長期海洋性冰川與環境監測研究支撐區域可持續發展

王世金 康世昌 陳拓 何元慶 楊梅學 李全蓮 牛賀文 蒲燾 張昺林車彥軍 郭萬欽 燕興國 馬興剛 王榮軍

1 中國科學院西北生態環境資源研究院 冰凍圈科學與凍土工程重點實驗室 蘭州 730000

2 中國科學院玉龍雪山冰凍圈與可持續發展野外科學觀測研究站 麗江 674100

3 米堆冰川-光謝錯冰湖災害西藏自治區野外科學觀測研究站 林芝 860000

全球海洋性冰川（溫冰川），受海洋氣候影響顯著，對全球變暖響應敏感。玉龍雪山冰川位于青藏高原東南緣，因夏、秋季受南亞季風和東亞季風雙重影響，其屬性亦為海洋性冰川。我國海洋性冰川進入性相對便捷，且距四川、重慶等旅游客源市場較近，是冰川旅游開發較早區域，經濟效益顯著。然而，與大陸性冰川（冷冰川）相比，海洋性冰川受季風影響，冰溫高、流速快，其冰川消退速率、屬性變化更快、更強，其失穩風險及潛在影響更大。較小的溫升和降水波動會導致強烈的冰川變化，其研究對于揭示全球變化具有指示作用。為促使該區域可持續發展，對其冰凍圈與環境進行定位監測具有強烈的現實需求。

中國科學院玉龍雪山冰凍圈與可持續發展野外科學觀測研究站（以下簡稱“玉龍雪山站”）位于云南省麗江市玉龍縣白沙鎮，始建于2006年，是我國第一個以海洋性冰川與環境為監測、研究對象的野外站。玉龍雪山位于青藏高原東南緣，是歐亞大陸距赤道最近、規模最大的現代冰川分布區，長期定位監測對于揭示低緯高海拔冰川變化的過程機理意義重大。經多年發展，玉龍雪山站在野外觀測平臺建設、海洋性冰川變化過程與機理、海洋性冰川變化的環境效應與影響、冰川旅游服務、冰湖潰決災害等協同研究方面進展顯著，研究成果在國內外產生了重要影響，極大地推動了冰凍圈與可持續發展協同研究進程，為統籌區域水資源優化配置、冰雪旅游資源開發與冰凍圈防災減災提供了理論依據與決策支持。

1 建成了中國海洋性冰川與環境綜合觀測網絡體系

建站以來，在冰凍圈科學目標和國家重大社會需求牽引下，玉龍雪山站堅持“觀測、研究、示范、服務”方針，逐步建成了“一站四區”（玉龍雪山站，梅里雪山、崗日嘎布、貢嘎雪山和達古雪山研究區）空間觀測網絡體系[1]，并強化了整個海洋性冰川區冰凍圈與可持續發展的協同觀測與研究能力。其中，玉龍雪山觀測體系包括海拔2 049—4 850 m的5個梯度式氣象監測系統，1處冰川變化定位觀測場，1套冰川實時監測系統，1套冰雪化學特征觀測系統，2處冰川水文觀測場，3處大氣環境監測系統。其他4個研究區均布設有氣象站、水文站，對其冰川、氣象與水文進行定位監測。崗日嘎布研究區重點揭示冰川與冰湖相互作用機制，梅里雪山研究區重在明晰冰雪徑流對地下水的補給作用，貢嘎雪山研究區旨在揭示表磧覆蓋對冰川物質虧損的抑制作用，達古雪山冰川區重點關注冰雪消融過程對可持續旅游的綜合影響。在此觀測基礎上，玉龍雪山站研發了冰凍圈與可持續發展數據可視化平臺，實現了“一站四區”氣象、冰川與水文觀測數據的實時在線傳輸功能。

玉龍雪山站注重觀測方法和數據資料的質量控制過程，加強與國家科技資源共享服務平臺間的有機銜接，有序開展野外觀測數據的匯交與共享，有效推動了科學設施、科學數據等科技資源的開放程度。

