北半球冻土区热融滑塌体积量化与动态特征：气候驱动下的碳释放新认知

本研究针对北极快速变暖背景下热融滑塌(RTS)对冻土碳循环的影响难题，通过整合ArcticDEM高分辨率数字高程模型与深度学习技术，首次实现了北半球≥60°N区域2747个中大型RTS活动区(≥10,000 m2)的十年尺度(2012-2022)体积损失精确量化。研究发现RTS年均释放1.95×10-3 Pg碳，相当于渐进式冻土融化碳排放的0.2%，并揭示温度驱动型RTS在高纬度(>71°N)占比达88%的纬度分异规律，为冻土区碳循环模型提供了关键参数约束。

　　

随着北极地区以全球2-4倍的速率快速变暖，埋藏在永久冻土层中的"气候炸弹"——约占全球土壤碳储量34%的有机碳库正面临解冻风险。在这片占北半球陆地面积15%的冰冻王国里，一种被称为热融滑塌(Retrogressive Thaw Slumping, RTS)的冻土退化现象正在上演令人震撼的地质剧变：富含冰层的陡峭解冻面以每年数米的速度向上坡后退，吞噬着北极苔原，释放出封存万年的有机碳。然而，这些"冻土伤口"究竟在以多快的速度扩张？会释放多少温室气体？这些问题长期困扰着科学界，因为传统遥感方法难以捕捉RTS三维动态，而模型预测的碳释放量存在数量级差异。

来自美国俄亥俄州立大学(Ohio State University)的Chunli Dai团队联合国际研究小组，在《Nature Communications》发表突破性研究。研究人员创新性地将ArcticDEM的44万条高分辨率(2米)高程数据流与Mask R-CNN深度学习算法结合，首次绘制出北半球冻土区RTS活动的"体温图"。通过分析2012-2022年间地表高程的"彩虹纹"时序变化模式——这种独特的时间递进特征如同地质年轮般记录着RTS的扩张轨迹，团队成功量化了2747个活跃RTS的体积损失与碳释放动态。

关键技术方法包括：(1)采用立体摄影测量处理440,949条ArcticDEM条带数据；(2)开发基于Heaviside阶跃函数的自动变化检测算法；(3)构建包含DEM曲率和时序变化图的三通道Mask R-CNN模型；(4)整合北半球土壤碳数据库(NCSCD)进行碳储量估算；(5)利用ERA5再分析数据建立气候响应模型。

RTS分布与面积估算
研究揭示北半球RTS呈现显著集群分布，77%位于高含冰量区(10-20%含冰量)，在加拿大班克斯岛、马更些三角洲等地区形成"热点"。值得注意的是，深度学习模型成功识别出雅库特地区特殊的"热台阶"(thermoterraces)地貌，这类非典型RTS连专家都难以辨识。

体积估算与生长动力学
十年间RTS共造成(317.0±0.3)×10⁶ m³的体积损失，中位高程变化达-3米。面积-体积异速生长分析揭示δ=1.30±0.01的普适规律，表明RTS体积增长快于面积扩张。位于加拿大Willow River流域的"巨无霸"RTS以3,584,000±54,000 m³的损失量夺冠，其最大高程变化达-33±1米。

RTS活动对气候变化的响应
研究首次量化了RTS活动的纬度分异：在>71°N区域，温度驱动型RTS占比从40%骤增至88%，而降水驱动型则从60%线性降至13%。乌尔山脉和布鲁克斯山脉的RTS呈现加速趋势(>0.27×10⁶ m³/年²)，而北极低地区域则减速(-0.5×10⁶ m³/年²)。

土壤有机碳释放
96%的RTS位于NCSCD覆盖区，年均释放1.95×10^-3 Pg碳，仅为渐进式冻土融化排放的0.2%。通过小RTS(面积<10,000 m²)种群模型估算，其贡献仅使总量增加5-17%，验证了大中型RTS在碳释放中的主导地位。

这项研究改写了我们对冻土碳释放的认知：虽然RTS的绝对碳释放量低于早期模型预测，但其呈现的温度敏感性纬度梯度为预测冻土碳反馈提供了新维度。研究建立的面积-体积异速生长关系(δ=1.30±0.01)可直接用于改进地球系统模型，而深度学习驱动的RTS自动识别框架为全球冻土监测树立了新标准。特别值得注意的是，RTS释放的有机碳可能通过矿物结合作用在沉积物中重新固定，这一发现为理解冻土碳"源-汇"转换机制开辟了新思路。随着北极持续变暖，这项研究强调必须将RTS的三维动态与水生系统碳循环耦合研究，才能全面评估冻土解冻对全球气候的级联效应。