氣候變化對祁連山凍土區(qū)碳過程的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

張萬剛

甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)管護中心 上房寺自然保護站,甘肅武威 733000

1 祁連山凍土區(qū)碳過程的概述

1.1 凍土的特點和分布情況

祁連山位于中國西北地區(qū)，屬于寒溫帶高山區(qū)域，其特點之一是存在大面積的凍土。凍土是指土壤或巖石中存在的溫度低于0 ℃，且長時間保持在凍結(jié)狀態(tài)的層狀或塊狀地下材料。

祁連山凍土區(qū)主要包括多年凍土、季節(jié)凍土和巖石凍土。多年凍土是指土壤或巖石長期處于凍結(jié)狀態(tài)的地層，常見于海拔較高、氣溫較低的地區(qū)。季節(jié)凍土是指在氣溫季節(jié)性變化的地區(qū)，土壤或巖石在冬季處于凍結(jié)狀態(tài)，在夏季解凍。巖石凍土則是指巖石中存在的凍土。

祁連山區(qū)巖石凍土的分布受不同巖石類型的影響，包括花崗巖、片麻巖、頁巖等。巖石類型不僅會影響土壤質(zhì)地和排水性，還會對凍土層的特性和厚度產(chǎn)生影響。

祁連山凍土的分布情況具有典型的帶狀特征，隨著海拔的變化和氣候條件的變化而有所不同。其中，低山地帶：低海拔地區(qū)的凍土分布較少，通常在海拔2 000 m以下。這個區(qū)域的土壤溫度較高，很少發(fā)育凍土或只有淺層的凍土存在，不足以稱為典型的凍土區(qū)。中山地帶：中海拔地區(qū)的凍土分布較為廣泛，海拔通常在2 000～3 000 m之間。這個區(qū)域的土壤溫度較低，凍土層較深，凍土穩(wěn)定性較高，多為多年凍土。高山地帶：高海拔地區(qū)是凍土帶的主要分布區(qū)，海拔通常在3 000 m以上。這個區(qū)域的土壤溫度極低，凍土層非常深厚且穩(wěn)定，多為高山多年凍土。

總體來說，祁連山區(qū)的凍土分布較為局限，主要集中在海拔較高的中山和高山地帶。凍土對生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的穩(wěn)定性具有重要意義，并對水文循環(huán)和植被分布等產(chǎn)生顯著影響。

1.2 碳過程的基本概念和影響因素

碳過程是指碳在自然界中的循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程，包括碳的吸收、釋放、儲存和轉(zhuǎn)化等環(huán)節(jié)。在祁連山凍土區(qū)，碳過程主要包括土壤有機碳的積累與分解、碳氮磷等營養(yǎng)元素的循環(huán)、植物的光合作用和呼吸作用等[1-3]。

影響祁連山凍土區(qū)碳過程的因素有：（1）溫度：凍土區(qū)溫度是影響碳過程的重要因素，低溫條件下有機物分解速率較慢，導(dǎo)致碳儲存增加。（2）水分：水分是影響土壤碳過程的關(guān)鍵因素，水分充足有利于有機物的分解和土壤的呼吸作用，缺水條件下有機物分解速率減緩。（3）植被：植被類型和覆蓋度對碳過程有重要影響，不同植被類型的生物量和凋落物分解速率不同，會影響土壤有機碳的積累和分解速率。（4）土壤質(zhì)地：土壤質(zhì)地直接影響碳的固定和釋放速率，黏土質(zhì)地的土壤有機碳儲存能力較強。（5）土壤酸堿度：土壤酸堿度對微生物活性和有機物分解速率有影響，酸性土壤下有機物分解速率較慢。

1.3 祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)過程的特點和機制

1.3.1 祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)過程的特點 （1）寒冷氣候條件促進碳積累。祁連山凍土區(qū)位于高海拔地區(qū)，氣候寒冷，平均氣溫較低。這種寒冷氣候條件直接影響了碳循環(huán)的速率和過程。相比較溫暖的地區(qū)，碳的分解速率較慢，有機物的降解和腐殖化作用相對減緩，導(dǎo)致有機碳的積累較多。