2 開展了白水河1號定位監測冰川與全球參照冰川物質平衡監測和對比研究

基于長期定位監測，建立了亞歐大陸距赤道最近、時間序列最長的海洋性冰川物質平衡數據集[2]，協同對比了全球參照冰川物質平衡，為區域水資源利用規劃起到了重要作用。

自2008年，在玉龍雪山白水河1號冰川上布設物質平衡花桿，開展物質平衡的連續監測工作。利用等高線法、消融曲線法和大地測量法，分別計算2000—2010年間玉龍雪山白水河1號冰川多年平均物質平衡（–0.99、–1.01和–1.18 m w.e.），結果基本一致[3]。1952—2017年間，白水河1號冰川物質平衡波動變化明顯，其物質平衡介于–1.94—2.26 m w.e.，冰川累計物質平衡為–27.45 m w.e.，表明過去幾十年冰川物質虧損嚴重（圖2）。在此基礎上，揭示了海洋性冰川快速變化機理：冰川區固態降水減弱、冰體消融增加；冰川表磧覆蓋率增加，降低了冰雪反照率；冰面破碎化增加了冰川消融面積；冰體溫度快速升高；消融期粒雪盆液態降水增加[2]。20世紀50—60年代以來，中國海洋性冰川區崗日嘎布、達古雪山、玉龍雪山、梅里雪山冰川面積縮減率均超過了38%，遠高于全國18%的平均水平[1]。1959—2015年間，海洋性冰川物質平衡變化劇烈，年物質平衡在–1.80—0.44 m w.e.區間波動，年平均物質平衡遞減率為–0.037 m w.e./a。其中，白水河1號冰川、烏魯木齊河源1號冰川和全球參照冰川均有相似的冰川物質虧損趨勢。在過去近60年間，平均物質虧損速率分別為0.03 、0.02 和0.01 m w.e./a。白水河1號冰川消融趨勢明顯快于烏魯木齊河源1號冰川，同時也快于全球參照冰川物質虧損速率[1,2]。2022年，白水河1號冰川仍處于物質嚴重虧損狀態，物質平衡達–1.65 m w.e.。

圖1 玉龍雪山站“一站四區”空間觀測網絡體系Figure 1 Space observation network system of “One Station and Four Zones” from Yulong Snow Mountain Station

圖2 白水河1號冰川與全球參照冰川物質平衡對比Figure 2 Comparison of mass balance between Baishui River Glacier No.1 and global reference glacier

3 揭示了海洋性冰川變化的水文、細菌微生物及其氣候環境效應

（1）冰雪融水對地表徑流及其地下水的補給作用。選取梅里雪山明永河流域、玉龍雪山白水河流域和漾弓江流域，結合氣象、水文、同位素等數據，建立同位素徑流分割模型，量化分析了不同流域冰雪融水對地表徑流的貢獻。結果表明，消融期（6—9月）冰雪融水占明永河徑流的58.4%，非消融期地下水所占比例最高且相對穩定（60.0%）。季風前雪融水對白水河流域地表徑流的貢獻為38.3%，季風期冰川融水對地表徑流的貢獻為61.1%。季風前雪融水對漾弓江河水的貢獻率為47.9%，季風期冰川融水占漾弓江地表徑流量的6.8%[4]。采用質量平衡方程將明永河地下水分為冰川融水和雨水，發現降水和冰川融水對明永河流域地下水補給貢獻分別為54%±22%和46%±22%，發現了非季風降水主導季風海洋性冰川區地下水補給的新現象[5]。

（2）冰川及其退縮跡地細菌群落結構差異及其影響因素。冰川的低溫、寡營養、強輻射等特征使其成為了一個天然、獨特的微生物資源保藏庫。不同生境（如雪、冰、融水、土壤、冰塵等）中的細菌群落存在著明顯的差異。冰雪體細菌群落豐度通常低于融水、土壤、冰塵等生境。中國冰川雪坑中微生物數量、多樣性、群落組成總體變化呈現“北高南低”、大陸性冰川細菌數量（可培養）高于海洋性冰川的特征。白水河1號冰川雪坑中的細菌數量隨深度加大而升高，但其多樣性和群落結構沒有明顯變化，優勢類群主要為厚壁菌門、放線菌門等[6]。白水河1號冰川融水和退縮跡地土壤中的細菌群落都具有較高的多樣性，但群落組成差異較大。融水中主要類群為變形菌門、厚壁菌門和藍細菌門，而土壤中酸桿菌門、放線菌門、擬桿菌豐度也較高。土壤中的細菌群落多樣性和群落結構相似度均高于融水，這種差異與環境理化特征的不同顯著相關，其中總有機碳（TOC）、pH值、Fe等多指標對細菌群落有顯著影響。協同對比全球典型冰川退縮跡地，發現細菌群落結構同時受到氣候與地理格局的綜合影響[7,8]。

