这块坚实的 20 公斤重的硬化冰雪不知何故从我戴着橡胶手套的手中滑落，掉回我正在深雪中挖掘的长沟里，发出嘎吱一声。我跪在沟渠边缘，挺直腰杆喘口气，并弓起酸痛的下背部，那里用举重腰带保护着。在这个阿拉斯加内陆阳光明媚、寒冷的日子里，我和五位科学家正在沿着位于苔原上一个缓坡上的六个挡雪栅栏中的第四个挖掘数吨积雪，然后用雪橇将其运走。我们的劳动是一项旨在使地面变暖的实验的一部分，模拟未来气候可能在这个偏远地区（就在德纳里国家公园外）所做的事情。
现在是四月初，我的团队花费了一周多的时间清除沿着我们在每年秋天在现场安装的栅栏堆积的压缩雪堆。每个栅栏大约有一米半高，八米长。额外的积雪像毯子一样将地面与寒冷的冬季空气隔绝，使多年冻土（通常全年保持冰冻状态的土壤）表面比原本更温暖。我们清除多余的积雪，以便春季的影响与周围的苔原区域同时渗透到我们的实验样地中，并确保没有额外的融水渗入地下，从而改变土壤，使其与较大区域的土壤进行比较。
在冬季保持冻土温暖会导致它在夏季更快、更广泛地融化。这种反应正是预计随着温度在苔原和北极以南的北方生态系统中升高而发生的，而那里的升温速度是全球平均水平的两倍。多年冻土包含岩石、冻土和冰，因此它在变暖时是融化而不是熔化。就像从冰箱里取出的汉堡包一样，它会变软，但不会变成液体。随着多年冻土融化，先前冷冻的微生物重新激活并分解数百年至数千年间积累在冻土中的动植物残骸，释放出二氧化碳和甲烷。
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环绕地球北部的多年冻土区域在土壤中蕴藏着如此多的有机物质，以至于将其中的一小部分作为温室气体释放到大气中，就会显著提高全球变暖的速度。我们在阿拉斯加进行的实验是世界各地综合研究的重要组成部分，旨在弄清楚这种影响在未来几十年内可能有多大。我们现在开始了解足够多的信息来进行可靠的预测。
大量冻土可能融化
我们如何可能量化有多少多年冻土会融化，融化的速度有多快，以及碳释放对全球变暖的影响有多大？量化需要评估地球上一个巨大的区域。多年冻土区域横跨北半球 1670 万平方公里，几乎占无冰陆地面积的四分之一。而且冻土可能深达数十至数百米。（南半球的大部分高纬度地区被海洋或陆地上的冰盖覆盖，因此那里的多年冻土范围有限。）
尽管卫星和遥感设备可以准确记录格陵兰岛等冰盖的变化，但多年冻土区域没有全面的遥感系统。多年来，科学家们监测安装在某些多年冻土点的地面传感器，但我们只是没有足够多的全球数据点。然而，我们一直在稳步增加更多的传感器。“全球陆地多年冻土网络”现在跟踪着 1000 多个钻孔，这些钻孔内衬有仪器，可以监测地表以下几米以及更深处的土壤温度。
该网络表明，多年冻土在过去几十年中一直在稳步变暖，在 2014 年和 2015 年在许多地点创下新纪录。最显著的增长发生在土壤温度历史上非常低的地区，从零下 10 摄氏度到零下 5 摄氏度。我们还观察到多年冻土的温度升高，这些多年冻土更接近冰点，从零下 2 摄氏度到 0 摄氏度，在这里，一度的变化可能会产生重大影响。在一些多年冻土刚好低于冰点的地区，活动层（夏季融化，冬季重新冻结的地表土壤）正在变得更厚。当我们把世界各地的所有这些测量结果拼接在一起时，我们就对整个北极地区的土壤温度变化有了很好的认识。
有多少多年冻土可能融化只是我们想要进行的计算的一部分。我们还需要知道软化的土壤中含有多少有机物。在春季的八英里湖研究地点，我的团队会定期钻入地下，取出 1.5 米深的土壤岩芯，就像我们在该项目开始十多年来在不同年份所做的那样。我们和其他人在苔原上的测量结果表明，表层一立方米的土壤包含约 50 公斤的有机碳——碳结合在那些部分腐烂但被冻结的生物体中（相对于构成岩石的无机碳，无论温度如何变化，它都不太可能改变）。这个量大约是同一区域内非多年冻土土壤中碳含量的五倍，大约是灌木和其他在北极勉强生存的植物中碳含量的 100 倍。
