土壤有机质的光降解和微生物降解作用, 加速了土壤碳的矿化速率72-73。此外, 坡地热喀斯特具有良好的排水条件, 有助于微生物好氧分解土壤碳74

坡地热喀斯特对土壤碳损失和生态系统呼吸速率的影响在地貌形态上存在差异。在美国阿拉斯加州的诺阿塔克地区, 溯源滑塌和活动层边坡坍塌导致生态系统碳大量损失, 表层有机层碳含量分别减少了51%和32%, 生态系统呼吸速率与未扰动苔原带相比分别降低26%和18%16, 而热融沟对生态系统碳储量影响较小, 表层有机层碳损失量小于10%, 但其生态系统呼吸显著提高了84%75图6)。在加拿大埃尔斯米尔岛西部, 溯源滑塌也导致生态系统呼吸速率降低了47%1476-77。Turetsky等78通过数据整合和一阶模型对环极地热喀斯特区域碳排量进行预估, 到2300年新形成的坡地热喀斯特其面积占整个热喀斯特地貌的3%, CO2和CH4排放导致的净碳释放量约为27 Pg C。此外, 热融沟通过改变微地形释放无机氮及溶解性有机碳, 促进硝化和反硝化作用, 显著提高了N2O的排放16。北极坡地热喀斯特通常形成于湖岸、 海岸、 河岸或小溪等地带2975, 其会向下游或下坡生态系统输送大量的溶解性和颗粒性物质, 是碳和营养物质从陆地生态系统向水生生态系统转移的主要渠道16。热喀斯特地貌输出的溶解性有机质较新鲜, 低分子量腐殖酸比例相对较高, 具有较高的生物降解性, 容易在土壤、 河流和湖泊中迅速矿化, 加速冻土碳向大气中转移79。坡地热喀斯特对水体化学性质的影响程度受特征形态的影响, 与活动层边坡坍塌相比, 热融滑塌和热融沟使更深层、 富含溶解性有机质的土壤暴露并参与水文运输, 且后两种形态具有较长的活跃周期, 因此对水体中溶解性有机质的浓度影响更大80。在阿拉斯加北部地区, 热融滑塌使水体中DOC和DON(可溶性有机氮)的浓度分别增加了2.6和4.0倍, 热融侵蚀使河流中DOC和DON的浓度平均增加了2.2和1.6倍, 而活动层边坡坍塌使水体中DOC和DON的浓度分别增加了1.6和1.4倍。坡地热喀斯特DOC和DON平均输出量分别为0.45 g C·m-2·d-1和3.8 mg N·m-2·d-1[80。基于多年冻土退化、 滑塌年龄及日输出量进行简单预估, 到2100年整个环北极流域受坡地热喀斯特直接影响的面积为3%, 但在2050—2100年期间可能导致环北极流域溶解性有机碳和溶解性无机氮年输出通量分别增加2.7% ~ 23%和2.2% ~ 19%80。但热融滑塌形成过程中会导致河流中细颗粒物质大量增加, 通过吸附、 沉降作用可能会使水体中溶解性有机质的浓度降低81

图6

图6   三种常见的坡地热喀斯特地貌对碳氮循环及通量影响的概念模型16

Fig.6   Conceptual model of the effects of the three types of most common hillslope thermokarst landscapes on carbon and nitrogen cycling and flux16


北极多年冻土区热喀斯特发育速率加快, 使得生态系统从碳源转变为碳汇76-78。模型预测表明, 到2300年热喀斯特景观累积碳排放量约为(80±19) Pg C, 相当于缓慢退化过程(活动层厚度逐渐加深, 累积碳排放量约为208 Pg C)碳排放量的40%78。但坡地热喀斯特地貌在演替过程中会逐渐趋于稳定, 表层土壤碳库经60 a的演替后会以(32±10) g C·m-2·a-1的速度重新迅速积累, 在扰动40 ~ 64 a后达到与未扰动苔原相似的水平。在地貌演替过程中, 植物群落优势种由禾本科植物向高大落叶灌木转移, 显著提高了初级生产力、 促进了生物量积累和养分循环速率82

2.2.2 热融湖塘对碳排放的影响

北极热融湖塘是在碳循环中扮演了重要角色, 区域内形成热融湖塘后所排放的甲烷量要比之前未形成湖塘时高出130 ~ 430倍83。据Anthony等84的估算, 在过去60 a内环北极地区经由热融湖塘排放进入大气的土壤有机碳为0.2 ~ 2.5 Pg。整个环北极地区的热融湖塘甲烷释放量存在着较大的差异:研究者关于环北极地区热融湖塘碳排放量开展了大量研究, 研究区域涵盖了西伯利亚、 阿拉斯加、 加拿大等地区85-90。结果显示, 不同地区热融湖塘甲烷年排放通量差异可达到1 ~ 2个数量级(图7)。而北极不同区域甲烷排放的形式也有较大差别:西伯利亚叶叨码冻土区的热融湖塘主要以鼓泡形式释放甲烷91, 而在非叶叨码冻土区, 扩散形式则占主导地位2292。不同区域热融湖塘的有机碳来源也有较大差异, 西伯利亚叶叨码地区热融湖塘释放的有机碳主要来自封存于多年冻土中的更新世老碳91, 而阿拉斯加的热融湖塘(89±3)%的碳排放是由新碳分解来的93。同一个湖塘释放的碳其年代差别也可能达到千年94-95。总的来说, 环北极地区热融湖塘温室气体排放路径和碳的来源具有明显的时空异质性, 这导致研究者难以对区域尺度上的多年冻土碳损失进行精确估算96

