冰凍圈化學:解密氣候環境和人類活動的指紋

中國網/中國發展門戶網訊 自工業革命以來，人類活動日益加劇，給地球環境帶來深刻影響。特別是自 20 世紀中期以來，人口劇增，人類面臨著嚴峻的資源、環境和社會發展等重大問題。20 世紀 80 年代，科學家提出「全球變化」概念，逐步將地球的大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈、冰凍圈和人類圈納入「全球變化」範疇，並突出強調地球多圈層相互作用及其環境變化。

在全球變暖背景下，近幾十年來冰凍圈正在經歷快速退縮。冰凍圈快速退縮引起冰凍圈區域的生物地球化學循環發生變化，導致冰凍圈化學成分和化學過程發生改變，對區域乃至全球氣候和環境變化帶來強烈的反饋效應。作為連結圈層相互作用的核心紐帶之一，冰凍圈化學能為全球變化各個方面，如人類活動、環境汙染、氣候變化、生物地球化學循環等諸多科學研究提供基礎。認識冰凍圈各要素中化學組分特徵、時空格局、遷移轉化歸趨過程及其對氣候和環境變化的響應與反饋機制，可為當今人類經濟社會的可持續發展提供重要科技支撐。由此，在冰凍圈科學總體框架之下，與物理學、化學、生物學、大氣科學、生態學、氣候學和環境科學等內容綜合交叉的冰凍圈化學應運而生。

冰凍圈科學與冰凍圈化學

冰凍圈是指地球表層連續分布且具一定厚度的負溫圈層。冰凍圈的組成要素包括陸地冰凍圈的冰川（含冰蓋）、凍土（包括多年凍土、季節凍土）、積雪、河冰和湖冰，海洋冰凍圈的冰架、冰山、海冰和海底多年凍土，以及大氣冰凍圈中的凍結狀水體（如冰晶、冰核、冰雹等）。冰凍圈科學是研究自然背景條件下，冰凍圈各要素形成和變化的過程與機制，冰凍圈與氣候系統其他圈層相互作用，以及冰凍圈變化的影響和適應的新興交叉學科。冰凍圈化學是研究冰凍圈各要素化學組分的時空格局、來源、遷移、轉化、歸趨及其對氣候和環境影響的一門學科；它涉及冰凍圈化學成分的地域特性、源和匯特徵、生物地球化學循環過程，以及冰凍圈與其他圈層界面的化學過程等。

冰凍圈是氣候系統中最為敏感的圈層，也是全球變化的放大器。冰凍圈主要分布在極地和高寒區域，受局地人類活動的影響較小；因此，冰凍圈化學作為「指紋信息」，可以反映區域或全球尺度氣候與環境變化的信息，有利於獲得不同氣候和環境因子的演化過程。同時，冰凍圈獨特的物質能量交換和快速的相變過程，對於氣候變暖和人類活動極為敏感，是參與全球生物地球化學循環的重要圈層之一。在全球變暖和人類活動雙重驅動下，冰凍圈生物地球化學循環與各類化學組分正在經歷快速的變化過程，給氣候和環境帶來顯著的反饋效應。

儘管冰凍圈化學是冰凍圈科學體系中的新興研究領域，但隨著冰凍圈化學學科的建設、發展和研究的深入，其必將為冰凍圈科學的發展提供支撐。此外，冰凍圈化學通過揭示多化學指標的生物地球化學循環規律，了解過去全球氣候環境變遷歷史和機理，並預測未來變化和服務人類發展，具有重要的科學意義和應用前景。

冰凍圈化學學科框架

冰凍圈化學的學科框架如圖 1 所示。冰凍圈化學研究空間範圍包括陸地冰凍圈、海洋冰凍圈和大氣冰凍圈；主要研究對象包括冰凍圈中的微量氣體、無機和有機化學組分、穩定和放射性同位素、微生物等；研究時間範圍覆蓋小時、天、季節、年、多年等多個不同維度。冰凍圈化學研究內容主要包括 3 個方面。

