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【中国教育报】聚焦国家重大科研项目系列报道③
青藏高原上的亿吨“冻土炸弹”——兰州大学发现高原冻土区碳库

日期: 2017-04-11 点击: ...
   

通讯员 吴振荣 邓欢

研究人员在青藏线热融喀斯特湖塘采样 吴振荣 供图

【项目推介】:

  “热融滑塌对高寒草甸区土壤有机碳分解及温室气体排放的影响-以俄搏岭多年冻土区为例”项目,是由兰州大学资源环境学院院长张廷军教授带领科研团队支持研发的,获国家自然基金委青年基金项目支持。此文为课题组近期研究中对青藏高原土壤有机碳储量、性质、分布及分解情况的研究。

  多年冻土区存储大量有机碳,气候变暖会使有机碳被微生物分解释放,加速全球变暖。基于这一背景,冻土碳循环成为近年来热点研究问题。

  国际上对冻土碳的研究一开始是在环北极地区,而截止到2010年,青藏高原多年冻土区碳在全球冻土区碳库研究中仍处于空白状态,学术界对高原多年冻土区土壤碳性质及分解等方面仍有较多不确定性。

  青藏高原土壤有机碳储量究竟有多少?其对全球多年冻土碳库更新又有多大的贡献?带着诸多疑问,兰州大学资源环境学院院长张廷军教授决定组建团队,对青藏高原及周边地区多年冻土开展研究,并首次对青藏高原冻土区的碳储量开展调查研究,揭开了“多年冻土炸弹”的神秘面纱。

  “空白地”碳储量惊人

  为了冻土采样,该科研团队每年都要前往青藏高原的高海拔地区,包括海拔3600米以上的青藏高原北部的祁连山地区,平均海拔超过4000米的青藏铁路沿线,清水河—不冻泉沿线和214国道等沿线地区。自2011年至今已有6个年头了,团队成员从每年的4月份到11月份,每个月都要进行一次野外考察,即使在11月到次年4月这一严寒季节,也会不定期进行野外考察。每次出去短则一周,长则一两个月。

  为了准确进行碳储量的估计,团队成员牟翠翠选取了青藏高原上的高寒草原、高寒草甸及高寒荒漠三种植被类型,打钻取样,钻孔深度最大可达几十米,共采集几百个高寒冻土岩芯样品。约半米高的柱状岩芯被提取出来后,科研人员先在现场描述特征并做好编录记载,然后低温保存,回到学校后再将它们转移到实验室以-50℃的超低温冰箱进行长期保存。

  功夫不负苦心人,科研团队经过近三年的野外考察以及对野外采集到的几百个不同深度的样品进行仔细分析,特别是对受表层植被影响的浅层土壤和不受表层植被影响的深层多年冻土区别对待,首次系统地估算了青藏高原多年冻土区有机碳储量:1600亿吨。一下子就将北半球的冻土碳储量由原来的16720亿吨更新为了18320亿吨。“这1600亿吨的估算,初步填补了青藏高原碳储量的空白。也是我们团队对全球多年冻土碳库研究的贡献。每天只能吃半生不熟的面片也值了。”当研究成果发表出来时,牟翠翠把多年来冒着严寒去祁连山黑河上游钻探采样时受的苦也忘却在了脑后。

  “沉睡的”有机碳

  冻土中的有机碳被称为“多年冻土炸弹”,就像沉睡的魔王一样。

  经初步查明,目前大气中的碳含量大约7700亿吨,而全球多年冻土区土壤有机碳储量约为18300亿吨,相当于大气中二氧化碳含量的2.3~2.4倍。全球变暖升温,会导致多年冻土的持续退化,原来“封存”在多年冻土中的有机碳会通过微生物分解过程,将以二氧化碳、一氧化二氮和甲烷气体的形式释放到大气中,增加大气中温室气体的含量,从而加速全球变暖。

