北極甲烷：來自凍原的暖化威脅

■ 安東尼

飛機(jī)降落在偏遠(yuǎn)的西伯利亞東北部徹爾斯基研究站的碎石跑道上。我跟美國阿拉斯加大學(xué)費(fèi)班克分校的研究團(tuán)隊(duì)旅行5天，橫跨整個(gè)俄羅斯才抵達(dá)這個(gè)位于千湖之鄉(xiāng)的東北科學(xué)研究站。我們再次訪問這里的原因是監(jiān)測某個(gè)蘇醒中的巨人，它可能大幅加速全球暖化。

這次探索讓我們了解西伯利亞跟整個(gè)極區(qū)的永凍土（終年冰凍的土地）有多少正在解凍，或即將開始解凍，而解凍過程會(huì)產(chǎn)生多少甲烷。包括我們在內(nèi)的許多科學(xué)家與政策制定者都對這個(gè)問題感興趣，因?yàn)榧淄槭菧厥覛怏w之一，甲烷分子的暖化效果是二氧化碳分子的25倍。如果全球暖化導(dǎo)致永凍土快速解凍，地球變熱的速度會(huì)比現(xiàn)在大部分氣候模式預(yù)測的還要快。在其他人的分析結(jié)果輔助之下，我們的資料指出的趨勢令人不安。

冷凍庫的門忘了關(guān)

科學(xué)家很擔(dān)心永凍土的變化，因?yàn)樗采w了全球陸地面積的20%，在數(shù)十米深的表層土壤中，儲存了大約9500億噸的碳（大多永凍土有數(shù)百米深）。這些碳是枯萎的植物和動(dòng)物的遺骸，已經(jīng)堆積了好幾萬年，只要冰凍在湖泊底部或湖泊之間，就會(huì)安全隔離在大氣之外。

當(dāng)永凍土解凍，微生物接觸到冰封的殘骸時(shí)，會(huì)快速分解殘骸并產(chǎn)生氣體。如果你忘記關(guān)上冰箱冷凍室的門，只要時(shí)間夠長，也會(huì)發(fā)生同樣過程，使解凍的食物腐敗。有氧氣時(shí)，細(xì)菌、真菌對有機(jī)物進(jìn)行有氧分解并產(chǎn)生二氧化碳；但當(dāng)土壤像湖泊底部的沉積物一樣積水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缺氧狀態(tài)，細(xì)菌進(jìn)行厭氧分解，釋出甲烷（以及一些二氧化碳）。湖底的甲烷分子形成小氣泡，浮到水面后進(jìn)入大氣。

在極區(qū)，厭氧分解是甲烷的主要來源。永凍土里的冰融化后，地面陷落，徑流的水正好填補(bǔ)凹陷地帶，制造許多很小的新湖泊。新湖泊吐出大量的甲烷，因?yàn)榇藭r(shí)它們底部的永凍土更容易解凍。過去的記錄顯示，在最近10000年來，當(dāng)?shù)厍蜻M(jìn)入間冰期的溫暖狀態(tài)時(shí)，這個(gè)過程就開始發(fā)生了。但最近幾十年的衛(wèi)星記錄指出，永凍土可能正在加速解凍。

這些衛(wèi)星記錄與阿拉斯加、西伯利亞許多野外研究站的觀測結(jié)果一致，那些研究站由我在費(fèi)班克的同事羅曼諾夫斯基等人負(fù)責(zé)維護(hù)。羅曼諾夫斯基發(fā)現(xiàn)，從19世紀(jì)70年代早期起，研究站當(dāng)?shù)赜纼鐾恋臏囟染烷_始上升了。根據(jù)這些觀察，他計(jì)算出阿拉斯加地區(qū)有1/3～1/2的永凍土溫度上升了1℃～1.5℃；在其他地區(qū)，溫度已經(jīng)跨越了0℃這個(gè)重要的界線。

我的研究團(tuán)隊(duì)和其他很多科學(xué)家在徹爾斯基以及其他許多研究站持續(xù)觀察，證實(shí)了我們之前的猜測，那就是永凍土正在加速解凍，甲烷排放量會(huì)比預(yù)期的更多。最近，我的研究室估計(jì)，依照目前的暖化速率，在2100年之前，永凍土解凍排放的甲烷就會(huì)超越其他所有天然和人為排放的總和。根據(jù)費(fèi)班克的研究人員亞歷塞耶夫計(jì)算，解凍的土壤釋出溫室氣體，再加上分解過程中伴隨的一些二氧化碳，可能讓全球年均溫再上升0.32℃。

0.32℃聽起來很微小，但其實(shí)并非如此，它可能大幅影響全球暖化造成的種種改變，包括天氣、海平面高度以及農(nóng)業(yè)、疾病的地理分布。如果土壤深處的甲烷不幸釋放，溫度可能上升好幾攝氏度。