冰凍圈化學相關的基本物理、化學和生物過程。基本物理過程主要包括大氣成分的乾濕沉降、清除過程、雪冰離子淋融和脈衝、凍土淋溶作用、海冰排鹽等過程；化學過程主要包括同位素分餾、光化學作用、氧化還原反應等；生物學過程包括甲基化、甲烷的微生物過程、硝化與反硝化等。

冰凍圈化學組分的時空格局及其來源。研究大氣冰凍圈、陸地冰凍圈、海洋冰凍圈中的無機成分（如化學離子、不溶微粒、元素、黑碳等）和有機成分（如有機質、持久性有機汙染物等）的時空分布、傳輸和來源等；運用同位素的指紋特徵研究化學成分的自然和人為來源；以及利用雪冰記錄研究人類活動排放汙染物的變化歷史等。

冰凍圈生物地球化學循環的影響與效應。研究冰凍圈不同要素的關鍵生物地球化學過程；評估氣候變暖和人類活動加劇雙重影響下，冰凍圈生物地球化學循環的氣候和環境效應，為應對未來氣候環境變化提供科技支撐。

冰凍圈化學與氣候環境變化及人類活動

冰凍圈化學組分與人類活動和自然環境變化密切相關。在極少人類活動幹擾狀態下，冰凍圈化學組分及其變化由自然環境過程所主導。然而，當人類活動深刻影響和改變自然環境的背景下，冰凍圈中化學成分及其變化則受到人類排放汙染物的主導。冰凍圈化學組分的時空格局、遷移、轉化和歸趨等過程與氣候和環境產生直接關聯，很大程度上已重塑冰凍圈化學組分的生物地球化學循環規律。冰凍圈化學在氣候和環境變化研究中有諸多應用，起到了重要的支撐作用，本文僅列舉比較典型的研究例證。

冰凍圈化學與氣候環境變化

冰凍圈環境介質如冰川是記錄全球氣候變化信息的重要載體，其化學記錄作為一種獨特的氣候變化代用資料，使冰凍圈化學廣泛應用於全球氣候變化研究之中，已取得一系列重要氣候變化發現。例如，20 世紀 50 年代研究人員發現高緯度冰凍圈地區降水中穩定同位素與氣溫之間存在顯著的正相關關係，正是這一發現，使氣候變化研究邁入新的裡程。迄今已有大量冰芯氫氧穩定同位素歷史重建結果與近百年來器測資料研究結果相一致，表明全球氣候正在經歷快速變暖過程。

冰凍圈化學中氧及硫元素同位素的非質量分餾（MIF）效應在氣候環境變化研究中受到研究人員的極大關注，其在大氣（包括古大氣）的氧化能力及氧化過程、礦床成因、火山活動對氣候的影響，以及硫循環等研究中顯示出了強大的示蹤能力。近年來，MIF 效應也被成功應用到冰凍圈相關研究領域。通過分析格陵蘭冰蓋計劃 2（GISP2）深冰芯中硝酸鹽 δ17O 信號，重建了過去 10 萬年大氣氧化能力的變化情況，揭示了大氣（古大氣）氧化能力隨氣候變化的關鍵信息；通過對珠峰南坡墎其爾（Gokyo）湖泊沉積物中硫酸鹽 δ33S 及 δ36S 信號的分析，重建了過去 200 年珠峰地區硫循環歷史，進一步促進了人們對高海拔地區環境變化特徵的認識。

此外，冰芯中粉塵及其他化學組分不但記錄乾旱化等自然過程，而且能夠敏感地記錄大氣環流模態和強度的變化，在反映氣候系統演化方面具有獨特的優勢。全球冰凍圈區域冰芯中粉塵化學記錄反映出大氣粉塵荷載量和大氣環流等變化歷史異同。例如，冰芯粉塵記錄表明青藏高原中部和南部 20 世紀以來粉塵活動由於環流強度變化而呈現出減弱的趨勢。

