這塊堅實的 20 公斤重的硬化冰雪不知何故從我戴著橡膠手套的手中滑落，掉回我正在深雪中挖掘的長溝裡，發出嘎吱一聲。我跪在溝渠邊緣，挺直腰桿喘口氣，並弓起痠痛的下背部，那裡用舉重腰帶保護著。在這個阿拉斯加內陸陽光明媚、寒冷的日子裡，我和五位科學家正在沿著位於苔原上一個緩坡上的六個擋雪柵欄中的第四個挖掘數噸積雪，然後用雪橇將其運走。我們的勞動是一項旨在使地面變暖的實驗的一部分，模擬未來氣候可能在這個偏遠地區（就在德納裡國家公園外）所做的事情。
現在是四月初，我的團隊花費了一週多的時間清除沿著我們在每年秋天在現場安裝的柵欄堆積的壓縮雪堆。每個柵欄大約有一米半高，八米長。額外的積雪像毯子一樣將地面與寒冷的冬季空氣隔絕，使多年凍土（通常全年保持冰凍狀態的土壤）表面比原本更溫暖。我們清除多餘的積雪，以便春季的影響與周圍的苔原區域同時滲透到我們的實驗樣地中，並確保沒有額外的融水滲入地下，從而改變土壤，使其與較大區域的土壤進行比較。
在冬季保持凍土溫暖會導致它在夏季更快、更廣泛地融化。這種反應正是預計隨著溫度在苔原和北極以南的北方生態系統中升高而發生的，而那裡的升溫速度是全球平均水平的兩倍。多年凍土包含岩石、凍土和冰，因此它在變暖時是融化而不是熔化。就像從冰箱裡取出的漢堡包一樣，它會變軟，但不會變成液體。隨著多年凍土融化，先前冷凍的微生物重新啟用並分解數百年至數千年間積累在凍土中的動植物殘骸，釋放出二氧化碳和甲烷。
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環繞地球北部的多年凍土區域在土壤中蘊藏著如此多的有機物質，以至於將其中的一小部分作為溫室氣體釋放到大氣中，就會顯著提高全球變暖的速度。我們在阿拉斯加進行的實驗是世界各地綜合研究的重要組成部分，旨在弄清楚這種影響在未來幾十年內可能有多大。我們現在開始瞭解足夠多的資訊來進行可靠的預測。
大量凍土可能融化
我們如何可能量化有多少多年凍土會融化，融化的速度有多快，以及碳釋放對全球變暖的影響有多大？量化需要評估地球上一個巨大的區域。多年凍土區域橫跨北半球 1670 萬平方公里，幾乎佔無冰陸地面積的四分之一。而且凍土可能深達數十至數百米。（南半球的大部分高緯度地區被海洋或陸地上的冰蓋覆蓋，因此那裡的多年凍土範圍有限。）
儘管衛星和遙感裝置可以準確記錄格陵蘭島等冰蓋的變化，但多年凍土區域沒有全面的遙感系統。多年來，科學家們監測安裝在某些多年凍土點的地面感測器，但我們只是沒有足夠多的全球資料點。然而，我們一直在穩步增加更多的感測器。“全球陸地多年凍土網路”現在跟蹤著 1000 多個鑽孔，這些鑽孔內襯有儀器，可以監測地表以下幾米以及更深處的土壤溫度。
該網路表明，多年凍土在過去幾十年中一直在穩步變暖，在 2014 年和 2015 年在許多地點創下新紀錄。最顯著的增長髮生在土壤溫度歷史上非常低的地區，從零下 10 攝氏度到零下 5 攝氏度。我們還觀察到多年凍土的溫度升高，這些多年凍土更接近冰點，從零下 2 攝氏度到 0 攝氏度，在這裡，一度的變化可能會產生重大影響。在一些多年凍土剛好低於冰點的地區，活動層（夏季融化，冬季重新凍結的地表土壤）正在變得更厚。當我們把世界各地的所有這些測量結果拼接在一起時，我們就對整個北極地區的土壤溫度變化有了很好的認識。
有多少多年凍土可能融化只是我們想要進行的計算的一部分。我們還需要知道軟化的土壤中含有多少有機物。在春季的八英里湖研究地點，我的團隊會定期鑽入地下，取出 1.5 米深的土壤巖芯，就像我們在該專案開始十多年來在不同年份所做的那樣。我們和其他人在苔原上的測量結果表明，表層一立方米的土壤包含約 50 公斤的有機碳——碳結合在那些部分腐爛但被凍結的生物體中（相對於構成岩石的無機碳，無論溫度如何變化，它都不太可能改變）。這個量大約是同一區域內非多年凍土土壤中碳含量的五倍，大約是灌木和其他在北極勉強生存的植物中碳含量的 100 倍。