（2）植被類型與分布的多樣性影響。祁連山凍土區(qū)的植被類型多樣，包括高山草甸、針葉林、高寒草原等。不同植被類型對碳循環(huán)有著不同的影響。例如，針葉林具有較大的凋落物量和根系生物量，促進有機物的積累；而高寒草原的土壤有機碳分解速率較快。

（3）凍土層和解凍過程交替碳循環(huán)。凍土層在夏季解凍過程中會釋放大量二氧化碳和甲烷。由于凍土層的存在，季節(jié)性凍融循環(huán)會導(dǎo)致二氧化碳和甲烷的釋放，在碳循環(huán)過程中起到重要作用。同時，凍土的存在也限制了有機物的降解和微生物活性，使得有機碳長期儲存。

1.3.2 祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)過程變化機制 （1）有機碳積累。祁連山凍土區(qū)由于氣候條件限制了有機物的分解速率，使得有機碳在土壤中積累。多年凍土層和季節(jié)凍土層下的有機碳含量較高，是碳儲存的重要地區(qū)。

（2）碳釋放。氣溫升高會導(dǎo)致凍土解凍，釋放大量儲存在凍土中的有機碳。凍土融化會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的改變，增加土壤通氣性，進而加速有機物的分解和呼吸作用，釋放大量的CO2和CH4。

（3）植被作用。植被在祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)中起著重要作用。植物通過光合作用吸收大氣中的CO2，將其轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)，部分有機碳通過凋落物進入土壤，促進有機碳的積累。同時，植物的根系和根系分泌物對土壤有機碳的固定和穩(wěn)定化起著重要作用。

2 氣候變化對祁連山凍土區(qū)碳過程的影響

氣候變化會對祁連山凍土區(qū)碳過程產(chǎn)生廣泛的影響。溫度的升高會加速有機碳的釋放，降水變化會改變土壤碳動態(tài)，其他氣候要素，如光照條件、風速和氣候變異性、CO2濃度變化也會對碳過程產(chǎn)生影響。深入理解這些影響機制對預(yù)測和適應(yīng)祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)的變化具有重要意義。

2.1 溫度變化對碳儲存和釋放的影響

溫度是凍土區(qū)碳過程的主要調(diào)控因子，氣候變化導(dǎo)致的溫度變化對祁連山凍土區(qū)碳儲存和釋放具有重要影響。（1）碳儲存。溫度升高會導(dǎo)致凍土解凍，影響凍土中有機碳的儲存。隨著氣溫升高，凍土層的厚度減少，有機質(zhì)的暴露面積增加，有機碳容易被微生物分解和氧化，從而加速有機碳的釋放和流失。（2）碳釋放。凍土解凍會促進土壤呼吸作用和有機碳的分解釋放。氣候變暖加速了土壤有機質(zhì)的分解速率，使得凍土中積累的有機碳被分解為二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等溫室氣體釋放到大氣中。尤其是在凍土融化期間，有機物的分解速率顯著增加，釋放的溫室氣體量也會增加[4]。

2.2 降水變化對土壤碳動態(tài)的影響

降水是凍土區(qū)土壤碳動態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，氣候變化引起的降水變化對祁連山凍土區(qū)碳過程具有重要影響。（1）降水量變化。氣候變化可能導(dǎo)致降水量和降水形式的改變。降水量的增加會增加土壤濕度，增加土壤中的水分可利用性，促進有機物的分解和呼吸作用，從而增加土壤碳釋放，減少碳積累。降水量的減少會降低土壤濕度，進而減緩有機物的分解速率，增加碳積累。（2）降水形式變化。氣候變化可能導(dǎo)致降水形式的變化，如降雨與降雪的比例變化。降雪可以提供較長時間的冷季濕潤條件，有利于有機物的保留和儲存。降雨則更容易引起水分流失和土壤侵蝕，可能減少土壤中的有機碳含量[5]。