冰凍圈化學與人類活動

冰凍圈化學記錄就像是一部史書，記錄了不同時期雪冰的化學狀況，這為「解讀」過去的氣候和環境變化提供了基礎。工業革命以來，人類活動在加速改變社會發展歷史進程的同時，也給環境造成了巨大破壞，並逐漸成為影響環境中化學元素再分配的重要因素。化學汙染物組分一般以很低的天然含量廣泛存在於自然界中，但人為排放汙染物的增多已經造成了全球範圍的環境汙染。冰凍圈主要處於偏遠地區，人口相對稀少且遠離工、農業排放源區，受人類活動直接幹擾較小。因此，可以將人類釋放汙染物在極地和山地冰川等冰凍圈環境中的變化過程，作為評價人類活動對大氣環境影響的代用指標。

冰川（冰蓋）和高山湖泊作為冰凍圈的重要組成部分，其化學成分主要來自大氣的乾濕沉降，是大氣成分的天然檔案庫。與其他資料相比，冰川和高山湖泊的相關研究資料具有記錄連續、解析度高、保真性強、沉積後變化微弱的優勢，能夠較為準確地記錄人類釋放汙染物的變化歷史。

冰芯和冰凍圈高山湖泊化學記錄是解密人類排放汙染物歷史變化的重要「指紋」。以重金屬汞（Hg）汙染物為例，全球已有多支冰芯和湖芯歷史記錄研究。從圖 2 來看，自工業革命以來，全球冰凍圈區域大氣汞沉降均呈現快速上升的趨勢，與全球人類活動大量生產汞和快速釋放汞汙染物密切相關。隨著人類的環境保護意識增強，近幾十年來歐洲和北美發達國家採取強力減排措施，這些地區的人類活動釋放的汞汙染物也呈一定的下降趨勢（圖 2）。然而，亞洲地區阿爾泰山和各拉丹冬冰芯汞濃度在最近幾十年仍表現為顯著增加趨勢，這與亞洲快速的經濟和工業發展密切相關。研究表明，亞洲已成為人類活動汞排放的最重要的源區，約佔全球總排放量的一半以上。

青藏高原冰芯和湖芯亦共同記錄了自工業革命以來尤其是二戰之後，大氣汞沉降通量快速增加；該記錄與南亞地區近期人為汞排放的增長相對應，揭示出南亞地區人為排放汙染物是影響青藏高原大氣汞本底和沉降通量的主要原因。以上事實表明，人類活動釋放的汙染物通過大氣傳輸對全球環境已產生了重要影響，因此冰凍圈成為評價人類活動汙染程度和歷史變化的理想研究場所。通過冰凍圈介質忠實記錄的事實，可以警示各國政府應當嚴格管控和削減大氣汙染物的排放。

冰凍圈化學的熱點科學問題

多年凍土退化與碳循環

北半球多年凍土區有機碳儲量為 1 400—1 850 Pg C，約佔全球土壤碳庫的 50%，是大氣碳儲量的 2 倍多。全球快速升溫正在加劇多年凍土退化，導致原本凍結封存的有機碳融化分解，將大量溫室氣體（如 CO2 和 CH4）釋放到大氣中，而大氣中增加的溫室氣體進一步加速全球變暖。因此，多年凍土退化對氣候變化具有強烈的正反饋效應（圖 3）。然而，多年凍土的碳源和碳匯效應在不同區域表現出了巨大的差異，對未來的評估存在較大偏差。具體而言，氣候變暖引起土壤碳，特別是深層土壤碳釋放量的評估差異很大。北極地區多年凍土退化後，還有可能形成熱融湖塘而增加 CH4 排放，而這種地表改變引起的溫室氣體氣候效應機理仍不清楚。此外，儘管全球變暖增加了局部地區土壤碳的釋放，但變暖又促進了植被生長，從而吸收更多的碳。因此，對上述過程認識的不足導致人們對未來碳循環和氣候變化的評估存在很大的不確定性。

