气候变暖和野火加速极地苔原热喀斯特

地球科学

Earth science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2021年第四十五期（总第82期）专栏文章，由中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室研究员 罗栋梁，就One Earth中的论文发表述评。

多年冻土是陆地生态系统重要的土壤有机碳库，以占地球陆表约20%的面积储存了全球地下土壤有机碳库的33%，相当于植被和大气碳储的总和。多年冻土主要分布于北半球高纬极地亚极地地区和中纬度高海拔的青藏高原等，北半球的多年冻土约占其陆地面积的1/4。过去几十年来，在气候变暖、降水模式改变、人类活动干扰及野火等的作用下，多年冻土发生了广泛和快速退化，引起地下冰融化和地表沉陷，加速了热融湖塘、热融冲沟、热融滑塌、冻胀丘和冰楔多边形坍塌等一系列热喀斯特的发生。与活动层加深的自上而下和缓慢的多年冻土退化模式不同，富冰乃至饱冰多年冻土的突然坍塌和沉陷（即热喀斯特）将搅动整个冷生土壤柱，显著改变浅表层冻土的能水和碳氮交换。热喀斯特一旦被激发，原来蕴藏于多年冻土的土壤有机碳将在反照率改变、积雪截留和低洼积水等地表过程的协同作用下被催化释放，在当前气候变化趋势下，这似乎是一个不太可能逆转的过程。过去对以热喀斯特为代表的冻土快速退化加剧温室气体的研究已涉足较多，然而对热喀斯特动态变化的模式、机制及其空间分异的影响因素（包括气候、地形、地质条件、含冰量和野火干扰等）目前知之不多，而这些因素均与多年冻土退化相关。尤其是在空间异质性极强的极地苔原带，环境的快速变化和较低的观测频率，极大限制了热喀斯特与生态景观和陆表过程相互作用的监测、量化和模拟研究。

最近，伊利诺伊大学香槟分校的Yaping Chen博士与其研究团队，以较少受人类活动干扰的阿拉斯加北极诺阿塔克国家保护区（Noatak National Preserve，NOAT）( 面积2.9 × 104 km2)为研究区，结合多源遥感影像和野火历史记录，基于增强回归树（BRT）机器学习算法模拟研究了1950-2015年热喀斯特对野火、气候变化、生态景观等环境因素变化的响应。该区是全球温度最高（夏季平均温度10.6 °C）和最易发生火灾（火灾平均重现间隔~400年）的苔原生态系统，近几十年来经历了大幅变暖（1950年以来升温达2.1 °C）和频繁野火（图 1），被视为在气候变化条件下北极苔原生物群落发生转变和演替的风向标。

▲图1 阿拉斯加北极NOAT地区1971-2012年间16次野火（以黄色标出）对热喀斯特的直接影响（2次，318.0 km2）、长期影响（2次，481.3 km2) 和重复野火的影响（12次，164.6 km2）。研究样点（n = 276，黄色圆圈）设置在不同地质地貌（以含冰量为指标）和不同火灾严重程度的苔原中。黄色三角形 (n = 73) 为来自本研究和文献中的模型验证数据。底图为GMTED2010全球高程数据。

研究团队根据地貌成因将研究区分为冲积、湖相和冰碛等地貌，分别代表高、中、低等含冰量，利用分层随机抽样算法沿着火灾严重程度（高、中、低和未燃烧）和含冰量选择研究样地（图1），基于方差分析（ANOVA）分析了不同火灾严重程度和地貌条件下热喀斯特的差异化响应，并将研究结果外推到面积达2.6×105平方公里的整个阿拉斯加苔原（图2，动态图）。研究团队广泛搜集了1951-2018年6~9月份生长季的542景高质量光学影像（空间分辨率0.2-1.5 m，93.3%影像空间分辨率为0.2-1.0 m），包括287张航片（1951-2007年）、172张解密的军事情报照片（1972-1984年）和83景商业卫星影像（Quickbird-2、Worldview-1、Worldview-2、Worldview-3、Ikonos、Geoeye-1和OrbView-3）（2000-2018年）。

