氣候變化對(duì)祁連山凍土區(qū)碳過程的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

張萬(wàn)剛

甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心 上房寺自然保護(hù)站,甘肅武威 733000

1 祁連山凍土區(qū)碳過程的概述

1.1 凍土的特點(diǎn)和分布情況

祁連山位于中國(guó)西北地區(qū)，屬于寒溫帶高山區(qū)域，其特點(diǎn)之一是存在大面積的凍土。凍土是指土壤或巖石中存在的溫度低于0 ℃，且長(zhǎng)時(shí)間保持在凍結(jié)狀態(tài)的層狀或塊狀地下材料。

祁連山凍土區(qū)主要包括多年凍土、季節(jié)凍土和巖石凍土。多年凍土是指土壤或巖石長(zhǎng)期處于凍結(jié)狀態(tài)的地層，常見于海拔較高、氣溫較低的地區(qū)。季節(jié)凍土是指在氣溫季節(jié)性變化的地區(qū)，土壤或巖石在冬季處于凍結(jié)狀態(tài)，在夏季解凍。巖石凍土則是指巖石中存在的凍土。

祁連山區(qū)巖石凍土的分布受不同巖石類型的影響，包括花崗巖、片麻巖、頁(yè)巖等。巖石類型不僅會(huì)影響土壤質(zhì)地和排水性，還會(huì)對(duì)凍土層的特性和厚度產(chǎn)生影響。

祁連山凍土的分布情況具有典型的帶狀特征，隨著海拔的變化和氣候條件的變化而有所不同。其中，低山地帶：低海拔地區(qū)的凍土分布較少，通常在海拔2 000 m以下。這個(gè)區(qū)域的土壤溫度較高，很少發(fā)育凍土或只有淺層的凍土存在，不足以稱為典型的凍土區(qū)。中山地帶：中海拔地區(qū)的凍土分布較為廣泛，海拔通常在2 000～3 000 m之間。這個(gè)區(qū)域的土壤溫度較低，凍土層較深，凍土穩(wěn)定性較高，多為多年凍土。高山地帶：高海拔地區(qū)是凍土帶的主要分布區(qū)，海拔通常在3 000 m以上。這個(gè)區(qū)域的土壤溫度極低，凍土層非常深厚且穩(wěn)定，多為高山多年凍土。

總體來說，祁連山區(qū)的凍土分布較為局限，主要集中在海拔較高的中山和高山地帶。凍土對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的穩(wěn)定性具有重要意義，并對(duì)水文循環(huán)和植被分布等產(chǎn)生顯著影響。

1.2 碳過程的基本概念和影響因素

碳過程是指碳在自然界中的循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程，包括碳的吸收、釋放、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化等環(huán)節(jié)。在祁連山凍土區(qū)，碳過程主要包括土壤有機(jī)碳的積累與分解、碳氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)、植物的光合作用和呼吸作用等[1-3]。

影響祁連山凍土區(qū)碳過程的因素有：（1）溫度：凍土區(qū)溫度是影響碳過程的重要因素，低溫條件下有機(jī)物分解速率較慢，導(dǎo)致碳儲(chǔ)存增加。（2）水分：水分是影響土壤碳過程的關(guān)鍵因素，水分充足有利于有機(jī)物的分解和土壤的呼吸作用，缺水條件下有機(jī)物分解速率減緩。（3）植被：植被類型和覆蓋度對(duì)碳過程有重要影響，不同植被類型的生物量和凋落物分解速率不同，會(huì)影響土壤有機(jī)碳的積累和分解速率。（4）土壤質(zhì)地：土壤質(zhì)地直接影響碳的固定和釋放速率，黏土質(zhì)地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存能力較強(qiáng)。（5）土壤酸堿度：土壤酸堿度對(duì)微生物活性和有機(jī)物分解速率有影響，酸性土壤下有機(jī)物分解速率較慢。

1.3 祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)過程的特點(diǎn)和機(jī)制

1.3.1 祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)過程的特點(diǎn) （1）寒冷氣候條件促進(jìn)碳積累。祁連山凍土區(qū)位于高海拔地區(qū)，氣候寒冷，平均氣溫較低。這種寒冷氣候條件直接影響了碳循環(huán)的速率和過程。相比較溫暖的地區(qū)，碳的分解速率較慢，有機(jī)物的降解和腐殖化作用相對(duì)減緩，導(dǎo)致有機(jī)碳的積累較多。