碳也可能存在於地下數十米深處。總體而言，研究人員估計，北半球多年凍土中儲存著 14600 億至 16000 億噸有機碳，幾乎是地球大氣中碳含量的兩倍。僅北方多年凍土區域表層三米的土壤就含有地球其他任何地方表層三米土壤中 50% 的碳，即使該區域僅佔全球土壤面積的 15%。
科學家們還在測量我們從未測量過的地區（例如，北極海岸沿線非常淺的海底沉積的多年凍土）中的有機碳。隨著海水滲入，這些多年凍土正在緩慢退化，我們尚不清楚那裡可能有多少有機碳。碳在北極廣闊的河流三角洲的厚厚沉積物中也很豐富，但我們只是沒有測量過很多地點。在這一點上，我們能提出的最好的建議是，大約有 4000 億噸額外的碳可能儲存在這些不同的地方。
位於白色的室內，靠近白雪皚皚的阿拉斯加山脈的感測器測量土壤對二氧化碳的吸收和釋放 (1)。北亞利桑那大學的研究員梅根·泰勒記錄資料 (2)。圖片來源：布萊恩·亞當斯
數量多少，速度多快？
考慮到多年凍土中蘊藏著大量的有機碳，融化可能會釋放出大量的溫室氣體，這似乎是合理的。確定釋放量的數字取決於三個關鍵問題。
首先，有多少碳可能轉化為溫室氣體？微生物可以輕易地代謝和釋放一些碳，但並非全部。因此，一部分碳將只是留在地下，因為它太難以接近或微生物無法食用。
其次，微生物活動釋放氣體的速度有多快？快速分解的碳可以在融化後不到一年的時間內變成空氣傳播，但更多的碳很可能在融化後數十年內逐漸釋放出來，部分原因是它已經處於半分解狀態，微生物只會進一步緩慢地降解它。
第三個關鍵問題是：微生物將釋放哪些溫室氣體？二氧化碳和甲烷的混合物將決定最終的氣候變暖潛力。例如，沼澤地等水澇、低氧土壤（稱為厭氧環境）通常比二氧化碳產生更多的甲烷，而甲烷在一個世紀內的全球變暖潛能大約是二氧化碳的 33 倍（按重量計）。
我們利用紅外氣體分析儀跟蹤八英里湖和周圍苔原等研究地點的氣體釋放情況，這些分析儀測量空氣中秒、天、季節和年的濃度。八英里湖的苔原似乎正在向大氣中流失比吸收更多的碳。沿著柵欄用積雪溫暖地面有助於植物更快更大地生長，從空氣中吸收和儲存更多的二氧化碳。但它也有助於微生物分解土壤中更多的碳。在夏季，額外的植物生長完全抵消了土壤中額外的碳釋放，但植物休眠的漫長秋季和冬季持續的微生物活動將年度平衡轉變為向大氣淨碳損失。
當我們把我們的結果與來自世界各地其他型別實驗的結果結合起來時，我們得出結論，融化的多年凍土正在向大氣中噴射過量的碳。研究人員透過多年凍土碳網路彙集資料。就像盲人摸象的寓言一樣，北極各地的實地研究人員都擁有重要且獨特的資訊，這些資訊聯絡在一起時，可以建立關於這種現象的真實大小和性質的知識。多年凍土碳網路還綜合科學成果，為報告、機構簡報和媒體採訪提供資訊，以便決策者和廣大公眾能夠決定如何應對我們不斷變化的地球。
儀器塔測量空氣和土壤之間全年二氧化碳和甲烷的轉移，表明生態系統每年是氣體淨增加還是淨損失。圖片來源：布萊恩·亞當斯
最近的一個綜合專案幫助回答了關於二氧化碳和甲烷相對釋放量的問題。在有氧條件下（乾燥土壤），微生物主要釋放二氧化碳。但在溼地和泥炭土壤的厭氧條件下，它們同時釋放二氧化碳和甲烷。克里斯蒂娜·舍德爾是北亞利桑那大學的助理研究教授，與我的團隊合作，也是多年凍土碳網路的主要成員，她一直在研究這種權衡最終將如何影響氣候。