▲图2 1950-2015年阿拉斯加极地苔原热喀斯特覆盖率。A，基于历史野火数据模拟得到的阿拉斯加北部2.6×105 km2苔原（不含湖泊、冰川、冰盖和裸土）每1 km2累积热喀斯特形成。B，经野火（彩色点，fireRun）和无野火（黑色十字，nofireRun）历史记录配对模型模拟的年热喀斯特覆盖率。实线和虚线分别对应 fireRun 和 nofireRun 年热喀斯特量的线性回归。箭头所指为野火记录中年烧毁面积超过95%分位数的4个极端野火年（1950-2015）。LOGS：生长季长度。温度：夏季平均气温。

研究结果显示，在气候变暖和野火作用下，1950-2015年间阿拉斯加北极苔原热喀斯特覆盖率显著增加，面积增加达4655 km2，增幅约60%（图2）。值得注意的是，尽管野火仅烧毁了约3%的苔原景观，却形成了超过10.5%的热喀斯特。这凸显出突然和快速融化是多年冻土响应气候变化的重要途径。研究发现，在野火发生后的3年内即有大量热喀斯特形成，一半以上的新增热喀斯特出现于过去40多年来的第一个10年内，此时受野火干扰的热喀斯特增加速率为未受野火干扰的22.4~177.1倍，之后急剧下降，但直到第4个10年，仍是未受野火干扰苔原的1.6~2.1倍。野火发生30年后，热喀斯特主要表现为冲积地貌的冻胀丘退化、湖相沉积地貌的冰楔沟槽网络联通及冰碛地貌中离散的积水坑/湖塘。过去约70年间，333.5 km2的研究区遭受了间隔6到38年不等的35次重复野火。大多数重复野火（266.8 km2）发生于广泛分布的湖相地貌内，冲积和冰碛地貌的重复燃烧面积仅占约 6%。但对1971-2012年被12次野火重复烧毁两次的苔原热喀斯特研究表明，重复野火与单次野火引发的热喀斯特量没有明显差异。

1950-2015年火灾和气候变化协同驱动下阿拉斯加北极热喀斯特年际变化

与气候和火灾严重程度的空间分布规律类似，苔原生物群落的热喀斯特对野火响应大致呈现了纬度梯度地带性。1950-2015年间，在相对寒冷、纬度最北的北极海岸平原，只有0.6%的陆表景观转变为热喀斯特，野火的贡献率为0.03%。而在相对温暖、纬度最南的苏厄德半岛，3.1%的陆表景观退化形成热喀斯特，其中32.9%由野火所致。然而，这些地区的热喀斯特增加率比起高达32.8-155.7 m2 ha-1 10a-1的重工业化的普拉德霍湾附近要低得多。此外，热喀斯特对野火的响应程度和恢复与地质地貌也有关系，在含冰量高、地势低洼、排水不良的冲积和湖相地貌，其增加速率高于含冰量低、地势较高、排水较好的冰碛地貌（图3）。另据模拟估计，受野火干扰苔原的热喀斯特增加速率恢复到未受野火状态所需的时间，对于冲积、湖相沉积和冰碛地貌而言分别为51、47 和80年。然而，相较单次野火事件，无论重复野火间隔多久，其所引起的热喀斯特覆盖率并未显著增加。

▲图3 热喀斯特对火灾严重程度和地质地貌的差异化响应。A，由野火后3年内热喀斯特的累积形成量评估野火干扰的直接影响，结果来自最近两次野火（2012年Uvgoon Creek的野火和2010年Sidik Lake的野火）干扰的苔原及其毗邻的未受野火干扰区域。图中根据火灾严重程度×地质地貌类型给出了研究样点数(n)，不同字母表示在P < 0.05水平上差异显著。B，热喀斯特对受野火干扰和未受野火干扰的长期响应。结果基于两次历史性野火（1977年OTZ-NNW38 野火和1986年OTZ-NE100野火）干扰的苔原及其毗邻地区。实心符号表示火灾前热喀斯特覆盖率，空心符号表示火灾后3年热喀斯特覆盖率。所有数据均以平均值±标准差表示。

