永凍土內(nèi)甲烷的釋放與全球變暖的關系

張艷秋，唐金榮

（中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京100037）

近期大量的文獻資料報道了永凍土中甲烷的大量泄露現(xiàn)象及其對全球變暖趨勢的響應，引起了全球氣候、環(huán)境科學研究者的廣泛關注。另一方面，賦存于永凍土中的天然氣水合物（主要成分是甲烷）被認為是21世紀最清潔的替代能源，所包含的天然氣資源量是全球常規(guī)天然氣資源量的幾十倍，具有廣闊的開發(fā)利用前景，然而甲烷的大量釋放，尤其是海底永凍土中甲烷的釋放可能導致天然氣水合物資源量逐漸減少，將使全球能源問題面臨新的挑戰(zhàn)。因此，陸域和海域永久凍土帶甲烷的釋放日益引起世界各國研究者以及各海洋國家的高度重視。為此，本文將對這一問題的研究現(xiàn)狀進行深入的追蹤和探討。

1 大量甲烷從永凍土中釋放出來，造成大氣中甲烷濃度增加

永凍土是指處在0℃或0℃以下兩年或更多年的土地（土壤和巖石，并包括了冰和有機物）。永凍土分布非常廣泛，大多數(shù)分布于高緯度的地區(qū)，從26°N的喜馬拉雅山至84°N的格陵蘭島北部都有分布，同時在南極的海域中也廣泛分布。北半球現(xiàn)有永凍土面積2279萬km2，約占北半球陸地面積的23．9% （圖1）。

永凍土中含有豐富的碳，碳來自于過去數(shù)百萬年生活在這一地帶的生物，包括植物的根系、動物的殘骸等。由于有機物的分解受溫度影響，嚴寒的氣候使多年來永凍土的碳只有積累而幾乎沒有釋放，導致其土壤碳含量比其他區(qū)域土壤的碳含量高出數(shù)十倍。據(jù)估算，全球永凍土區(qū)土壤碳庫大約為1672Pg（1Pg＝109），這些有機碳庫為全球地下有機碳庫的50%，遠遠超過了植被（650Pg）和大氣（730Pg）中的碳含量 （Tarnocai et al．，2009；Zimov et al．，2006）。北極寒冷的天氣減緩或抑制了保存在永凍層內(nèi)有機物分解，降低了二氧化碳、甲烷的排放量，從最后一次冰河時代結(jié)束開始，北極地區(qū)就已經(jīng)成為一個碳匯，平均碳匯能力是全球碳匯的10%～15%，最高可達25%。長期以來，科學家一直認為，北極冰棚下的永凍層可作為封住甲烷的不滲透屏障。但是，近些年隨著北極永凍層的逐漸融化，科學家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大量的甲烷從海底永凍土中釋放出來的證據(jù)（圖2），如東西伯利亞大陸架（East Siberian）、博福特海的大陸架（Beaufort Sea continental shelf）、阿拉斯加中部（Central Alaska）等地區(qū)。

圖1 北半球永凍土分布圖

其中甲烷主要從陸域和淺海大陸架中的永凍土中釋放到大氣中（圖2中1、2），在大陸斜坡邊緣（圖2中3）主要以CO2形式進入大氣中，深海中釋放的甲烷大多數(shù)在海底附近被分解或氧化進入海水中，因此一般不會到達大氣層中。

自1994年以來俄羅斯科學院遠東分院的Igor Semiletov先后組織了10次去北冰洋的拉普捷夫海（Laptev Sea）探險。在20世紀90年代，他們沒有察覺到甲烷釋放量增加，但2003年以來，越來越多的甲烷“高濃度地區(qū)”被發(fā)現(xiàn)，例如Igor Semiletov和他同事在沿俄羅斯北部海岸進行實地考察時，在西伯利亞大陸架幾千平方英里的地方發(fā)現(xiàn)了幾個甲烷密集地區(qū)，部分地區(qū)的甲烷濃度達到正常值的100倍。

圖2 甲烷從陸域和海域永凍土中釋放的示意圖

美國費爾班克斯大學生物地球化學家Natalia Shakhova的研究小組在2003～2008年間先后六次遠赴西伯利亞北極大陸架實地考察，詳細測算水體和大氣中的甲烷含量。測量結(jié)果顯示，目前北極地區(qū)甲烷平均濃度在1．85ppm左右，為40萬年來最高，同時也是現(xiàn)今全球大氣中甲烷平均濃度的3倍，而東西伯利亞北極大陸架地區(qū)的大氣層中甲烷濃度更是高達2ppm。他們的研究成果發(fā)表在《科學》雜志上（Shakhova et al．，2010）。文章中指出，一般情況下，在深水區(qū)，蘊藏在海底的甲烷在升至海面的過程中，通常會被氧化，到達海面之后會以二氧化碳的形式揮發(fā)。然而，在東西伯利亞北極大陸架由于絕大多數(shù)區(qū)域水體較淺，通常不足50m，甲烷沒有足夠的時間進行氧化，氣泡上升至海面的時候，甲烷的性質(zhì)仍然未被改變，最后導致大量甲烷直接釋放到大氣層。他們估計，東西伯利亞大陸架每年大概將800萬t甲烷釋放到大氣中，這可能是大氣中甲烷濃度不斷增加的一個要素。

