How to study a swiftly melting climate disaster

如何研究迅速消融的气候灾难 | MIT技术评论

气候变化与能源

如何研究迅速消融的气候灾难

我乘坐直升机飞入阿拉斯加荒野，与从事永久冻土研究的科学家们一同前往前线。

詹姆斯·特普尔

作者

• 詹姆斯·特普尔档案页面

2026年10月20日

执行摘要

安德鲁·哈弗丁克是一名高个子研究生，他穿着雨裤和橡胶靴，从阿拉斯加丹尼利国家公园大部分地区下层冻结土壤中，用力拽出一把双动手动钻机，随后将钻头末端的中空钻筒取下。

他跪在蓝色防水布前，将钻筒与塑料托盘对齐，从另一端穿过一根杆子。一根完美的实心圆柱形古老土壤样本显露出来——至少有一英尺长的深色肥沃永久冻土。

在7月初的那个清晨，哈弗丁克与亚利桑那州立大学的一组学生和工作人员一起，正在从研究地块中采集样本和数据。这些地块由测量员带子划分，覆盖着苔藓、白柳树和火weed植物。

2013年6月下旬，一道闪电引发了这片主要为无树苔原地区的火灾，位于公园北部偏远地区。受钦诺克风（Chinooks）影响，这种强烈的下坡风由潮湿的海洋空气在阿拉斯加山脉上空升腾后下降形成，火灾迅速蔓延至近35,000英亩土地。火灾烧毁了大部分植被，并深入到表层土壤，剥离了保护冻土的隔热层。这片冻土是阿拉斯加85%地区下层的巨大碳储存库。

在2016年首次调查时，研究人员发现，在火灾最猛烈和最深的区域，冻土上方的解冻土壤（称为活动层）深度比火场外的地块增加了1英尺至近2英尺——这表明发生了深层解冻。

亚利桑那州立大学研究生安德鲁·哈弗丁克在阿拉斯加丹尼利国家公园北部偏远地区钻取永久冻土岩芯。

关键的是，这场火灾还穿越了国家公园管理局于2001年设立的两组调查网格，包括研究人员当天上午站立的那组网格。项目首席研究员之一的桑斯·沃克表示，这场火灾前的快照为亚利桑那州立大学团队提供了难得的机会，可以研究这场火灾如何随时间改变植被、碳和冻土。沃克当时正在监督哈弗丁克的工作。

这些来自高纬度地区火灾的直接观察结果，正在帮助科学家更好地理解野火和冻土流失对气候变化的影响，她说。

“存在大量不确定性，”沃克表示。“这些是巨大的生物群落，发生过大规模火灾，而此前没有人到过那里，也没有人研究过。”

他们正加入越来越多的研究人员行列，努力解开北极-针叶林地区火灾频发、燃烧更猛烈，并将景观和冻土暴露在变暖气候中的后果。

这项工作正在为复杂的气候反馈机制提供关键线索：随着气温上升导致野火更加频繁和严重，更多冻土融化，释放出的温室气体排放可能进一步加剧变暖、野火和冻土流失。

理解这些效应的强度、它们的叠加效应以及景观的其他变化可能在多大程度上缓解这些效应，对于更清晰地把握我们的气候未来至关重要。

值得注意的是，过去的研究模型表明，随着树木和植物的扩张，其吸收的二氧化碳可能在长期内基本抵消因土壤变暖和永冻土融化释放的碳，至少在适度变暖的情况下如此。但随着观测数据和分析技术的不断进步，人们发现北极-针叶林地区排放量对近几十年的影响令人担忧，因为全球正努力将升温控制在相对安全的范围内。

永冻土问题

永冻土占北半球陆地表面积的15%，储存约15000亿吨碳，是大气中碳含量的两倍。其中大部分形成于上一次冰河时期，但过去半个世纪以来，随着气温上升和野火加剧，永冻土的融化速度正在加快。当永冻土融化时，微生物开始分解其中的有机物，以二氧化碳和甲烷的形式释放到空气中。这两种都是推动气候变化的强效温室气体。