这些研究表明，热喀斯特化似乎已成苔原生态系统转变和演替的常态之一，而气候变暖是其1970年代后加速发展的主因。然而，野火的协同作用导致局部地区热喀斯特激增——受野火干扰的热喀斯特覆盖率甚至为未受野火干扰的9倍。在本世纪泛极地地区气候变暖和野火频发预期下，多年冻土快速退化引起的热喀斯特化可能成为北极生态系统对大气反馈不确定性日益增强的来源。因此，该研究针对热喀斯特对野火70年来的响应开展遥感反演和模拟，可为地球系统模型提供必要的定量约束，也将有利于提高高纬地区未来变暖幅度预估的可信度。

论文摘要

预计气候变暖将促使北极苔原野火频发，由此加剧多年冻土融化。当前北极苔原研究的不确定性之一是，野火如何与气候变化相互作用并影响热喀斯特—多年冻土融化导致的地表坍塌沉陷。本研究揭示，1950-2015年阿拉斯加北极苔原热喀斯特在气候变暖和野火共同作用下增加了约60%。过去40多年，野火影响下的苔原热喀斯特加速发展，累计增加了约9倍于未受野火干扰的热喀斯特。然而，无论再次发生野火的间隔时间多长，重复野火与单次野火引发的热喀斯特量没有明显区别。模拟表明，气候变化是1950-2015年间阿拉斯加北极苔原热喀斯特约4,700 km2增量的主要驱动因素，然而，尽管野火仅烧毁了3.4%的陆表景观，却造成了10.5%的热喀斯特。这些结果表明，随着苔原生态环境的转变，气候变化和野火的协同作用将加速北极热喀斯特。

Climate warming is projected to intensify tundra wildfire, with profound implications for permafrost thaw. A major uncertainty is how increased burning will interact with climate change to exacerbate thermokarst (ground-surface collapse resulting from permafrost thaw). Here we show that thermokarst rates increased by ~60% with warming climate and wildfire from 1950 to 2015 in Arctic Alaska. Wildfire amplified thermokarst over 40+years, cumulatively creating ~9 times thermokarst formation as that in unburned tundra. However, thermokarst triggered by repeat burns did not differ from that triggered by single burns, irrespective of time between fires. Our simulation identified climate change as the principal driver of all thermokarst formed during 1950-2015 (4,700 km2) in Arctic Alaska, but wildfire was disproportionately responsible for 10.5% of the thermokarst by burning merely 3.4% of the landscape. These results combined suggest that climate change and wildfire will synergistically accelerate thermokarst as the Arctic transitions in this century.

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评述人简介

罗栋梁

中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室研究员

luodongliang@lzb.ac.cn

罗栋梁，博士，中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室研究员，主要从事冻土环境与全球变化研究，重点关注北半球多年冻土活动层厚度时空异性，黄河源区冻土水热过程、冻土区地面温度分异及其生态环境效应等。目前在Permafrost Periglac.和Sci. China Earth Sci.等地球与环境科学主流期刊发表一作论文20余篇。现担任国际多年冻土观测网（GTN-P）中国代表，Adv. Clim. Chang. Res.、《冰川冻土》、《草地学报》等期刊青年编委。

Dongliang Luo, Ph.D., Professor in Geocryology, State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-environment and Resources, Chinese Academy of Sciences. His major research interests include near-surface hydrothermal processes and the thermal state of frozen ground in the source area of the Yellow River, and spatial and temporal variations of the active layer thickness across the northern hemisphere, and their influences on the eco-environment and hydrology. He has published more than 20 papers on Journal of Geophysical Research-Atmospheres, Permafrost and Periglacial Processes, Science China Earth Sciences, Chinese Science Bulletin, etc. as the first author. He is one of the national correspondents of China in Global Terrestrial Network for Permafrost (GTN-P), and on the youth editorial board of Journals of Advances in Climate Change Research, Journal of Glaciology and Geocryology, and Acta Agrestia Sinica.

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