最近幾年，科學家在對北冰洋邊緣的喀拉海（Kara Sea）南部大陸架進行考察時，通過高分辨率地震數(shù)據(jù)，觀測到大量甲烷從喀拉海的亞馬爾半島（Yamal Peninsula）西部海底釋放出來，氣體釋放的范圍至少有7500km2（Portnov et al．，2013），局部地區(qū)釋放氣體所產(chǎn)生的“氣焰”可達25m高（圖3），說明甲烷釋放的強度很大。由于觀測到的主要漏氣部位的深度是20～50m，因此大量的甲烷沒有經(jīng)過氧化過程直接排放到大氣中。

另外，除了從海底永凍土中釋放的甲烷，研究者還發(fā)現(xiàn)淡水資源成為釋放甲烷氣體的新源頭，如湖水中的冰層和湖底部的永凍土中也釋放出大量的甲烷。甲烷不同于二氧化碳，后者具有較強的水溶性，甲烷在淡水環(huán)境中以兩種形式存在—溶解氣體和水底沉積物中升起的密封氣泡。阿拉斯加大學（University of Alaska）費爾班克斯（Fairbanks）分校的Katey M．Walter教授的研究小組對西伯利亞北部、阿拉斯加和格陵蘭地區(qū)永凍土地帶的溫室氣體排放情況進行了探測（Walter et al．，2012；Walter et al．，2006）。通過地面和空中觀測，共發(fā)現(xiàn)15萬個滲漏點，主要分布在融化的冰川和永凍土一帶，釋放的形式主要是密封氣泡，氣泡中95%為甲烷。他們估計，從西伯利亞北部的湖泊中，每年可能釋放出380萬t甲烷，是北部濕地甲烷釋放量的10%～63%，這些甲烷最終會直接排放到大氣中，使得大氣中甲烷的濃度不斷增加。

圖3 甲烷氣體釋放

因此，科學家發(fā)現(xiàn)在2008年全球大氣中甲烷濃度出現(xiàn)10年來的首次增加，而且近年有進一步增加的趨勢（圖4），據(jù)推測，大氣中甲烷濃度的增加可能與凍土融化后甲烷的釋放關系密切。

2 永凍土中甲烷的釋放與全球變暖將形成一個惡性循環(huán)

永凍土融化后儲存在凍土中的土壤有機碳會迅速釋放出來，碳釋放主要通過3種形式：CH4、CO2和DOC（溶解有機碳dissolved organic carbon）（Schuur et al．，2009）。CH4和CO2是最重要的溫室氣體，與DOC不同，它們可以對大氣化學組成產(chǎn)生直接影響，因此，永凍土融化釋放的CH4和CO2可能會對氣候變暖產(chǎn)生強烈的正反饋。尤其是甲烷，在100年的周期內(nèi)，甲烷捕獲熱量的能力是二氧化碳的23倍，因此大氣中甲烷濃度的增加可能會加劇全球的暖化進程。

圖4 歷年全球大氣中甲烷濃度變化曲線

近幾十年來，全球溫度的不斷升高（圖5），尤其是北極地區(qū)平均溫度上升了4℃，使得回流入北冰洋的河水與過去相比溫度更高，因而造成北冰洋的海水不斷升溫。海水升溫不僅造成北冰洋冰層融化速度加快，也使海底永凍土不斷融化，永凍土里面的有機物解凍，微生物開始分解這些有機質(zhì)，釋放出大量二氧化碳和甲烷。因此科學家檢測到西伯利亞大陸架的大氣中甲烷濃度非常高，甚至最高可達到平常值的100倍。東西伯利亞北極大陸架是世界最大的大陸架，面積約為210萬km2，是西伯利亞陸域濕地面積的3倍，永凍土層遍布整個大陸架，表面存在多處深度不足50m的淺海。科學家估計，東西伯利亞北極大陸架永凍土中的有機碳約17000億t，是現(xiàn)代人類活動排放甲烷的4倍以上，是目前大氣中甲烷的2倍。近期，Portnov et al．（2014）利用數(shù)學模型模擬北極地區(qū)Yamal西部大陸架永凍土的演化。他們估算出永凍土最厚為275～390m厚，位于約17m深的海底。通過模擬預測，如果海底溫度為－0．5℃，地熱梯度為0．05W／m2，那么要使得最厚永凍土全部融化，至少需要8200年，但如果溫度升高，融化過程會更快，因為除了地球內(nèi)部的熱使得凍土自下而上解凍（被稱為地熱流體效應），全球氣候的變暖也使得凍土層自上而下解凍。據(jù)估計，如果海水溫度升高2℃，這將極大加速永凍土的融化，氣候變暖可能會導致淺水區(qū)氣體的迅猛釋放使得大量甲烷氣體直接排放到大氣中，這勢必會加劇全球暖化趨勢。