（2）植被類型與分布的多樣性影響。祁連山凍土區(qū)的植被類型多樣，包括高山草甸、針葉林、高寒草原等。不同植被類型對(duì)碳循環(huán)有著不同的影響。例如，針葉林具有較大的凋落物量和根系生物量，促進(jìn)有機(jī)物的積累；而高寒草原的土壤有機(jī)碳分解速率較快。

（3）凍土層和解凍過程交替碳循環(huán)。凍土層在夏季解凍過程中會(huì)釋放大量二氧化碳和甲烷。由于凍土層的存在，季節(jié)性凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致二氧化碳和甲烷的釋放，在碳循環(huán)過程中起到重要作用。同時(shí)，凍土的存在也限制了有機(jī)物的降解和微生物活性，使得有機(jī)碳長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

1.3.2 祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)過程變化機(jī)制 （1）有機(jī)碳積累。祁連山凍土區(qū)由于氣候條件限制了有機(jī)物的分解速率，使得有機(jī)碳在土壤中積累。多年凍土層和季節(jié)凍土層下的有機(jī)碳含量較高，是碳儲(chǔ)存的重要地區(qū)。

（2）碳釋放。氣溫升高會(huì)導(dǎo)致凍土解凍，釋放大量?jī)?chǔ)存在凍土中的有機(jī)碳。凍土融化會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的改變，增加土壤通氣性，進(jìn)而加速有機(jī)物的分解和呼吸作用，釋放大量的CO2和CH4。

（3）植被作用。植被在祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)中起著重要作用。植物通過光合作用吸收大氣中的CO2，將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)，部分有機(jī)碳通過凋落物進(jìn)入土壤，促進(jìn)有機(jī)碳的積累。同時(shí)，植物的根系和根系分泌物對(duì)土壤有機(jī)碳的固定和穩(wěn)定化起著重要作用。

2 氣候變化對(duì)祁連山凍土區(qū)碳過程的影響

氣候變化會(huì)對(duì)祁連山凍土區(qū)碳過程產(chǎn)生廣泛的影響。溫度的升高會(huì)加速有機(jī)碳的釋放，降水變化會(huì)改變土壤碳動(dòng)態(tài)，其他氣候要素，如光照條件、風(fēng)速和氣候變異性、CO2濃度變化也會(huì)對(duì)碳過程產(chǎn)生影響。深入理解這些影響機(jī)制對(duì)預(yù)測(cè)和適應(yīng)祁連山凍土區(qū)碳循環(huán)的變化具有重要意義。

2.1 溫度變化對(duì)碳儲(chǔ)存和釋放的影響

溫度是凍土區(qū)碳過程的主要調(diào)控因子，氣候變化導(dǎo)致的溫度變化對(duì)祁連山凍土區(qū)碳儲(chǔ)存和釋放具有重要影響。（1）碳儲(chǔ)存。溫度升高會(huì)導(dǎo)致凍土解凍，影響凍土中有機(jī)碳的儲(chǔ)存。隨著氣溫升高，凍土層的厚度減少，有機(jī)質(zhì)的暴露面積增加，有機(jī)碳容易被微生物分解和氧化，從而加速有機(jī)碳的釋放和流失。（2）碳釋放。凍土解凍會(huì)促進(jìn)土壤呼吸作用和有機(jī)碳的分解釋放。氣候變暖加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，使得凍土中積累的有機(jī)碳被分解為二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等溫室氣體釋放到大氣中。尤其是在凍土融化期間，有機(jī)物的分解速率顯著增加，釋放的溫室氣體量也會(huì)增加[4]。

2.2 降水變化對(duì)土壤碳動(dòng)態(tài)的影響

降水是凍土區(qū)土壤碳動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，氣候變化引起的降水變化對(duì)祁連山凍土區(qū)碳過程具有重要影響。（1）降水量變化。氣候變化可能導(dǎo)致降水量和降水形式的改變。降水量的增加會(huì)增加土壤濕度，增加土壤中的水分可利用性，促進(jìn)有機(jī)物的分解和呼吸作用，從而增加土壤碳釋放，減少碳積累。降水量的減少會(huì)降低土壤濕度，進(jìn)而減緩有機(jī)物的分解速率，增加碳積累。（2）降水形式變化。氣候變化可能導(dǎo)致降水形式的變化，如降雨與降雪的比例變化。降雪可以提供較長(zhǎng)時(shí)間的冷季濕潤(rùn)條件，有利于有機(jī)物的保留和儲(chǔ)存。降雨則更容易引起水分流失和土壤侵蝕，可能減少土壤中的有機(jī)碳含量[5]。

