冻土，是全球生物安全和气候变化的灵敏“指示器”。在土壤冻结时间推迟和消融时间提前的共同影响下，近40年，北半球表层土壤冻结的持续时间和面积显著减少，而温度和积雪等因素起着关键作用。
今年以来，北美地区出现极端高温天气、欧洲中西部地区强降雨引发罕见洪水、我国7·20河南暴雨事件等，无不是极端气候事件的印证，是大自然向人类敲响的警钟。全球气候变暖不仅加剧了气候系统的不稳定性，也对陆地生态系统产生深远影响。作为陆地生态系统重要组成部分，面积约占全球陆地总面积50%的冻土，正在持续消融和退化。这不仅增加了生物安全风险，也会释放大量温室气体，进一步加剧气候变化，深刻影响人类的生存环境和可持续发展。中国科学院生态环境研究中心傅伯杰院士认为，气候变化不仅加剧了两极和高山的冰川消融，也对全球陆地生态系统产生深远影响。而冻土作为陆地生态系统的重要组成部分，其分布面积广，蕴藏丰富的微生物和有机质资源，是全球生物安全和气候变化的灵敏“指示器”。通常情况下，冻土可以分为季节冻土和多年冻土。多年冻土又可以分为上下两层，上层是冬冻夏融或者夜冻昼融的活动层，下层是多年冻结不融的永冻层。研究显示，随着全球气候变暖，冻土的消融不仅会释放大量温室气体，从而进一步加剧气候变化，也会影响生态水文特性和植被物候及生产力，甚至会释放出古病毒，加剧全球生物安全风险。此前，科学界对土壤冻融过渡状态等关键过程的重要性仍缺乏较为全面的认识，并且对全球冻土的时空演变和驱动机制等方面仍不明晰。近日，傅伯杰院士团队解析了北半球近40年土壤冻融循环的时空演变过程和关键驱动因子，这对于理解气候变化背景下陆地生态系统的生物地球化学循环等关键过程，至关重要。上述团队采用多源遥感数据融合和归因分析等方法，详细刻画了1979年到2017年北半球土壤冻融循环的时空格局及热点地区和关键驱动因子。研究显示，近40年来，北半球土壤冻结的持续时间和年平均面积分别以每年0.13±0.04天和4.9×104平方公里的速率显著减少，这主要是由于土壤开始冻结的时间以每年0.1±0.02天的速率显著推迟。而冻结结束和开始融化的时间分别以每年0.21±0.02天和0.15±0.03天的速率显著提前，尤其是在北美洲南部和亚欧大陆大部分地区较为明显。傅伯杰指出，这表明每年入冬时间逐渐推迟，春季逐渐提前来临，使整个冬季冻结期变得更短。其中，亚欧大陆土壤冻融状态的面积变化比北美洲更为剧烈。如果这种变化趋势持续下去，将会引起自然界各圈层的连锁反应，威胁人类生存发展。此外，研究团队将非冻结状态进一步细分为融化状态和过渡状态。对此，团队成员、中国科学院生态环 境 研 究 中 心 副 研 究 员 伍 星 解 释说，过渡状态是指由于昼夜温差等原因出现频繁冻融交替的状态，常发生在秋冬交替和冬春交替时期。在此期间，土壤的理化性质和微生物活性会发生剧烈变化，对关键元素的生物地球化学循环过程产生深远影响。基于分段回归模型和Mann-Kendall趋势检验的结果表明，北半球的春季过渡期整体上显著提前，而秋季过渡期在2000年以后显著推迟。从空间格局上看，欧洲西部、太平洋沿岸、北美洲南部和我国的北部及青藏高原等地均为冻融过渡状态变化显著的热点区域。由于前期研究主要侧重于分析温度和土壤水分等因素对冻融状态的影响，对积雪动态作用认识不足。为此，通过耦合目前最新的雪水当量等数据集，研究人员解析了近40年北半球土壤冻融时空格局变化的关键驱动因子。结果表明，相较于土壤水分，温度和积雪对北半球土壤冻融格局变化的影响更为显著，这为模拟和预测未来土壤冻融格局变化及生态环境效应提供了科学依据。傅伯杰认为，尽管冻土一般分布在中高纬度和高海拔地区，但与人们的生活息息相关。在全球气候变化背景下，该研究可为准确评估和预测北半球土壤冻融格局变化及其生态环境效应提供重要支撑，有助于更好地理解未来全球冻土的演化过程和趋势，为应对气候变化提供科学依据。然而，傅伯杰也指出，冻土的持续退化仅是全球气候变化的一个方面。随着近年来全球暴雨洪涝、高温热浪和持续干旱等极端气候事件的频率和强度显著增加，各国不仅要科学应对和适应气候变化，更需要采取切实可行的减排增汇措施以减缓气候变化，从而实现与自然和谐共生。