另外，早在2006年，俄羅斯和美國科學家通過對西伯利亞北部和阿拉斯加中部的永凍帶研究發(fā)現(xiàn)，這兩個地區(qū)的永凍土面積100萬km2，平均深25m，永凍土里的碳元素含量是普通土壤的10～30倍，預計含碳約5000億t（Zimov et al．，2006）。他們進行了一個大膽的估算，認為如果全球溫度持續(xù)上升，永凍土可能將在本世紀末全部融化，永凍土里的動植物尸體就會被細菌分解成二氧化碳和甲烷等溫室氣體，這樣會造成數(shù)十億噸二氧化碳釋放進入大氣層，進而大大加快全球變暖的進程。

圖5 全球溫度變化曲線

同時，研究人員指出這種現(xiàn)象極有可能并不限于東西伯利亞海，比如Skarke et al．（2014）發(fā)現(xiàn)在北美大西洋邊緣，也有大量的甲烷氣體從海底中釋放出來。他們認為，如果東西伯利亞海的永凍土正在融化，那么北極大陸架沿線的所有淺海應該也會遭受同樣的影響。

盡管目前的研究結(jié)果并不能說明釋放出的甲烷會立即引發(fā)全球性的氣候劇變，但考慮到甲烷本身是一種溫室氣體，同時賦存于北極地區(qū)的永凍土中的碳含量巨大（占全球碳匯的10%～15%），即使只有一小部分賦存在北極永凍層的甲烷釋放出來，都可能引發(fā)全球氣候的嚴重暖化，因而這些甲烷可能成為加快全球氣候變暖的潛在因素。目前科學家還不能確定甲烷和二氧化碳哪個危害更大，因為雖然甲烷的溫室效應比二氧化碳高23倍，但是甲烷的壽命為10年左右，之后它就分解為二氧化碳和其他化合物，而二氧化碳的溫室效應持續(xù)時間長達一個世紀。但是，全球的氣候變暖已經(jīng)造成永凍土的融化，致使大量的溫室氣體甲烷和二氧化碳釋放到大氣中，這可能將是一個惡性循環(huán)過程：永凍層釋放出來的甲烷令全球溫度進一步上升，全球溫度上升使得更多的永凍層融化，進而釋放出更多的甲烷，整個過程往復循環(huán)，這勢必加劇全球的暖化。

3 永凍土中甲烷的釋放可能造成天然氣水合物資源的流失

甲烷在永凍土中是以游離氣體和天然氣水合物（gas hydrate）的形式存在的。穩(wěn)定的天然氣水合物（甲烷大于90%），又常稱為甲烷水合物（Methane Hydrates）或可燃冰，其結(jié)構像冰一樣，由于其形成需要高壓環(huán)境，因此通常形成于300m以上的海底。但在凍土區(qū)，由于持續(xù)低溫，即使壓力不高，天然氣水合物也能保持穩(wěn)定。通常認為全球99%的天然氣水合物分布于海底沉積物（或永凍土）中，只有1%分布在陸地永凍土中。海底天然氣水合物分布范圍占海洋總面積的10%，相當于4000萬km2，是迄今為止海底最有價值、最具前景的能源，其蘊藏量相當于目前世界能源消費量的200倍。據(jù)估算，全球已探明的天然氣水合物總儲量為10萬億t碳當量，足夠人類使用1000年。有科學家推算：由于天然氣水合物有很強的吸附天然氣能力，一個體積單位的天然氣水合物可以分解為164個單位的天然氣及0．8個單位的水，也就是說1m3的天然氣水合物釋放出來的能量，相當于164m3的天然氣。由于天然氣水合物所含甲烷分子只有一個碳原子，燃燒時幾乎沒有或很少排放出二氧化碳，又無硫化物生成，是目前發(fā)現(xiàn)的最清潔、最豐富的能源，一致認為：天然氣水合物不僅是人類未來新的后續(xù)能源，也是人類逐步擺脫日益加劇的生存環(huán)境危機的期盼。