（3）冰川吸光性雜質的氣候效應。基于長期觀測，分析了白水河1號冰川吸光性雜質含量的時空格局、化學轉化、富集-淋溶過程與機制，揭示了吸光性雜質的氣候效應，評估了黑碳（化石燃料和生物質不完全燃燒產物）對冰川消融的影響機制（圖3）。在白水河1號冰川，隨著積雪的持續消融，冰面黑碳和有機碳富集，其中黑碳富集更為顯著。在不同吸光性雜質濃度情境下，冰面反照率降低的程度不同。其中，黑碳引起的雪冰反照率降低程度最高，在藏東南一些海洋性冰川中黑碳和粉塵可導致反照率降低15%。白水河1號冰川中黑碳對反照率降低的貢獻約為10%，導致的輻射強迫可達145 W/m2。總體上，黑碳對冰川反照率降低的貢獻高于粉塵[9]。同時，估算了白水河1號冰川中溶解性有機碳含量為1.5 t，無機顆粒態碳7.25 t。這些吸光性雜質的沉降加速了冰川的消融。隨著冰川消融，冰川中儲存的碳被釋放出來，冰川由“碳匯”向“碳源”轉變[10]。

圖3 雪冰中黑碳（BC）和粉塵（Dust）引起的青藏高原東南部冰川反照率降低及相應的瞬時輻射強迫（RF）Figure 3 Spectral albedo reduction of surface snow on glaciers in the southeast of Qinghai-Tibetan Plateau caused by BC and dust in snow/ice and associated daily maximum radiative forcing (RF).Labels on x-axis indicate albedo reduction and associated daily maximum RF caused by BC, dust, and BC + dust in snowpack

4 長期的監測、試驗與研究結果有效服務于區域可持續發展

（1）基于儀器研發、試驗示范與模型模擬，為景區旅游安全、景觀美化及其水資源利用提供技術支撐。建成國內首個冰川實時監測系統，已對白水河1號冰川冰流速及其物質消融進行實時監測，該系統可為未來冰崩事件的發生提供早期預警[11]。聯合麗江市玉龍縣氣象局開展冬春季人工增雪試驗，成效顯著，為減緩白水河1號冰川消融起到了積極作用。利用實測數據和水文模型，重建了白水河冰川徑流深數據集，量化了海洋性冰川流域冰雪融水對地表徑流-地下水的貢獻率[4,5]，為區域水資源優化配置提供了理論參考。

（2）以海洋性冰川旅游服務研究為切入點，揭示了冰川旅游客源市場結構、旅游服務價值及其氣候變化影響程度。發現冰雪旅游目的地客源核心市場由發展初期的近域客源市場向成熟期的遠域客源市場拓展[12]。利用實地調查和旅行費用法，估算了玉龍雪山冰川旅游服務價值。經計算，玉龍雪山冰川旅游服務總價值為20.33億—57.18億元。2016年玉龍雪山冰川旅游服務價值僅18億元，接近冰川旅游服務總價值最小值，冰川旅游服務提升空間很大。如果冰雪資源消失，至少損失20%—40%的客源[13]。研究成果為其他旅游目的地冰川旅游可持續發展提供了理論依據[14]。

（3）以海洋性冰川-米堆冰川長期監測為基礎，綜合現場考察、多源影像、無人機、無人船等多技術方法，系統揭示了典型冰湖潰決機理，提出了早期預警與中后期防災減災方案。發現，冰內水系潰決和冰川前進乃1988年光謝錯潰決之主因[15]，而2020年嘉黎縣金烏錯冰湖潰決事件則由冰雪崩體、側磧邊坡失穩滑坡體和潰決前該地區持續降雨多因素所致[16]。在此基礎上，綜合評估了青藏高原潛在危險性冰湖潰決的災害風險。建議加大海洋性冰川與冰湖相互作用機制的定位監測力度，同時應及早采取泄洪等工程措施以降低高危冰湖潰決風險[17]。

以上研究成果有效服務于區域水資源優化配置、冰雪旅游可持續發展及冰凍圈防災減災等重大社會需求。

5 結語

基于長期的定位監測與數據積累，以冰凍圈科學為引領，積極探索冰凍圈與可持續發展協同研究路徑，在冰凍圈變化過程機理、冰凍圈變化的水文水資源效應、生態效應、氣候效應及其影響，以及冰凍圈與可持續發展研究方面進展顯著。研究結果積極推動和促進了冰凍圈化學、冰凍圈微生物、冰凍圈旅游學、冰凍圈災害學、冰凍圈人文社會學等冰凍圈科學分支學科形成與發展[18-20]。

未來，玉龍雪山站擬利用高新技術和方法，以玉龍雪山站觀測網絡為基礎，持續加強海洋性冰川與環境的長期監測，并在冰凍圈與可持續發展協同研究方向方面拓展，緊密圍繞玉龍雪山站“冰凍圈變化過程機理、冰凍圈變化的環境效應、冰凍圈與可持續發展”三大領域方向，以冰凍圈變化與可持續發展關鍵科學問題為切入，綜合評估不同時空尺度冰凍圈致利致災效應，以提出冰凍圈影響區的可持續發展路徑。