2.3 其他氣候要素對碳過程的影響

除了溫度和降水，其他氣候要素也會對祁連山凍土區(qū)碳過程產(chǎn)生影響。（1）光照條件。光照是植物進行光合作用的關(guān)鍵因素。氣候變化可能導(dǎo)致云量、霧和大氣污染物含量的變化，進而影響植物的光合作用強度和植被生產(chǎn)力，從而影響碳的吸收和固定。（2）風速和氣候變異性。氣候變化可能導(dǎo)致風速和氣候變異性的改變。風速的增加會加速土壤水分的流失和土壤碳的分解。氣候變異性的增加可能引起干濕季節(jié)的明顯變化，進而影響植物生長和有機物的分解速率。（3）CO2濃度變化。氣候變化引起的大氣CO2濃度的增加可能影響植物的光合作用速率，加速碳的吸收和固定[6]。

3 氣候變化對祁連山凍土區(qū)碳過程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

3.1 碳過程變化對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響

3.1.1 植被變化 氣候變化可以影響植被的分布、物種組成和生長狀況。溫度升高和降水變化可能導(dǎo)致植被類型的轉(zhuǎn)變。例如：高寒植被向低海拔擴展。這些植被變化對生態(tài)系統(tǒng)碳儲存和固定能力產(chǎn)生影響。

3.1.2 土壤水分和養(yǎng)分變化 降水變化和溫度升高可能導(dǎo)致土壤濕度和養(yǎng)分含量的變化。降水減少和溫度升高會增加土壤水分的蒸發(fā)散失，從而導(dǎo)致土壤干燥和養(yǎng)分流失。這些變化會影響土壤中的碳儲存和生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)。

3.1.3 生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài) 氣候變化對碳儲存和釋放的影響將直接影響生態(tài)系統(tǒng)的碳動態(tài)。碳釋放的增加會導(dǎo)致大氣中溫室氣體的濃度升高，加劇氣候變化。植被的光合作用和土壤有機碳積累能力的變化也會影響碳儲存的能力。

3.2 生物多樣性對碳過程的影響

3.2.1 植被固碳能力 生物多樣性豐富的祁連山凍土區(qū)擁有多種植物物種，不同植物具有不同的固碳能力。植物通過光合作用吸收二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為有機碳，從而固定碳元素。不同類型的植物在光合速率、凋落物量和根系活動等方面存在差異，這直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的碳固定速率和碳儲存量。

3.2.2 土壤微生物活性 生物多樣性對土壤微生物的組成和功能具有重要影響。祁連山豐富的生物多樣性可以提供多樣的微生物群落，這些微生物參與了土壤有機物的分解和降解過程。土壤中的微生物通過分解有機物釋放出二氧化碳，而不同菌、真菌和細菌物種對碳分解的速率和方式也存在差異。因此，生物多樣性的降低可能導(dǎo)致土壤微生物活性的減弱，進一步影響碳的循環(huán)過程。

3.2.3 根系分泌物和土壤結(jié)構(gòu) 不同植物物種的根系分泌物和根系結(jié)構(gòu)對土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有影響。根系分泌物可以促進土壤養(yǎng)分的循環(huán)和有機物的降解，影響土壤有機碳的積累和穩(wěn)定性。此外，多樣的根系結(jié)構(gòu)可以改善土壤的物理性質(zhì)，如通透性、保水性和抗侵蝕性，進一步影響土壤中碳的儲存和釋放。

3.2.4 生物間相互作用 生物多樣性豐富的生態(tài)系統(tǒng)中存在著豐富的生物間相互作用，如植物和土壤動物之間的相互作用。這些相互作用可以改變有機物分解速率、養(yǎng)分釋放和土壤有機碳的穩(wěn)定性。例如，土壤中的動物，如蚯蚓可以通過混合土壤層和增加有機物的降解速率，影響土壤中碳的循環(huán)過程。

3.3 碳過程變化對土壤質(zhì)量和營養(yǎng)循環(huán)的影響

3.3.1 土壤質(zhì)量 碳過程的變化可能導(dǎo)致土壤質(zhì)量的改變。碳的釋放加速和有機碳的流失可能導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量降低，進而影響土壤結(jié)構(gòu)、保水能力和肥力。土壤質(zhì)量的下降可能進一步影響植被生長和碳儲存能力。

3.3.2 營養(yǎng)循環(huán) 碳過程的變化也會影響土壤中其他營養(yǎng)元素的循環(huán)過程。土壤中有機質(zhì)的分解和有機碳的釋放可能影響氮、磷等營養(yǎng)元素的有效性和生物利用率，從而影響植物的營養(yǎng)吸收和生長。