但是，科學家們發(fā)現(xiàn)，全球變暖可能會造成海底天然氣水合物的穩(wěn)定區(qū)逐漸減?。╓estbrook et al．，2009）。海底天然氣水合物的穩(wěn)定主要取決于溫度（包括水溫和地熱梯度）和壓力。在北極地區(qū)，由于全球氣溫的上升，甲烷不僅從淺海海底永凍土中泄露出來，也開始從深部海底沉積物中釋放出來，目前發(fā)現(xiàn)溢出范圍在150～400m之間。在過去的30多年，北極地區(qū)的海水溫度平均上升了1℃，使海底穩(wěn)定天然氣水合物遭到破壞、脫水，大量的甲烷被釋放到海水中。專家分析，如果這種情況持續(xù)，海底天然氣水合物的穩(wěn)定區(qū)將逐漸縮小，每年將有數(shù)億噸的甲烷被釋放到海水中。一方面，這不僅會使海底天然氣水合物的資源量逐漸減少；另一方面，如果大量的甲烷被釋放到海水中，可能造成海水的酸化，進而破壞海洋的生態(tài)平衡；此外，部分深海底的甲烷氣體在升至海面的過程中，被氧化成二氧化碳直接排放到大氣中，增加了空氣中二氧化碳的濃度，也有可能加劇全球的暖化。

4 結(jié)論與建議

1）永凍土中甲烷的釋放可能成為加快全球氣候變暖的潛在因素，應引起高度重視。由于全球氣候不斷變暖，大部分永凍區(qū)的凍土（包括陸地和海洋的永凍土）已經(jīng)開始融化，并且融化的速度和面積都可能會隨著氣候的進一步變暖而增強。永凍土融化將使得儲存其中的大量有機碳迅速釋放出來，如北極地區(qū)的永凍土中的碳含量巨大（占全球碳匯的10%～15%），即使只有一小部分賦存在北極永凍層的甲烷釋放出來，都可能引發(fā)全球氣候的嚴重暖化。

2）全球變暖可能是永凍土中甲烷大量釋放的主要原因。雖然，目前尚不清楚人為誘發(fā)的氣候變化是否是引起北極大陸架中永凍土釋放甲烷的原因，但初步研究推測，永凍土的融化可能是造成其中甲烷釋放的主要原因，而全球的溫度升高引發(fā)了永凍土的融化。

3）全球變暖可能會造成海底天然氣水合物的穩(wěn)定區(qū)逐漸減少，因此，目前應該加快天然氣水合物的開發(fā)步伐，使天然氣水合物資源盡早的被合理利用，以加快全球能源優(yōu)化并解決全球生態(tài)平衡問題。天然氣水合物中所包含的天然氣資源量是全球常規(guī)天然氣資源量的幾十倍，是地球上所有煤、石油和天然氣總和的2～3倍，如果能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)開采，不僅能改善全球能源結(jié)構，同時化石燃料的消耗量將相應大幅減少，進而從根本上解決大氣中碳的過量排放，減緩或抑制全球變暖趨勢。中國對天然氣水合物的調(diào)查與研究起步較晚，目前已經(jīng)在南海北部神狐海域和青藏高原多年凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，科學家初略的估算，遠景資源量至少有350億t油當量。青藏高原占世界多年凍土面積的7%，約160萬km2，陸相盆地和海相盆地都是天然氣水合物有利聚集區(qū)域，2008年已經(jīng)在青海木里地區(qū)鉆獲水合物實物樣品，目前正在研究中。另外，在中國南海已經(jīng)探測到有利陸坡面積大于120萬km2，東海的有利陸坡面積6萬km2；尤其發(fā)現(xiàn)南海海域BSR（海底反射層）有效面積12．58萬km2，可能蘊藏著大量的天然氣水合物資源，初步估計，我國僅在南海的天然氣水合物儲量就相當于目前陸上石油、天然氣資源量總數(shù)的一半。但現(xiàn)在我國對天然氣水合物還處于研究階段，應該盡快與世界先進水平接軌，并繼續(xù)加大開發(fā)力度，早日實現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)開采，完成我國能源結(jié)構的最優(yōu)化調(diào)整。

4）積極采取措施減少溫室氣體的排放量，更有效地抑制全球變暖的趨勢。當前，全球大多數(shù)國家和地區(qū)都在出臺各種政策和采取措施減少溫室氣體的排放量，例如，中國政府承諾到2030年實現(xiàn)碳排放量的峰值。為了減少碳排放，一方面最主要是減少化石燃料中的碳排放，如降低煤炭燃料的使用；另一方面是開發(fā)和合理利用可替代的清潔能源（如風能、水能、太陽能等）。

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