中国科学院海洋所孙卫东课题组发现冻土甲烷释放和氧化显著影响大气氧碳比值范围

近日，中国科学院海洋研究所孙卫东课题组在全球碳循环及通量估算方面取得重要进展。团队通过对全球观测站和卫星记录的大气成分进行大数据分析，进一步量化了近百年来北半球永久冻土甲烷释放和氧化对大气成分的影响程度。相关研究成果在学术期刊Science Bulletin和Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers （封面文章）发表。
- R) R. z5 r+ G0 P- ^9 L: U工业革命以来，大气二氧化碳增长导致全球变暖，增速了北半球永久冻土退化，使冻土甲烷大量释放。然而，甲烷在释放进入大气的过程中会被快速氧化，这个过程对永久冻土甲烷释放强度的估算造成了困扰。
针对甲烷释放强度估算这一难题，研究团队考虑到大量甲烷氧化过程中的高耗氧量可能造成大气氧碳比值的全球及区域性变化，因此研究整理了近百年来大气氧气、二氧化碳和甲烷的含量和同位素测量数据和模拟数据，计算了全球及不同地区的年氧碳比值(ΔO2/ΔCO2 index)和斜率(ΣΔO2/CO2 slope)。研究发现，永久冻土地区的甲烷释放和氧化过程造成了氧-碳比值和斜率不断下降到–2左右，接近甲烷氧化所需的耗氧量。从全球分布来看，永久冻土区的大气表现出了高的甲烷含量和最轻的碳同位素值(δ13co2)，进一步指示了永久冻土区在持续大量释放甲烷到大气中并快速氧化。
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全球及区域性大气氧碳比值和斜率变化。A. 1900年以来全球氧碳比值(ΔO2/ΔCO2 index)变化；B. 近30年来地区氧碳斜率(ΣΔO2/CO2 slope)变化
3 {3 o: v% x! t- o9 e8 J% \该研究提出间冰期最大值期间永久冻土线（PLIM）的概念。PLIM是过去百万年来不受间冰期变暖影响的永久冻土边缘，其内冻土层下保存着自冰期-间冰期旋回开始以来积累的大量甲烷。现今的全球及区域性大气氧碳比值变化表明，随着人为碳排放导致的全球变暖，PLIM会不断收缩并导致冻土区甲烷储层发生扰动。随后大量的甲烷会被释放到大气中，进一步增强温室效应，加速永久冻土的升温和融化，进而释放更多的温室气体。目前，全球气候正处于间冰期临界点，冻土甲烷释放的正反馈会进一步促进地表升温，有利于打破万年尺度的冰期-间冰期循环，将全球气候推入到一个漫长的温室期。
相关论文第一作者为中国科学院海洋研究所博士研究生谢国治，通讯作者为孙卫东研究员。该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院先导科技专项等项目资助。
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$ \4 K6 j3 L' {, `间冰期最大值期间永久冻土线（PLIM）收缩，冻土甲烷加速释放模型图
% v' j& v" D# U$ S$ R  `0 n论文信息:
* j0 ^, r8 g' ^, `" r7 mXie Guozhi, Zhang Lipeng, Li Congying, Sun Weidong. (2023). Accelerated methane emission from permafrost regions since the 20th century. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 195, 103981. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2023.103981
Xie Guozhi, Sun Weidong. (2023). The retreat of the permafrost line during the interglacial maximum. Science Bulletin, S2095-9273. https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.08.053

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信息来源：中国科学院海洋所。