2.3 其他氣候要素對(duì)碳過程的影響

除了溫度和降水，其他氣候要素也會(huì)對(duì)祁連山凍土區(qū)碳過程產(chǎn)生影響。（1）光照條件。光照是植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵因素。氣候變化可能導(dǎo)致云量、霧和大氣污染物含量的變化，進(jìn)而影響植物的光合作用強(qiáng)度和植被生產(chǎn)力，從而影響碳的吸收和固定。（2）風(fēng)速和氣候變異性。氣候變化可能導(dǎo)致風(fēng)速和氣候變異性的改變。風(fēng)速的增加會(huì)加速土壤水分的流失和土壤碳的分解。氣候變異性的增加可能引起干濕季節(jié)的明顯變化，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)和有機(jī)物的分解速率。（3）CO2濃度變化。氣候變化引起的大氣CO2濃度的增加可能影響植物的光合作用速率，加速碳的吸收和固定[6]。

3 氣候變化對(duì)祁連山凍土區(qū)碳過程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

3.1 碳過程變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響

3.1.1 植被變化 氣候變化可以影響植被的分布、物種組成和生長(zhǎng)狀況。溫度升高和降水變化可能導(dǎo)致植被類型的轉(zhuǎn)變。例如：高寒植被向低海拔擴(kuò)展。這些植被變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存和固定能力產(chǎn)生影響。

3.1.2 土壤水分和養(yǎng)分變化 降水變化和溫度升高可能導(dǎo)致土壤濕度和養(yǎng)分含量的變化。降水減少和溫度升高會(huì)增加土壤水分的蒸發(fā)散失，從而導(dǎo)致土壤干燥和養(yǎng)分流失。這些變化會(huì)影響土壤中的碳儲(chǔ)存和生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)。

3.1.3 生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài) 氣候變化對(duì)碳儲(chǔ)存和釋放的影響將直接影響生態(tài)系統(tǒng)的碳動(dòng)態(tài)。碳釋放的增加會(huì)導(dǎo)致大氣中溫室氣體的濃度升高，加劇氣候變化。植被的光合作用和土壤有機(jī)碳積累能力的變化也會(huì)影響碳儲(chǔ)存的能力。

3.2 生物多樣性對(duì)碳過程的影響

3.2.1 植被固碳能力 生物多樣性豐富的祁連山凍土區(qū)擁有多種植物物種，不同植物具有不同的固碳能力。植物通過光合作用吸收二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，從而固定碳元素。不同類型的植物在光合速率、凋落物量和根系活動(dòng)等方面存在差異，這直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的碳固定速率和碳儲(chǔ)存量。

3.2.2 土壤微生物活性 生物多樣性對(duì)土壤微生物的組成和功能具有重要影響。祁連山豐富的生物多樣性可以提供多樣的微生物群落，這些微生物參與了土壤有機(jī)物的分解和降解過程。土壤中的微生物通過分解有機(jī)物釋放出二氧化碳，而不同菌、真菌和細(xì)菌物種對(duì)碳分解的速率和方式也存在差異。因此，生物多樣性的降低可能導(dǎo)致土壤微生物活性的減弱，進(jìn)一步影響碳的循環(huán)過程。

3.2.3 根系分泌物和土壤結(jié)構(gòu) 不同植物物種的根系分泌物和根系結(jié)構(gòu)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有影響。根系分泌物可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分的循環(huán)和有機(jī)物的降解，影響土壤有機(jī)碳的積累和穩(wěn)定性。此外，多樣的根系結(jié)構(gòu)可以改善土壤的物理性質(zhì)，如通透性、保水性和抗侵蝕性，進(jìn)一步影響土壤中碳的儲(chǔ)存和釋放。

3.2.4 生物間相互作用 生物多樣性豐富的生態(tài)系統(tǒng)中存在著豐富的生物間相互作用，如植物和土壤動(dòng)物之間的相互作用。這些相互作用可以改變有機(jī)物分解速率、養(yǎng)分釋放和土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。例如，土壤中的動(dòng)物，如蚯蚓可以通過混合土壤層和增加有機(jī)物的降解速率，影響土壤中碳的循環(huán)過程。

3.3 碳過程變化對(duì)土壤質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的影響

3.3.1 土壤質(zhì)量 碳過程的變化可能導(dǎo)致土壤質(zhì)量的改變。碳的釋放加速和有機(jī)碳的流失可能導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，進(jìn)而影響土壤結(jié)構(gòu)、保水能力和肥力。土壤質(zhì)量的下降可能進(jìn)一步影響植被生長(zhǎng)和碳儲(chǔ)存能力。