碳也可能存在于地下数十米深处。总体而言，研究人员估计，北半球多年冻土中储存着 14600 亿至 16000 亿吨有机碳，几乎是地球大气中碳含量的两倍。仅北方多年冻土区域表层三米的土壤就含有地球其他任何地方表层三米土壤中 50% 的碳，即使该区域仅占全球土壤面积的 15%。
科学家们还在测量我们从未测量过的地区（例如，北极海岸沿线非常浅的海底沉积的多年冻土）中的有机碳。随着海水渗入，这些多年冻土正在缓慢退化，我们尚不清楚那里可能有多少有机碳。碳在北极广阔的河流三角洲的厚厚沉积物中也很丰富，但我们只是没有测量过很多地点。在这一点上，我们能提出的最好的建议是，大约有 4000 亿吨额外的碳可能保存在这些不同的地方。
位于白色的室内，靠近白雪皑皑的阿拉斯加山脉的传感器测量土壤对二氧化碳的吸收和释放 (1)。北亚利桑那大学的研究员梅根·泰勒记录数据 (2)。图片来源：布莱恩·亚当斯
数量多少，速度多快？
考虑到多年冻土中蕴藏着大量的有机碳，融化可能会释放出大量的温室气体，这似乎是合理的。确定释放量的数字取决于三个关键问题。
首先，有多少碳可能转化为温室气体？微生物可以轻易地代谢和释放一些碳，但并非全部。因此，一部分碳将只是留在地下，因为它太难以接近或微生物无法食用。
其次，微生物活动释放气体的速度有多快？快速分解的碳可以在融化后不到一年的时间内变成空气传播，但更多的碳很可能在融化后数十年内逐渐释放出来，部分原因是它已经处于半分解状态，微生物只会进一步缓慢地降解它。
第三个关键问题是：微生物将释放哪些温室气体？二氧化碳和甲烷的混合物将决定最终的气候变暖潜力。例如，沼泽地等水涝、低氧土壤（称为厌氧环境）通常比二氧化碳产生更多的甲烷，而甲烷在一个世纪内的全球变暖潜能大约是二氧化碳的 33 倍（按重量计）。
我们利用红外气体分析仪跟踪八英里湖和周围苔原等研究地点的气体释放情况，这些分析仪测量空气中秒、天、季节和年的浓度。八英里湖的苔原似乎正在向大气中流失比吸收更多的碳。沿着栅栏用积雪温暖地面有助于植物更快更大地生长，从空气中吸收和储存更多的二氧化碳。但它也有助于微生物分解土壤中更多的碳。在夏季，额外的植物生长完全抵消了土壤中额外的碳释放，但植物休眠的漫长秋季和冬季持续的微生物活动将年度平衡转变为向大气净碳损失。
当我们把我们的结果与来自世界各地其他类型实验的结果结合起来时，我们得出结论，融化的多年冻土正在向大气中喷射过量的碳。研究人员通过多年冻土碳网络汇集数据。就像盲人摸象的寓言一样，北极各地的实地研究人员都拥有重要且独特的信息，这些信息联系在一起时，可以创建关于这种现象的真实大小和性质的知识。多年冻土碳网络还综合科学成果，为报告、机构简报和媒体采访提供信息，以便决策者和广大公众能够决定如何应对我们不断变化的地球。
仪器塔测量空气和土壤之间全年二氧化碳和甲烷的转移，表明生态系统每年是气体净增加还是净损失。图片来源：布莱恩·亚当斯
最近的一个综合项目帮助回答了关于二氧化碳和甲烷相对释放量的问题。在有氧条件下（干燥土壤），微生物主要释放二氧化碳。但在湿地和泥炭土壤的厌氧条件下，它们同时释放二氧化碳和甲烷。克里斯蒂娜·舍德尔是北亚利桑那大学的助理研究教授，与我的团队合作，也是多年冻土碳网络的主要成员，她一直在研究这种权衡最终将如何影响气候。