  如果多年冻土中的有机碳在冻土退化过程中产生的温室气体参与全球变暖的进程,可能会超过煤、石油燃烧等人类活动碳排放所带来的影响,这又会进一步加快冻土解冻,导致碳循环与气候变暖的温室效应之间的正反馈效应。“多年冻土就像冻在冰箱里的一个水果,放在冰箱里时是好的,一旦拿出来,很快就会腐烂,而且腐烂的速度会更快。”牟翠翠解释,多年冻土里有一些新鲜的碳,但是一直被冻着,微生物的活性特别弱,如果温度升高或者是冻土退化后滑塌而使有机碳被暴露出来的话,土壤里的有机碳就会非常迅速地被分解,变成温室气体进入大气中。

  为了更加全面地看到气温变化对碳释放的影响,科研团队除了将打钻获得的岩芯带回实验室做模拟升温培养实验,同时还会在钻孔里布设温度探头,以便常年监控冻土地下温度变化。由此得到的结果显示:祁连山地区冻土在退化,主要表现在活动层厚度增加,多年冻土温度升高,季节冻土厚度减小等,在黑河上游俄博岭山区发现大量的热融滑塌现象,表明多年冻土在退化中。“我国青藏高原等地的多年冻土对气候变化更加敏感,更易退化。”张廷军表示,在北美、西伯利亚等一些极地高纬度地区,大多数多年冻土温度相对较低,很多情况下多年冻土温度低于-10℃,温度升高1℃~2℃影响相对较小。而青藏高原多年冻土具有温度高、厚度薄的特点,多数情况下多年冻土温度高于-2℃,全球温度增加2℃就会导致多年冻土大面积退化。“因此,青藏高原多年冻土及多年冻土碳研究迫在眉睫、刻不容缓。”张廷军讲道,“更为严重的是,目前全球所有气候变化模型都还没有考虑多年冻土退化导致大气中温室气体含量增加对气候的反馈作用。同时,多年冻土退化及其碳释放将使全球政府间气候变化谈判更加困难,使尽力将气候变暖控制在高出工业革命前全球温度2℃的目标更难实现。”

  会“生锈的”碳库

  “虽然在青藏很辛苦,但是相比阿拉斯加环北极地区,我国青藏高原等地冻土层对温度变化更加敏感,更易退化,也更加需要我们去关注和保护。”牟翠翠希望其团队的研究能够为全球气候变化和碳循环提供理论支持,也向更多的大众传播气候变化与冻土碳循环间的影响作用,提高人们对冻土环境保护的重视。

  “青藏高原冻土中有许多碳,但不是所有碳都会被分解,我们从形态上做了研究分类,发现了‘惰性碳’。”张廷军介绍。

  弄清楚青藏高原冻土碳储量和冻土碳循环与温室效应的正反馈之后,研究团队的视角更加细化和具体。2015~2016年,通过对109个采自青藏铁路沿线的热融喀斯特湖塘和滑塌地区的调研及冻土样品研究发现,在地下0~2米浅层碳库(这部分在冬季冻结,夏季融化,处于“活动”状态,因此被称为“活动层”)中,含有27.9亿吨有机碳,其中20%是被还原性铁所固定,这部分有机碳的稳定性很高,不易被微生物分解,可称为“惰性碳库”或“生锈的碳库”。当然,如果热融滑塌造成土壤碳暴露后,其对还原性铁固定的碳可能也会产生影响,从而影响到碳库的结构。这一发现,又揭开了青藏高原冻土碳的另一层面纱。

  青藏高原在很多人心中蒙着一层神秘甚至神圣的面纱,部分人以旅游的方式,带着猎奇的心态去接近这片土地。但对像张廷军团队这样奋斗在高原的科研工作者来说,他们长年累月奔走在这里,看惯了白茫茫的万里冰封,刺骨的寒风如刀子一样钻进皮肤;他们早已习惯了高原四季的天气和景色,他们在高原上的注意力已经不是风景,心中只有火热的科研责任和使命。

  (《中国教育报》 2017年4月10日 7版 高教周刊·科学研究)

文:
图:
编辑:法伊莎
来源:中国教育报
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