然而，永冻土损失的影响并不像乍看之下那样直接。值得注意的是，科学界长期存在争议：未来几个世纪中，对温室气体交换影响最大的因素是土壤和永冻土中碳的流失，还是所谓的“北极绿化”带来的碳吸收。后者描述的是随着气温上升，碳吸收植物在景观中扩散的现象。

永冻土的融化本身可能促进这一现象，因为解冻层加深后，植物可以更容易获取氮、磷等营养物质。具有更深根系的碳吸收树木和灌木可能在以前无法生存的地区扎根并繁茂生长。

阿拉斯加北部伊特基利克河沿岸的河岸暴露了富含冰的耶多马永冻土。

MIKHAIL KANEVSKIY; UNIVERSITY OF ALASKA FAIRBANKS

但随着北极-针叶林地区野火频发和永冻土加速融化，研究人员得以近距离观察这些事件发生后的具体变化。他们利用了如亚利桑那州立大学团队进行的实地调查、卫星观测、激光雷达飞行、日益扩展的温室气体监测塔网络等工具进行研究。

研究结果令许多科学家感到震惊。

特别是，永冻土似乎更容易发生突发性融化，而非主要气候模型模拟的渐进式融化。2020年的一项研究发现，这可能释放出比以往理解的更多碳，使永冻土融化产生的排放量翻倍，并抵消未来植物生长带来的碳吸收。

此外，即使碳含量最终通过北极绿化达到平衡，高纬度地区的野火和永冻土损失产生的排放似乎正在加速当前的全球变暖。

苏珊·纳塔利（Susan Natali）是伍德韦尔气候研究中心的北极气候科学家，她与同事近年来发表的多篇论文得出结论：这些反馈效应的综合排放将使地球升温超过2°C的速度比当前预测的更快。她和其他研究人员还发现，当考虑到永冻层融化、火灾和其他因素的排放时，北极-针叶林区约40%的区域已从碳汇转变为碳源。

纳塔利在一封电子邮件中表示：“我们对诸如突然融化、更深燃烧的火灾和寒冷季节排放等过程的了解越多，看到的干扰增加越多，碳汇减弱、碳源区域扩大的可能性就越大。”

但目前仍存在相当大的不确定性，不同生物群系在不同情况下，火灾和永冻层融化对景观的改变方式可能存在差异。

“这纯粹是科学上的挑战，因为要测量如此大面积的生态系统非常困难，它不是一个统一的系统，”她表示。“它包含无数种不同类型的生态系统。”

结果可能因情况而异

亚利桑那州立大学的北方研究团队一直在研究阿拉斯加不同地区火灾加剧后的后果。过去二十年间，生态学教授米歇尔·麦克（Michelle Mack）——此前曾是沃克的博士后导师——一直在监督森林和苔原地区（从相对温暖的南部内陆到寒冷的北坡）火灾现场的重复调查工作。

米歇尔·麦克是亚利桑那州立大学的生态系统生态学教授，她监督了阿拉斯加范围内的火灾后调查。

MATT 'MARTIAN' WILLIAMS

她的丈夫兼经常合作的同事泰德·舒尔（Ted Schuur）也是该大学的教授，他在迪纳利国家公园以北的八英里湖研究区负责多个永冻层监测和实验研究站点。如果要从亚利桑那州立大学科学家们的研究成果中提炼出一个核心观点，那就是：情况非常复杂。当地的气候和生态系统、火灾的严重程度、永冻层的类型以及众多其他因素，都可能显著影响碳的吸收或损失量、永冻层的融化程度、其恢复潜力以及未来景观的可燃性。

在一项早期研究中，研究人员及其合作者调查了2004年布鲁克斯山脉和阿拉斯加山脉之间一系列大规模针叶林火灾后，由黑云杉主导的数十个林地。一个显著的发现是：严重燃烧导致表层土壤中腐烂有机物几乎完全消失的区域，促进了生长更快且不易燃烧的阔叶树的生长。麦克、沃克及其合作者在2021年发表于《科学》杂志的一篇文章中指出，阔叶树占主导地位的区域储存的土壤碳量约为黑云杉重新生长区域的五倍。