图7

图7   北极地区热融湖塘甲烷释放通量对比85-90

Fig.7   Comparisons of methane release fluxes from thermokarst lakes in the Arctic regions85-90


目前对于北极热融湖塘释放温室气体的研究多处于叶叨码区域, 而分布在叶叨码地区的热融湖塘仅占环北极地区热融湖塘的12%, 不足以代表整个环北极地区的热融湖塘93。未来北极地区热融湖塘碳排放估算的研究中应该充分综合考虑由于季节变化和湖塘分布地带等因素导致的温室气体释放差异, 以减少热融湖塘碳排放量估算过程中的不确定性。

3 总结

多年冻土退化所引起的一系列问题已然迫在眉睫。第三极地区和北极地区的热喀斯特地貌数量和面积均呈现加速上升的趋势, 热喀斯特对于基础建设、 陆地生态环境、 水资源以及土壤有机碳循环和温室气体排放等方面都有着影响, 但由于我国在第三极地区开展的上述几方面的相关研究仍处于“数量少、 覆盖面小”的情形, 导致我们对于整个第三极地区热喀斯特地貌发育所带来一系列影响知之甚少。今后的相关研究应依托高精度的监测手段, 如野外监测、 卫星遥感以及再分析数据等数据来源, 全面规范评估目前第三极地区大气圈、 冰冻圈、 水圈以及生物圈的特征数据。由点及面开展工作, 探究不同区域热喀斯特地貌发育和碳排放特点和差异, 减少热喀斯特碳排放评估中的不确定性, 从而更好地了解热喀斯特地貌影响区域碳循环的内在机制。

4 不足与展望

随着气候变暖及人类活动影响, 第三极和北极地区热喀斯特地貌分布广泛, 且不断发育2931。热喀斯特过程通过改变植被、 水文和土壤等条件1129, 而加剧多年冻土碳与气候的反馈效应, 然而目前对热喀斯特发育过程、 机理及其影响的认识还存在一些不足:

4.1 缺少大范围内热喀斯特地貌监测

随着高分辨率影像成本的降低和绘制热喀斯特地形的影像处理技术的发展, 热喀斯特地貌发育监测变得更加方便。高分辨率影像, 合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR), 三维激光扫描(LiDAR), 无人机航拍(UAV)等技术已被广泛用于第三极地区及北极地区的热喀斯特地貌的发育和形变监测。但现有的研究都是局限于范围较小的研究区内的定点观测, 对于大范围内的热喀斯特地貌, 尤其是热融滑塌与热融湖塘, 难以进行大范围自动识别。这主要是由于大部分遥感影像的分辨率无法满足精确识别, 而多景高分辨率影像成本过于高昂。

4.2 不同区域热喀斯特对碳循环影响机制不明确, 缺少相关模型研究

与北极地区相比, 第三极地区热喀斯特温室气体排放潜力及其生物地球化学机制存在一定差异。目前对于第三极地区热融滑塌生态系统碳氮排放仅在局部地区进行了监测, 缺少更大范围内不同土壤和植被类型下热融滑塌温室气体排放及影响因素的研究。环北极地区热融湖塘释放温室气体的相关研究覆盖了阿拉斯加、 西伯利亚、 加拿大、 北欧等地区, 而关于第三极地区热融湖塘温室气体排放量及其生物地球化学过程研究几乎空白, 亟需开展相关研究以明确第三极热融湖塘的碳循环机制研究。同时, 目前关于未来气候情景下多年冻土碳反馈的研究, 大多集中于缓慢升温过程, 还缺少热喀斯特发育及其碳反馈的模拟研究。

4.3 展望

随着全球气候持续变暖, 了解影响热喀斯特发展的驱动因素, 对热喀斯特发展进行区域尺度分析是十分必要的。未来对于监测热喀斯特发育过程应进一步综合野外观测和遥感监测技术, 研究不同地貌类型和气候条件下的热喀斯特发育差异。利用合成孔径雷达、 三维激光扫描仪和携带多光谱镜头的无人机等设备获取高精度的热喀斯特地貌形变速率、 植被特征等重要信息, 结合气象资料、 钻孔地温数据探究热喀斯特地貌发育的主要驱动因素。

理解热喀斯特发育过程也可为研究多年冻土区生态系统变化、 碳动力学以及与全球碳循环相关的反馈机制提供一个重要的背景。目前, 对多年冻土区碳循环机制的研究仍不足, 热喀斯特对多年冻土区碳循环的影响正是其中重要内容。研究热喀斯特过程中的地形、 土壤、 植被、 水文和气候特征, 对量化热喀斯特的碳动态过程非常重要且具有挑战。未来应对典型的热喀斯特地貌进行长期、 系统、 规范的现场观测, 获取关键的生态与环境参数, 明确热喀斯特对区域内生态系统碳氮释放和水文碳输移过程的影响, 建立完善的热喀斯特碳循环监测体系, 为构建精确模型提供数据支持, 最终明确热喀斯特地貌对全球碳循环的影响。

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