3.3.2 營(yíng)養(yǎng)循環(huán) 碳過程的變化也會(huì)影響土壤中其他營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)過程。土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和有機(jī)碳的釋放可能影響氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的有效性和生物利用率，從而影響植物的營(yíng)養(yǎng)吸收和生長(zhǎng)。

4 氣候變化適應(yīng)和減緩碳過程變化的策略

4.1 碳儲(chǔ)存和固定技術(shù)

4.1.1 植被恢復(fù)與森林管理 通過森林植被的恢復(fù)和合理的森林管理，可以增加植被的碳吸收能力和有機(jī)碳的積累。例如，通過森林的重新造林和植樹造林項(xiàng)目，可以擴(kuò)大森林覆蓋率，提高碳儲(chǔ)存能力。

4.1.2 土地管理和農(nóng)業(yè)實(shí)踐 改善土地管理和農(nóng)業(yè)實(shí)踐也可以增加碳儲(chǔ)存和固定。例如，采用有機(jī)農(nóng)業(yè)和保護(hù)性耕作等方法可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，提高碳儲(chǔ)存能力。此外，采用合理的農(nóng)田排水和水肥一體化管理等措施也有助于減少碳的釋放和流失。

4.1.3 碳捕集和碳封存技術(shù) 碳捕集和碳封存技術(shù)是一種直接將大氣中的二氧化碳捕集和封存的方法。例如，通過碳捕集和儲(chǔ)存技術(shù)（CCS）將工業(yè)排放的二氧化碳捕集并封存在地下儲(chǔ)存庫(kù)，可以減少大氣中溫室氣體的濃度。

4.2 植被恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)

4.2.1 生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目 通過實(shí)施生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目，包括濕地保護(hù)和修復(fù)、沙漠綠化、草地恢復(fù)等，可以提高生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存能力和抗干擾能力。有助于恢復(fù)植被覆蓋，增加有機(jī)物的積累，并促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和穩(wěn)定。

4.2.2 生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)管理 加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)管理是保護(hù)植被和生物多樣性的重要手段。通過建立和管理自然保護(hù)區(qū)，可以保護(hù)和維護(hù)原始植被的完整性，減少人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的健康和碳循環(huán)的穩(wěn)定。

4.2.3 生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)工程技術(shù) 生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)工程技術(shù)可以幫助修復(fù)受到破壞的生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)植被生長(zhǎng)和碳的固定。例如，采用人工濕地和人工植被覆蓋等技術(shù)，可以擴(kuò)大濕地和植被的面積，提高碳儲(chǔ)存能力。

4.3 氣候策略與管理措施

4.3.1 減排政策和碳市場(chǎng)機(jī)制 實(shí)施減排政策和建立碳市場(chǎng)機(jī)制可以推動(dòng)溫室氣體排放的減少。通過制定和實(shí)施溫室氣體排放限制措施，鼓勵(lì)低碳技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以減少碳的釋放，降低大氣中溫室氣體的濃度。

4.3.2 氣候變化適應(yīng)策略 制定和實(shí)施氣候變化適應(yīng)策略，包括早期預(yù)警系統(tǒng)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理和社區(qū)適應(yīng)計(jì)劃等，可以幫助減輕氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的沖擊，提高生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力和恢復(fù)能力。

4.3.3 環(huán)保意識(shí)增強(qiáng) 教育和意識(shí)提升在推動(dòng)氣候變化適應(yīng)和減緩的過程中起著重要作用。加強(qiáng)公眾對(duì)氣候變化的認(rèn)知和理解，增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，可以調(diào)動(dòng)人們關(guān)注和保護(hù)環(huán)境、氣候變化的積極性。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了氣候變化對(duì)祁連山凍土區(qū)碳過程的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，并提出了相應(yīng)的適應(yīng)和減緩策略。研究結(jié)果表明，氣候變化對(duì)碳過程產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化，對(duì)生物多樣性和土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響。

針對(duì)這些影響，采取的策略包括碳儲(chǔ)存和固定技術(shù)、植被恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、氣候策略與管理措施。通過這些策略的綜合應(yīng)用，可以促進(jìn)碳循環(huán)的穩(wěn)定，提高生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的目標(biāo)。

未來，還需要進(jìn)一步研究氣候變化對(duì)碳過程的長(zhǎng)期影響，加強(qiáng)跨學(xué)科合作，以制定更有效的管理措施應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)祁連山凍土區(qū)碳過程影響的挑戰(zhàn)。研究結(jié)果對(duì)加強(qiáng)對(duì)氣候變化的理解與指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)對(duì)具有重要的學(xué)術(shù)和實(shí)踐價(jià)值。