沃克表示，这意味着这些林地随后吸收的碳量“足以弥补”最初火灾释放的碳量。

2019年野火烧毁了阿拉斯加肯奈国家野生动物保护区的这片云杉森林。

GETTY IMAGES

但2007年Anaktuvuk河苔原火灾，作为阿拉斯加北坡有记录以来规模最大的火灾，提供了截然不同的研究案例。最初的分析显示，Mack、Schuur及其合著者发现，这场火灾向大气释放了超过200万吨碳，几乎抵消了全球苔原生态系统当年从空气中吸收的碳总量。

后续研究发现，超过三分之一的焦黑地貌因下方冰楔坍塌而下沉、滑落、塌陷，这是冻土突然融化的确凿证据。圣母大学副教授Adrian Rocha表示，近二十年后，火灾最严重区域的解冻有机质仍在持续释放二氧化碳和甲烷。

Rocha表示，要完全恢复该地区损失的碳可能需要数十年甚至数百年，而这一恢复是否会发生仍存疑问。他继续通过涡度协方差通量塔监测该地区，这些设备用于测量地球与大气之间温室气体的交换。

Mack表示，这些实地测量数据对于理解哪些生态系统能够恢复、哪些生态系统会转变为新状态、它们释放多少碳以及植物生长何时何地能抵消这些碳排放至关重要。她说，冻土解冻的后果已经显而易见。

“如果我们从生态系统生态学角度后退一步，我们会发现冻土中储存的地下碳比植被中储存的地上碳要多得多，”她说。“如果冻土中的碳被释放出来，它可能会淹没所有其他有趣的细节。”

在实验室中

北亚利桑那大学研究团队将一整托盘的土壤样本从丹奈利运回实验室。这些样本包括被称为“布朗尼”的苔藓和腐烂植物物质插件，以及冻土岩芯和未冻结土壤层的样本。此后数月里，他们对各种样本进行了切割、干燥、称重、燃烧和分析，并将野外和实验室发现输入数据库。

从丹奈利研究地块提取的冻土岩芯。

Walker表示，他们正在探索多种研究问题，包括自火灾后首次调查以来，表层有机质恢复了多少，以及自火灾以来碳损失和恢复的量。

分析仍在进行中，但在最严重烧毁的区域，解冻层的深度在13年后仍保持较深。

Walker在一封电子邮件中解释称：“每年夏季的解冻深度都比火灾前更深入土壤，这使更多土壤暴露在分解过程中。”

他们现在希望利用实验室分析确定有多少碳正在流失。

走向气候未来

在我在阿拉斯加海利的最后一个下午，我跟随Schuur沿着一条悬挂在Denali以北苔原田野上方的木板小径行走，希望能一窥我们的气候未来。

2008年，他和他的研究团队设计了一种方法，通过在数十个指定研究地块周围设置雪栅栏，使这些地块经历未来二三十年预期的温度水平。这种方法让额外的雪堆积起来——出人意料的是，这就像一层毯子，在冬季为测试地块提供额外的热绝缘，使其比对照地块更温暖。

在为期13年的实验中，舒尔（Schuur）及其合作者发现，那些10米乘10米的地块土壤碳含量下降了23%。在许多实验地点，土地塌陷形成了数英尺深的坑洞。

当我踩着木板沿着地块中央行走时，我的脚下降了约四英尺，亲身体验了三维沉降。从走道仰望边缘，我感觉仿佛置身于一个空荡荡的泳池深处。

舒尔为我展示了阿拉斯加海利（Healy）附近的“永久冻土碳含量实验加热项目”实地情况。

不过，舒尔还想带我看看其他东西。当我们越过地块之间的山脊时，他指着另一侧一个较浅但同样显眼的水坑说道，这是对照组，它在没有模拟升温或火灾干预的情况下自行融化塌陷。

“每个地块都在按照自己的轨迹发展，”他说，“这些变化的发生是因为整个地区都在变暖……而如果你先烧掉地表，所有变化都会加速。”

舒尔预计，到2040年底，整个实验区域下方的永久冻土将深度解冻。

“根据目前的变暖趋势，地表将不再存在永久冻土，”他说。

除非全球大幅削减碳排放并控制火灾，否则这种现象将沿着阿拉斯加州的海岸线，以十年为单位逐步蔓延，直到阿拉斯加北坡的永久冻土也沉降到类似深度，释放出它所封存了数千年的碳。

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插画：Rose Wong

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