4 氣候變化適應(yīng)和減緩碳過程變化的策略

4.1 碳儲存和固定技術(shù)

4.1.1 植被恢復(fù)與森林管理 通過森林植被的恢復(fù)和合理的森林管理，可以增加植被的碳吸收能力和有機碳的積累。例如，通過森林的重新造林和植樹造林項目，可以擴大森林覆蓋率，提高碳儲存能力。

4.1.2 土地管理和農(nóng)業(yè)實踐 改善土地管理和農(nóng)業(yè)實踐也可以增加碳儲存和固定。例如，采用有機農(nóng)業(yè)和保護性耕作等方法可以增加土壤有機質(zhì)的含量，提高碳儲存能力。此外，采用合理的農(nóng)田排水和水肥一體化管理等措施也有助于減少碳的釋放和流失。

4.1.3 碳捕集和碳封存技術(shù) 碳捕集和碳封存技術(shù)是一種直接將大氣中的二氧化碳捕集和封存的方法。例如，通過碳捕集和儲存技術(shù)（CCS）將工業(yè)排放的二氧化碳捕集并封存在地下儲存庫，可以減少大氣中溫室氣體的濃度。

4.2 植被恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)保護

4.2.1 生態(tài)恢復(fù)項目 通過實施生態(tài)恢復(fù)項目，包括濕地保護和修復(fù)、沙漠綠化、草地恢復(fù)等，可以提高生態(tài)系統(tǒng)的碳儲存能力和抗干擾能力。有助于恢復(fù)植被覆蓋，增加有機物的積累，并促進生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和穩(wěn)定。

4.2.2 生態(tài)系統(tǒng)保護和自然保護區(qū)管理 加強生態(tài)系統(tǒng)保護和自然保護區(qū)管理是保護植被和生物多樣性的重要手段。通過建立和管理自然保護區(qū)，可以保護和維護原始植被的完整性，減少人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾，促進生態(tài)系統(tǒng)的健康和碳循環(huán)的穩(wěn)定。

4.2.3 生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)工程技術(shù) 生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)工程技術(shù)可以幫助修復(fù)受到破壞的生態(tài)系統(tǒng)，促進植被生長和碳的固定。例如，采用人工濕地和人工植被覆蓋等技術(shù)，可以擴大濕地和植被的面積，提高碳儲存能力。

4.3 氣候策略與管理措施

4.3.1 減排政策和碳市場機制 實施減排政策和建立碳市場機制可以推動溫室氣體排放的減少。通過制定和實施溫室氣體排放限制措施，鼓勵低碳技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以減少碳的釋放，降低大氣中溫室氣體的濃度。

4.3.2 氣候變化適應(yīng)策略 制定和實施氣候變化適應(yīng)策略，包括早期預(yù)警系統(tǒng)、災(zāi)害風險管理和社區(qū)適應(yīng)計劃等，可以幫助減輕氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的沖擊，提高生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力和恢復(fù)能力。

4.3.3 環(huán)保意識增強 教育和意識提升在推動氣候變化適應(yīng)和減緩的過程中起著重要作用。加強公眾對氣候變化的認知和理解，增強環(huán)境保護意識，可以調(diào)動人們關(guān)注和保護環(huán)境、氣候變化的積極性。

5 結(jié)束語

研究了氣候變化對祁連山凍土區(qū)碳過程的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，并提出了相應(yīng)的適應(yīng)和減緩策略。研究結(jié)果表明，氣候變化對碳過程產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化，對生物多樣性和土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響。

針對這些影響，采取的策略包括碳儲存和固定技術(shù)、植被恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)保護、氣候策略與管理措施。通過這些策略的綜合應(yīng)用，可以促進碳循環(huán)的穩(wěn)定，提高生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)能力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)保護的目標。

未來，還需要進一步研究氣候變化對碳過程的長期影響，加強跨學科合作，以制定更有效的管理措施應(yīng)對氣候變化對祁連山凍土區(qū)碳過程影響的挑戰(zhàn)。研究結(jié)果對加強對氣候變化的理解與指導(dǎo)實際應(yīng)對具有重要的學術(shù)和實踐價值。