与我们的实地研究相反，舍德尔依赖于将冻土带到实验室并在玻璃室中加热的实验，以便可以精确测量转化为二氧化碳或甲烷的土壤碳的数量和速率。她使用统计技术汇集来自世界各地此类测试的数据，并发现，无论相同的土壤样本是在有氧条件还是厌氧条件下发现的，二氧化碳都是按重量计算的主要温室气体。令人惊讶的是，尽管甲烷具有额外的效力（甲烷仅从后者释放），但有氧分解释放温室气体对气候的影响是厌氧分解的两倍。
这意味着，相对排水良好、地势较高的土壤中多年冻土的融化最有可能对气候产生比地势较低、水涝土壤中相似数量的融化更大的影响。尽管甲烷仍然是等式中的关键部分，但整个北极景观中高地和低地环境的总体分布将显著决定多年冻土融化对气候的影响。
加速气候变化
通过综合来自实地站点和实验室测试的数据，并将这些信息与未来气候情景的计算机模拟相结合，多年冻土碳网络已经生成了关于多年冻土融化可能如何影响气候的总括性问题的答案。根据其成员的专家判断，本世纪可能会释放 5% 到 15% 的多年冻土碳库，其中大部分以二氧化碳的形式释放。
根据我们目前所知，碳库的中等范围（10%）意味着将有 1460 亿至 1600 亿吨额外的碳进入大气层。如果这些碳主要以二氧化碳的形式在一个世纪内以恒定的速度释放，那么这个量将类似于迄今为止全球因森林砍伐和其他土地利用变化而释放的碳量，但远低于化石燃料排放的碳量。多年冻土融化将使气候变化发生得比科学家仅根据人类活动排放量预测的还要快。而且，多年冻土碳排放很可能在本世纪之后继续存在。从融化的北极释放到大气中的每一吨额外碳都将给社会带来额外的成本。
在整个北极地区使用某种局部修复措施来减少多年冻土融化是不现实的选择。唯一真正的解决方案是限制化石燃料和森林砍伐的排放，以减缓全球变暖的总体速度。反过来，这将减少北极融化造成的排放，从而为所有纬度地区的社区提供更多时间来适应。
科学家们在 2016 年才首次生成了 5% 到 15% 的数字。我们仍然没有多年冻土区域的综合观测系统来进行更可靠的预测。更多的传感器将使我们能够更好地检测缓慢和快速的变化，这可能会导致人们更加或更加担忧。它们还将帮助我们发现可能出现的重要的意外情况。
诸如美国能源部的下一代生态系统实验 - 北极项目和美国宇航局的北极-北方森林脆弱性实验等计划正在帮助填补建模和扩大基于站点的测量（例如来自八英里湖的测量）到周围区域，并最终扩大到全球范围的重要空白。
一个有趣且关键的问题是，广泛的植物生长是否可以抵消多年冻土碳的释放。最新的模拟倾向于表明，更长的生长期、更高的温度、分解土壤释放的更多植物养分以及向生长更快的植物和树木的自然转变可能会抵消本世纪多年冻土的碳释放。但该评估与来自八英里湖和其他地方的测量结果相矛盾，这些结果表明全年净碳损失。
更好地模拟融化地面沉降的方式也将很有用；目前，模拟多年冻土碳和气候相互作用的大型模型中缺少这一点。随着多年冻土中的冰融化并排走，地面会下沉，这反过来又导致多年冻土更突然地融化。广泛的沉降会进一步提高排放预测吗？
当我和同事们在 2016 年春天回到八英里湖时，我们看到了这种效果。我们大约十年前建造的木板路，以及我们安装的气体通量监测器和其他设备，都因持续的沉降而变得扭曲和倾斜。地面起伏不平，坑坑洼洼。
图片来源：Mapping Specialists；来源：“气候变化与多年冻土碳反馈”，E.A.G. 舒尔等人，《自然》，第 520 卷；2015 年 4 月 9 日
2016 年春季八英里湖的融化也比以往任何时候都更深——在某些地方超过一米，这个量通常只在往年的夏季末才能看到。不寻常的读数与北极其他地方的类似极端情况相呼应：北冰洋冬季冰盖创纪录的早期退缩、北半球的早期融雪以及格陵兰岛冰盖的早期地表融化。多年冻土的碳排放正在发生。气体的释放不会像某些人担心的那样，是可能突然改变气候的快速爆发。但这确实将在许多年内广泛而持续地发生，严重加剧社会已经面临的减缓全球变暖的艰巨挑战。