研究像徹爾斯基這樣的地區(qū)，對于證實(shí)（或改進(jìn)）我們的估計(jì)結(jié)果很重要。我和東北科學(xué)研究站的同事齊莫夫一起走在西伯利亞的河岸邊，我很注意我停下來的地方，那里的土壤只有0.5米厚，大部分都是滿布泥濘、青苔的泥炭地，松軟地堆在40米～80米深的冰上。發(fā)育不良的樹朝不同的方向生長，東倒西歪的，看起來就像喝醉了一樣，因?yàn)樗鼈兊母鶡o法伸進(jìn)冰凍的土地里，而夏季解凍時(shí)又長得太快。在我身后，一株“喝醉的”樹傾倒了，它的根部拉起林地表層，我們可以看見黑色地表上閃亮的冰面，也能聞到有機(jī)物質(zhì)分解時(shí)的那種塵土氣味。走在這里，也很難不踢到四處散亂的骨骸，包括長毛犀、猛犸象、更新世的獅子、熊和馬。

西伯利亞的碳庫

對齊莫夫來說，這個(gè)地區(qū)就像金礦一樣，這當(dāng)然不是指滅絕動(dòng)物的牙齒跟骨骼。1989年，齊莫夫?qū)@個(gè)地區(qū)土壤里的碳庫產(chǎn)生興趣，于是帶著一群年輕科學(xué)家建立了偏遠(yuǎn)的東北科學(xué)研究站，長年監(jiān)測寒林和苔原地區(qū)的永凍土。研究人員搭乘小艇游遍俄羅斯的各條大河，甚至徒手攀登由永凍土構(gòu)成的懸崖，測量出各地的碳含量，這是甲烷釋放量的指標(biāo)。為了模擬大型野火造成的擾動(dòng)，他們以軍用坦克、推土機(jī)來移除表土，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了龐大的永凍土碳庫對全世界有多重要。

除了蘇聯(lián)勞改營以外，世人以前對這個(gè)區(qū)域一無所知，但為什么齊莫夫以及我的團(tuán)隊(duì)都把焦點(diǎn)集中在這里？因?yàn)椴⒎侨康挠纼鐾炼家粯印２还苡袥]有結(jié)冰，只要土壤年均溫度至少連續(xù)2年都在0℃以下，就是永凍土。西伯利亞大部分地區(qū)的永凍土都是一種特別的永凍黃土，富含冰與碳，這二者都是甲烷問題的關(guān)鍵。永凍黃土的土壤體積有90%是10米～80米厚的大型冰楔或較小的冰晶組成，其余則是有機(jī)物含量很高的土壤層，富含更新世哺乳動(dòng)物的遺骸和它們生前吃的草。

永凍黃土是在最后一個(gè)冰河期的末期形成的，在西伯利亞大約覆蓋了180萬平方千米的面積，北美洲也有一些分布。其中的有機(jī)物在還沒來得及被微生物分解前就被冰凍在原地，好像大型的冰箱儲備很多食物以備未來不時(shí)之需一樣，只是這個(gè)冷凍庫的門一直是開著的。

最近，更溫暖的天氣讓永凍黃土開始融化，形成很多湖泊。當(dāng)土地解凍、凹陷，上面生長的植物在湖泊邊緣傾倒，這個(gè)過程稱為熱融。今天的西伯利亞有30%的面積是湖泊，持續(xù)融化的冰讓湖泊更大、更深，融合成制造甲烷的大型水池。

鏈接

永凍層一般分布在地下三四十厘米處，通常又分為上下二層，上層夏季融化，下層仍處于冰凍狀態(tài)。

一般的凍土層在氣候回暖或受到強(qiáng)壓時(shí)，凍土內(nèi)的冰會(huì)融化成為水；但永凍土即使在天氣回暖之時(shí)，氣溫仍然在凍點(diǎn)以下，使凍土內(nèi)的冰不能融化為水，因而使凍土的組成不變。其持續(xù)冰凍的時(shí)間可長達(dá)1000年以上。

形成永凍土有二個(gè)條件：①氣溫要很低，如果年平均氣溫高于0℃，雖然可以形成季節(jié)性凍土，卻無法形成永凍土；②持續(xù)時(shí)間較長，因?yàn)榇髿獾牡蜏貍鲗?dǎo)到地表以下幾百米的深度，需要幾百年、幾千年甚至更長時(shí)間。

由于氣候的轉(zhuǎn)變，永久凍土的范圍亦會(huì)隨氣候而有所增減。2011年2月26日，美國一項(xiàng)最新研究稱，隨著氣溫的上升，到2200年地球的永凍土層估計(jì)有多達(dá)2/3將融化消失，將向大氣中釋放約1900億噸碳，相當(dāng)于目前地球大氣中碳總量的1/5。這些碳的釋放不僅將加速全球變暖、影響地球氣候，而且還將影響國際社會(huì)的碳減排進(jìn)程。