多年凍土區碳的生物地球化學循環過程是發展和改進地球系統模式中的重要內容之一。目前，幾乎所有地球系統模式研究主要關注多年凍土緩慢升溫過程，在富冰多年凍土區，多年凍土退化會導致地表快速崩塌，形成熱喀斯特，但是，這些過程比較複雜而未被充分研究，因此沒有被納入到耦合模型中，導致碳循環的評估具有很大不確定性。氣候變暖導致多年凍土崩塌的速度加快，使得生態系統從淨碳吸收轉變為淨碳釋放，而植被的重新生長也能部分抵消碳釋放。另外，溶解性有機碳隨著徑流發生跨區域輸移，並改變其生物可利用性；其釋放通量對多年凍土退化的響應也是評估多年凍土碳反饋潛力的不確定因素之一。

除了陸地多年凍土，海底多年凍土對氣候變化也有重要影響。然而，由於目前對海底多年凍土分布、CH4 水合物存儲及滲透過程、沉積物有機碳儲量及分解的生物地球化學機制不清楚，研究人員難以系統評估海底多年凍土碳庫的氣候效應。因此，在氣候變暖背景下要準確評估多年凍土退化對氣候變化的反饋，亟待解決的科學問題是：明確陸地和海底多年凍土退化過程中碳分解和穩定的化學機制，釐清多年凍土緩慢升溫和快速崩塌過程中溫室氣體釋放速率、方式及其與植被碳吸收之間的平衡關係。

冰凍圈退縮的環境效應

人類活動排放的汙染物通過大氣環流傳輸到偏遠的冰凍圈，可以被封存在冰川和凍土之中。因此，冰凍圈也是人類活動釋放大氣汙染物的「儲存庫」。隨著全球氣候變暖加劇，冰凍圈快速消融，其儲藏的有毒汙染物將會快速釋放，即產生汙染物的「二次釋放」。當前世界各國已經關注到冰川融化和多年凍土退化的環境危害。例如，在過去 40 年內我國西部冰川已通過冰川融水釋放出約 2 500 kg 汞汙染物並進入下遊生態系統，而且增溫背景之下的冰川表面冰塵積聚區極有可能是汞甲基化的新場所。北極多年凍土區亦存儲了大量的汞，氣候變暖導致北極多年凍土退化，從而增加凍土區汞的釋放和遷移。北極地區每年約有 20 000 kg 的汞汙染物會進入河流並輸入到北冰洋中。這些冰川和凍土釋放的汞汙染物和持久性有機汙染物（POPs）等隨地表徑流進入下遊生態系統中，將可能對依靠冰凍圈融水補給的河流下遊地區生態環境產生潛在影響，所導致的環境汙染風險不容小覷。

冰川和凍土中不僅含有上述有毒汙染物，而且極有可能封存著古老的微生物。這些古老生命體在氣候變暖之前暫且還被凍結在冰凍圈之中，不參與冰凍圈與其他圈層之間的遷移。然而一旦冰川消融和凍土退化，極有可能釋放冰封萬年甚至數十萬年的微生物並進入人類生存環境。而這種極端後果，將可能是下一場人類無法承受的災難。已有研究發現在青藏高原深孔冰芯樣品中存在古老病毒，其中 28 種是新病毒。同樣地，在多年凍土中的未凍水內，經常被發現有微生物存在，其中也可能含有古老的病毒。早期在多年凍土中提取了一種被封存長達 3 萬年的病毒 ，在實驗室對其重新加熱發現病毒仍能迅速復活。這也意味著，這些凍結在凍土中的未知病原體可能會因氣候變暖而再次甦醒。隨著冰凍圈繼續快速退縮，「沉睡」在冰凍圈中的未知病毒重新被激活將對產生何種環境和健康效應，值得繼續深入研究。

