近日，beat365地球與空間科學程豐研究員與美國亞利桑那大學Carmala Garzione教授等國内外專家合作，在上新世-更新世氣候變化與全球暖化背景下的凍土穩定性與碳釋放研究中取得重要進展。

凍土(Permafrost)指土壤溫度保持0℃以下并出現凍結現象的土壤或岩層(Biskaborn et al., 2019)。在全球暖化的背景下，凍土快速消融所釋放出的大量二氧化碳等溫室氣體加劇了全球暖化這一過程(Schuur et al., 2015)。因此，定量評估在全球暖化背景下凍土區的穩定性對于我們預測未來氣候變化意義重大。當今地球有兩大主要凍土區，即位于高緯度的環北極圈凍土區(Circumarctic permafrost area)和位于中低緯度的高山凍土區(Alpine permafrost area)，共蘊含了超過1500 Pg (petagrams, 10¹⁵克)的碳。環北極圈凍土區占全球凍土區面積超過80%，而高山凍土區僅占不到15%。人們對于環北極圈凍土區和高山凍土區的研究不斷取得突破，但對于兩者在溫暖氣候背景下的相對消融速率缺乏深入研究。

圖1. a全球現今年均溫與凍土分布圖；b青藏高原研究區及周緣地區數字地貌高程圖

上新世暖期(3.3-3.0 Ma, 百萬年)是距離現今的一個較為穩定的氣候溫暖期(Haywood et al., 2016)。地質記錄與氣候模拟研究表明，該時期的全球平均溫度與預估的21世紀末的全球平均溫度接近，該時期的全球氣候則被認為與本世紀末全球暖化背景下的全球氣候相似(IPCC, 2013; Burke et al., 2018)。因此，探究上新世至更新世的古氣候為我們評估全球暖化背景下的地球氣候與環境變化提供了一個良好的窗口。

程豐研究員與合作者選取青藏高原北緣高山凍土區出露的上新世至更新世湖相地層為研究對象，運用團簇同位素(Clumped isotope, Δ₄₇)等氣候代用指标，揭示了青藏高原北緣上新世-更新世的古氣候變化，定量重建了該時間段的古溫度變化記錄，并利用氣候模型定量評估了在上新世暖期類似氣候條件下現今全球凍土區的穩定性以及凍土區的碳釋放(Cheng et al., 2021)。

圖2. 青藏高原北緣垭口剖面上新世以來古氣候變化與同時間段區域及全球古氣候對比，揭示出高原北緣在2.7 Ma存在~8°C降溫；年均氣溫從大于0 °C降到了0°C以下，指示上新世暖期古氣候環境将使得凍土消融

研究結果指出：1)青藏高原北緣的年均氣溫度在2.7 Ma前後降低了近8°C，全球在北半球冰期的氣候變冷是該地區大幅度降溫的主要驅動因素，青藏高原該時間段的構造隆升不顯著；2)在上新世暖期類似氣候條件下，現今地球上近20%的環北極圈凍土區将消融，近60%的高山凍土區将消融，分别釋放~253 Pg和~85 Pg的碳，高山凍土區釋放的碳占所有凍土區碳釋放總量的近四分之一；3)高山凍土是全球變暖的背景下的重要碳源，其碳排放占比遠高于環北極圈凍土區。

圖3.上新世暖期（3.3-3.0 Ma）全球年均溫氣候模拟結果，指示在地球現今環北極圈凍土區和高山凍土區在上新世暖期氣候下的穩定性。深紫色和淺紫色分别代表現今環北極圈和高山凍土區。紅色實線代表上新世暖期全球年均氣溫0°C等溫線，指示上新世暖期類似氣候條件下此等溫線以外的凍土區将消融。

值得注意的是，全球高山凍土區僅占據全球凍土面積十分之一，然而在上新世暖期類似氣候條件下所釋放的碳卻占據了全球凍土區碳釋放總量的近四分之一。這一結果表明，相對于高緯度地區，高海拔地區的溫度變化受全球增溫影響更加顯著，在全球暖化背景下，高山凍土區消融以及碳釋放效率高于位于高緯度的環北極圈凍土區。

程豐研究員指出，現今全球高山凍土區大部分位于我國境内的青藏高原上，青藏高原凍土區的消融不僅會加速全球變暖這一過程，同時也對我國“青藏高原生态環境保護和可持續發展戰略”産生直接挑戰。本研究加深了對全球暖化氣候條件下凍土退化及其氣候與環境效應的認識，突顯出深入研究與加強保護青藏高原及周緣高山凍土區的重要性。

圖4.全球a高山凍土區和b環北極圈凍土區在上新世溫暖類似氣候條件下凍土消融面積和碳釋放評估結果

該項成果以“Alpine permafrost could account for a quarter of thawed carbon based on Plio-Pleistocene paleoclimate analogue”為題，發表在Nature Communications上，程豐研究員是該論文第一作者兼通訊作者。

參考文獻:

Biskaborn BK, et al. Permafrost is warming at a global scale. Nature Communications 10, 264 (2019)

Schuur EA, et al. Climate change and the permafrost carbon feedback. Nature 520, 171 (2015).

Haywood, A. M., Dowsett, H. J. & Dolan, A. M. Integrating geological archives and climate models for the mid-Pliocene warm period. Nature Communications. 7, 10646 (2016).

IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. 2013. (ed Stocker TF) (2013).

Burke, K. et al. Pliocene and Eocene provide best analogs for near-future climates. Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, 13288–13293 (2018).

Cheng, F., Garzione, C., Li, X., Salzmann, U., Schwarz, F., Haywood, A.M., Tindall, J., Nie, J., Li, L., Wang, L., Abbott, B.W., Elliott, B., Liu, W., Upadhyay, D., Arnold, A. and Tripati, A. Alpine permafrost could account for a quarter of thawed carbon based on Plio-Pleistocene paleoclimate analogue. Nature Communications, 13(1): 1329 (2022).