北极甲烷：来自冻原的暖化威胁

■ 安东尼

飞机降落在偏远的西伯利亚东北部彻尔斯基研究站的碎石跑道上。我跟美国阿拉斯加大学费班克分校的研究团队旅行5天，横跨整个俄罗斯才抵达这个位于千湖之乡的东北科学研究站。我们再次访问这里的原因是监测某个苏醒中的巨人，它可能大幅加速全球暖化。

这次探索让我们了解西伯利亚跟整个极区的永冻土（终年冰冻的土地）有多少正在解冻，或即将开始解冻，而解冻过程会产生多少甲烷。包括我们在内的许多科学家与政策制定者都对这个问题感兴趣，因为甲烷是温室气体之一，甲烷分子的暖化效果是二氧化碳分子的25倍。如果全球暖化导致永冻土快速解冻，地球变热的速度会比现在大部分气候模式预测的还要快。在其他人的分析结果辅助之下，我们的资料指出的趋势令人不安。

冷冻库的门忘了关

科学家很担心永冻土的变化，因为它覆盖了全球陆地面积的20%，在数十米深的表层土壤中，储存了大约9500亿吨的碳（大多永冻土有数百米深）。这些碳是枯萎的植物和动物的遗骸，已经堆积了好几万年，只要冰冻在湖泊底部或湖泊之间，就会安全隔离在大气之外。

当永冻土解冻，微生物接触到冰封的残骸时，会快速分解残骸并产生气体。如果你忘记关上冰箱冷冻室的门，只要时间够长，也会发生同样过程，使解冻的食物腐败。有氧气时，细菌、真菌对有机物进行有氧分解并产生二氧化碳；但当土壤像湖泊底部的沉积物一样积水时，会导致缺氧状态，细菌进行厌氧分解，释出甲烷（以及一些二氧化碳）。湖底的甲烷分子形成小气泡，浮到水面后进入大气。

在极区，厌氧分解是甲烷的主要来源。永冻土里的冰融化后，地面陷落，径流的水正好填补凹陷地带，制造许多很小的新湖泊。新湖泊吐出大量的甲烷，因为此时它们底部的永冻土更容易解冻。过去的记录显示，在最近10000年来，当地球进入间冰期的温暖状态时，这个过程就开始发生了。但最近几十年的卫星记录指出，永冻土可能正在加速解冻。

这些卫星记录与阿拉斯加、西伯利亚许多野外研究站的观测结果一致，那些研究站由我在费班克的同事罗曼诺夫斯基等人负责维护。罗曼诺夫斯基发现，从19世纪70年代早期起，研究站当地永冻土的温度就开始上升了。根据这些观察，他计算出阿拉斯加地区有1/3～1/2的永冻土温度上升了1℃～1.5℃；在其他地区，温度已经跨越了0℃这个重要的界线。

我的研究团队和其他很多科学家在彻尔斯基以及其他许多研究站持续观察，证实了我们之前的猜测，那就是永冻土正在加速解冻，甲烷排放量会比预期的更多。最近，我的研究室估计，依照目前的暖化速率，在2100年之前，永冻土解冻排放的甲烷就会超越其他所有天然和人为排放的总和。根据费班克的研究人员亚历塞耶夫计算，解冻的土壤释出温室气体，再加上分解过程中伴随的一些二氧化碳，可能让全球年均温再上升0.32℃。

0.32℃听起来很微小，但其实并非如此，它可能大幅影响全球暖化造成的种种改变，包括天气、海平面高度以及农业、疾病的地理分布。如果土壤深处的甲烷不幸释放，温度可能上升好几摄氏度。

研究像彻尔斯基这样的地区，对于证实（或改进）我们的估计结果很重要。我和东北科学研究站的同事齐莫夫一起走在西伯利亚的河岸边，我很注意我停下来的地方，那里的土壤只有0.5米厚，大部分都是满布泥泞、青苔的泥炭地，松软地堆在40米～80米深的冰上。发育不良的树朝不同的方向生长，东倒西歪的，看起来就像喝醉了一样，因为它们的根无法伸进冰冻的土地里，而夏季解冻时又长得太快。在我身后，一株“喝醉的”树倾倒了，它的根部拉起林地表层，我们可以看见黑色地表上闪亮的冰面，也能闻到有机物质分解时的那种尘土气味。走在这里，也很难不踢到四处散乱的骨骸，包括长毛犀、猛犸象、更新世的狮子、熊和马。

西伯利亚的碳库

对齐莫夫来说，这个地区就像金矿一样，这当然不是指灭绝动物的牙齿跟骨骼。1989年，齐莫夫对这个地区土壤里的碳库产生兴趣，于是带着一群年轻科学家建立了偏远的东北科学研究站，长年监测寒林和苔原地区的永冻土。研究人员搭乘小艇游遍俄罗斯的各条大河，甚至徒手攀登由永冻土构成的悬崖，测量出各地的碳含量，这是甲烷释放量的指标。为了模拟大型野火造成的扰动，他们以军用坦克、推土机来移除表土，用实验证实了庞大的永冻土碳库对全世界有多重要。

除了苏联劳改营以外，世人以前对这个区域一无所知，但为什么齐莫夫以及我的团队都把焦点集中在这里？因为并非全部的永冻土都一样。不管有没有结冰，只要土壤年均温度至少连续2年都在0℃以下，就是永冻土。西伯利亚大部分地区的永冻土都是一种特别的永冻黄土，富含冰与碳，这二者都是甲烷问题的关键。永冻黄土的土壤体积有90%是10米～80米厚的大型冰楔或较小的冰晶组成，其余则是有机物含量很高的土壤层，富含更新世哺乳动物的遗骸和它们生前吃的草。

永冻黄土是在最后一个冰河期的末期形成的，在西伯利亚大约覆盖了180万平方千米的面积，北美洲也有一些分布。其中的有机物在还没来得及被微生物分解前就被冰冻在原地，好像大型的冰箱储备很多食物以备未来不时之需一样，只是这个冷冻库的门一直是开着的。

最近，更温暖的天气让永冻黄土开始融化，形成很多湖泊。当土地解冻、凹陷，上面生长的植物在湖泊边缘倾倒，这个过程称为热融。今天的西伯利亚有30%的面积是湖泊，持续融化的冰让湖泊更大、更深，融合成制造甲烷的大型水池。

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永冻层一般分布在地下三四十厘米处，通常又分为上下二层，上层夏季融化，下层仍处于冰冻状态。

一般的冻土层在气候回暖或受到强压时，冻土内的冰会融化成为水；但永冻土即使在天气回暖之时，气温仍然在冻点以下，使冻土内的冰不能融化为水，因而使冻土的组成不变。其持续冰冻的时间可长达1000年以上。

形成永冻土有二个条件：①气温要很低，如果年平均气温高于0℃，虽然可以形成季节性冻土，却无法形成永冻土；②持续时间较长，因为大气的低温传导到地表以下几百米的深度，需要几百年、几千年甚至更长时间。

由于气候的转变，永久冻土的范围亦会随气候而有所增减。2011年2月26日，美国一项最新研究称，随着气温的上升，到2200年地球的永冻土层估计有多达2/3将融化消失，将向大气中释放约1900亿吨碳，相当于目前地球大气中碳总量的1/5。这些碳的释放不仅将加速全球变暖、影响地球气候，而且还将影响国际社会的碳减排进程。