冰凍圈化學的氣候反饋效應

作為冰凍圈化學重要組分，吸光性成分（如黑碳、有機碳、粉塵等）的氣候反饋效應備受關注。雪冰中吸光性成分產生的直接影響是降低雪冰反照率，即通過雪冰表面變暗後吸收更多太陽輻射，使得雪冰增溫和雪冰消融加強。

在亞洲高山冰凍圈區域，沉降到雪冰中的吸光性成分的反照率反饋對地表氣溫具有顯著增溫作用，可達 0.1℃—1.5℃，這成為僅次於 CO2 的重要短生命周期氣候強迫因子。青藏高原冰川消融期粒雪中黑碳和粉塵共同作用對反照率降低的貢獻可達 20%—50%，所導致的輻射強迫可達 100 W · m–2。由於雪冰中黑碳和粉塵的氣候反饋作用，青藏高原地區冰川消融增加約 20%，積雪消融增加 5—25 mm · w.e.，積雪持續時間縮短 3—4 天。近年來，北極地區增溫幅度可達全球平均水平的 2 倍以上。由於雪冰表面的高反照率和強烈的反饋過程，北極地區氣候受雪冰中吸光性成分的影響顯著，而吸光性成分是除溫室氣體外造成北極變暖的重要因素。北極積雪黑碳導致的輻射強迫可達 0.17 W · m–2，由此帶來的溫升幅度可達 0.24℃。吸光性成分可導致北緯 66.5° 以北每年 7—9 月海冰減少約 1%和格陵蘭冰蓋消融增加約 8 Gt · a–1（約佔總消融量的 6.8%）。冰凍圈的持續消融，特別是冰川的消融導致其表面的吸光性成分富集，從而進一步加速冰川消融。由此，雪冰中的吸光性成分的氣候效應將會越來越顯著，在全球範圍定量評估其影響及水文水資源效應是亟待解決的科學問題。

隨著實驗室分析測試和野外自動監測技術的提升，冰凍圈化學相關研究快速發展，通過多學科交叉融合，從過去主要側重化學組分在冰凍圈介質中的遷移轉換歸趨等過程的認識，逐漸發展至與氣候和環境效應等內容的深度融合。毋庸置疑，冰川（冰蓋）、凍土、河冰和湖冰、海冰等冰凍圈要素是記錄氣候環境變化及人類活動的獨特介質，具有不可替代的優勢；未來隨著分析測試新技術的發展和日趨完善，冰凍圈環境中更多化學組分分析測定將逐一實現；因此，冰凍圈化學的研究內容還會不斷拓展延伸。

冰凍圈化學已逐漸成為冰凍圈科學重要的分支學科，但冰凍圈化學的學科構建、內涵和外延需要在研究和實踐中不斷完善和發展。在未來學科發展中，迫切需要通過建立全球立體觀測網絡體系，獲得全球冰凍圈化學成分和遷移轉化的第一手資料，並結合實驗室分析測試和模擬，闡述冰凍圈環境介質中化學成分遷移轉化過程和機理，科學精準認知冰凍圈化學成分變化與生物地球化學循環的自然和人為過程、機理和影響，揭示全球變暖和人類活動加劇背景下冰凍圈的氣候和環境效應，從而為全球氣候變化應對和區域可持續發展提供科技支撐。

（作者：康世昌 ，中國科學院西北生態環境資源研究院副院長，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室主任、研究員； 黃 傑，中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心、中國科學院青藏高原研究所； 牟翠翠，蘭州大學 資源環境學院 ； 張玉蘭，中國科學院西北生態環境資源研究院、 中國科學院西北生態環境資源研究院；徐建中，中國科學院西北生態環境資源研究院；董志文，中國科學院西北生態環境資源研究院、 中國科學院西北生態環境資源研究院； 杜文濤，中國科學院西北生態環境資源研究院 。《中國科學院院刊》供稿）