與我們的實地研究相反，舍德爾依賴於將凍土帶到實驗室並在玻璃室中加熱的實驗，以便可以精確測量轉化為二氧化碳或甲烷的土壤碳的數量和速率。她使用統計技術彙集來自世界各地此類測試的資料，並發現，無論相同的土壤樣本是在有氧條件還是厭氧條件下發現的，二氧化碳都是按重量計算的主要溫室氣體。令人驚訝的是，儘管甲烷具有額外的效力（甲烷僅從後者釋放），但有氧分解釋放溫室氣體對氣候的影響是厭氧分解的兩倍。
這意味著，相對排水良好、地勢較高的土壤中多年凍土的融化最有可能對氣候產生比地勢較低、水澇土壤中相似數量的融化更大的影響。儘管甲烷仍然是等式中的關鍵部分，但整個北極景觀中高地和低地環境的總體分佈將顯著決定多年凍土融化對氣候的影響。
加速氣候變化
透過綜合來自實地站點和實驗室測試的資料，並將這些資訊與未來氣候情景的計算機模擬相結合，多年凍土碳網路已經生成了關於多年凍土融化可能如何影響氣候的總括性問題的答案。根據其成員的專家判斷，本世紀可能會釋放 5% 到 15% 的多年凍土碳庫，其中大部分以二氧化碳的形式釋放。
根據我們目前所知，碳庫的中等範圍（10%）意味著將有 1460 億至 1600 億噸額外的碳進入大氣層。如果這些碳主要以二氧化碳的形式在一個世紀內以恆定的速度釋放，那麼這個量將類似於迄今為止全球因森林砍伐和其他土地利用變化而釋放的碳量，但遠低於化石燃料排放的碳量。多年凍土融化將使氣候變化發生得比科學家僅根據人類活動排放量預測的還要快。而且，多年凍土碳排放很可能在本世紀之後繼續存在。從融化的北極釋放到大氣中的每一噸額外碳都將給社會帶來額外的成本。
在整個北極地區使用某種區域性修復措施來減少多年凍土融化是不現實的選擇。唯一真正的解決方案是限制化石燃料和森林砍伐的排放，以減緩全球變暖的總體速度。反過來，這將減少北極融化造成的排放，從而為所有緯度地區的社群提供更多時間來適應。
科學家們在 2016 年才首次生成了 5% 到 15% 的數字。我們仍然沒有多年凍土區域的綜合觀測系統來進行更可靠的預測。更多的感測器將使我們能夠更好地檢測緩慢和快速的變化，這可能會導致人們更加或更加擔憂。它們還將幫助我們發現可能出現的重要的意外情況。
諸如美國能源部的下一代生態系統實驗 - 北極專案和美國宇航局的北極-北方森林脆弱性實驗等計劃正在幫助填補建模和擴大基於站點的測量（例如來自八英里湖的測量）到周圍區域，並最終擴大到全球範圍的重要空白。
一個有趣且關鍵的問題是，廣泛的植物生長是否可以抵消多年凍土碳的釋放。最新的模擬傾向於表明，更長的生長期、更高的溫度、分解土壤釋放的更多植物養分以及向生長更快的植物和樹木的自然轉變可能會抵消本世紀多年凍土的碳釋放。但該評估與來自八英里湖和其他地方的測量結果相矛盾，這些結果表明全年淨碳損失。
更好地模擬融化地面沉降的方式也將很有用；目前，模擬多年凍土碳和氣候相互作用的大型模型中缺少這一點。隨著多年凍土中的冰融化並排走，地面會下沉，這反過來又導致多年凍土更突然地融化。廣泛的沉降會進一步提高排放預測嗎？
當我和同事們在 2016 年春天回到八英里湖時，我們看到了這種效果。我們大約十年前建造的木板路，以及我們安裝的氣體通量監測器和其他裝置，都因持續的沉降而變得扭曲和傾斜。地面起伏不平，坑坑窪窪。
圖片來源：Mapping Specialists；來源：“氣候變化與多年凍土碳反饋”，E.A.G. 舒爾等人，《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時候都更深——在某些地方超過一米，這個量通常只在往年的夏季末才能看到。不尋常的讀數與北極其他地方的類似極端情況相呼應：北冰洋冬季冰蓋創紀錄的早期退縮、北半球的早期融雪以及格陵蘭島冰蓋的早期地表融化。多年凍土的碳排放正在發生。氣體的釋放不會像某些人擔心的那樣，是可能突然改變氣候的快速爆發。但這確實將在許多年內廣泛而持續地發生，嚴重加劇社會已經面臨的減緩全球變暖的艱鉅挑戰。