冰凍圈化學：解譯氣候與環境變化的秘鑰_風聞

冰凍圈是指地球表層連續分佈且具有一定厚度的負温圈層，其顯著的特點是巨大的冷儲和相變潛熱、以及表面具有高反照率。冰凍圈也是温室氣體的源匯和氣候環境的記錄器，儲量有巨大體積的淡水資源等，加之其變化過程、趨勢和與其他圈層的相互作用，已成為當前氣候系統和可持續發展研究中最活躍的領域之一。

隨着全球氣候顯著變暖，格陵蘭與南極冰蓋融化、山地冰川退縮、海冰範圍縮小、多年凍土退化等，導致人類賴以生存的地球環境狀況急劇變化。冰凍圈萎縮導致的海平面上升、水資源格局改變、潛在的古病毒釋放等等，與人類生存環境息息相關。

量化與評估全球變化背景下人類活動導致的環境污染與氣候變化、以及生物地球化學循環過程等，是冰凍圈化學研究領域的熱點與前沿。冰凍圈化學提供的“指紋信息”則從歷史與現代視角多方位展現了冰凍圈各要素（如冰川、積雪、多年凍土、海冰等）中化學組分（如氫氧穩定同位素、黑碳、汞、持久性有機污染物等）的特徵、時空格局、遷移轉化歸趨、以及對氣候與環境變化的響應與反饋機制（圖1）。冰凍圈化學是實現博古通今、將今論古的重要手段，在此基礎上預測未來變化和服務人類發展，具有突出的科學意義和應用前景。

圖1 冰凍圈化學研究框架以及化學組分來源與沉降示意圖 （康世昌等，2020，中國科學院院刊）

全球變暖冰先知

由於受到現有器測資料時間短的限制，對於歷史時期氣温變化的認識多通過代用指標重建，比如冰芯、樹輪、湖泊沉積物等。其中，冰川（冰蓋）作為氣候環境變化信息的天然檔案庫，其代用資料高分辨率地記錄了遠至近百萬年的變化歷史。

20世紀50年代開始，利用冰芯δ18O記錄開始研究南北極氣温變化，發現距今80萬年以來氣温存在約10萬年的冷暖週期（冰期-間冰期旋迴），其中末次冰期存在氣候突變，即所謂的D-O事件，並在南北極存在“蹺蹺板”效應。

近期，隨着氣候持續變暖，全球冰川顯著退縮，冰川物質持續虧損，其中全球最大的冰川負物質平衡出現在南安第斯山、高加索山和歐洲中部，亞洲高山區冰川負物質平衡最小。工業革命以來，不同地區冰芯也深刻記錄了温度的顯著上升。

青藏高原被譽為第三極，是亞洲水塔，被譽為是全球變化的驅動器與放大器。青藏高原地區近50年來變暖達到每10年0.3-0.4 °C，高於全球同期平均升温率的2倍。高原上已經鑽取的數支冰芯記錄結果進一步證實（圖2），過去1000年來，12世紀中葉至14世紀末較為温暖，15~19世紀較為寒冷，20世紀以來氣候快速變暖。

圖2 青藏高原典型冰川末端顯示的年層（左）以及高原不同區域鑽取的冰芯氣温記錄的對比（右） （Zhang et al., 2016；圖片來自郭軍明）

捕捉人類活動的足跡

工業革命以來，隨着科技進步、人類活動的急劇增加，大量污染物排放到環境中，並深刻影響冰凍圈地區的生物地球化學循環過程。由於冰凍圈地區遠離人類活動密集區，人口稀少，工農業排放源較少，因此，可以將人類釋放污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全球和區域大氣環境影響的代用指標。

冰凍圈地區化學成分的輸送過程包括大氣傳輸、冰凍圈區域的沉降、遷移和富集等，其中大氣傳輸是影響雪冰化學組分形成的主要環境過程。以黑碳氣溶膠為例，通過大氣沉降輸入到陸地冰凍圈（如冰川、積雪和河湖冰）中的黑碳氣溶膠主要來自人類活動區化石燃料和生物質的不完全燃燒。譬如，青藏高原毗鄰東亞、南亞及中亞，受大尺度的西風環流和南亞季風的影響，大氣污染物通過大氣環流遠距離傳輸進入高原地區，並通過幹、濕沉降過程進入冰凍圈。通過模擬發現非季風期間中亞和印度西北部的黑碳主要通過西風傳輸進入青藏高原。非季風期青藏高原黑碳約有61.3%來自於南亞地區人為排放的貢獻；而季風期南亞人為源黑碳的貢獻率為19.4%。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污染物是影響青藏高原大氣環境的主要原因。

以上事實表明，人類活動釋放的污染物通過大氣傳輸對全球環境已產生了重要影響，因此冰凍圈化學成為捕捉人類活動足跡、以及評價人類活動污染程度和歷史變化的重要手段。

氣候變暖和環境變化的助推劑

除軌道尺度、太陽活動以及火山噴發等影響因素外，冰凍圈化學成分的釋放也是全球變暖和環境變化的助推劑。特別是全球變暖導致多年凍土退化，使得原本封存的有機碳融化分解，將大量温室氣體（甲烷和二氧化碳等）釋放到大氣中，而大氣中增加的温室氣體進一步加速全球變暖，形成正反饋效應。多年凍土碳釋放還會改變生態系統碳收支平衡，尤其是由於多年凍土快速退化，可使得生態系統從淨碳吸收轉變為淨碳釋放，植被的重新生長也可部分抵消碳釋放。

沉降到雪冰表面的黑碳等吸光性成分可以降低反照率，通過雪冰表面變暗後吸收更多太陽輻射，使得雪冰增温和消融加強，進而影響區域乃至全球尺度的水循環。在亞洲高山冰凍圈的研究指出，沉降到雪冰中的吸光性雜質，其反照率反饋對地表氣温具有顯著增温作用，可達 0.1℃-1.5℃，這成為僅次於CO2的重要短生命週期氣候強迫因子。由於黑碳和粉塵等吸光性雜質的反照率反饋效應，青藏高原地區冰川消融增加約20%，導致積雪期縮短3-4天。吸光性成分也可導致北緯66.5°以北每年7-9月海冰減少約1%，格陵蘭冰蓋消融增加8 Gt yr-1（約佔總消融量6.8%）。

另一方面，冰川和多年凍土的快速消融，導致儲藏的有毒污染物（如汞、持久性有機污染物）快速釋放，產生二次污染。青藏高原納木錯地區受冰川融水補給的河流河水中全氟烷基酸（廣泛應用於農藥中）的濃度要顯著高於非冰川補給河流，估計每年進入納木錯湖的全氟烷基酸總量約為1.81公斤。在過去40年內我國西部冰川已通過冰川融水釋放出約2500 公斤汞污染物進入下游生態系統，而且增温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。在北極地區，由於北極多年凍土退化增加凍土區汞的釋放和遷移，每年約有2萬公斤的汞污染物會進入河流並輸入到北冰洋中。這也説明，冰川融化和多年凍土退縮可以釋放歷史時期積累的污染物進入生態系統，其導致的環境風險需慎重評估。

圖3 生物質和化石燃料燃燒排放對青藏高原雪坑BC的相對貢獻(箭頭代表不同區域的BC來源) （康世昌等，2019，科學通報）

來源：中國科學院西北生態環境資源研究院