《Frontiers in Climate》：Significant soil warming across Alaska permafrost and non-permafrost regions from 1997 to 2023
编辑推荐：
摘要
引言：阿拉斯加的气温正以美国本土两倍的速度升高。已有研究表明，各类景观下的土壤温度均在上升，但土壤温度所受到的关注总体较少。目前阿拉斯加尚缺乏在大尺度上对土壤温度趋势开展的综合研究。方法：本文综合了阿拉斯加43个气象站1997—2023年共27年的土壤
摘要
引言：阿拉斯加的气温正以美国本土两倍的速度升高。已有研究表明，各类景观下的土壤温度均在上升，但土壤温度所受到的关注总体较少。目前阿拉斯加尚缺乏在大尺度上对土壤温度趋势开展的综合研究。方法：本文综合了阿拉斯加43个气象站1997—2023年共27年的土壤和气温数据。根据多年冻土分布范围（连续、不连续和无多年冻土），将站点划分为三个区域。在三个多年冻土区域均计算了5、20和50厘米深度处的土壤温度趋势，此外仅在连续多年冻土区域计算了70、95和120厘米深度处的趋势。结果：所有区域的年平均土壤温度均显著升高，其中最高纬度地区的增温速率最快。在连续、不连续和无多年冻土区域，整个土壤剖面的平均增温速率分别为0.64、0.37和0.35°C·dec?1。增温并未随土壤深度增加而减缓。在连续多年冻土区域，气温增温速率（1.15°C·dec?1）显著快于土壤（p < 0.05），但在不连续和无多年冻土区域，气温与土壤增温速率无显著差异（p > 0.1）。季节上，连续和不连续多年冻土区域的土壤在冬季增温最快，而无多年冻土区域的土壤在夏季增温最快。讨论：气温与土壤温度之间的关系受到冬季积雪的显著影响。各多年冻土区域中积雪的存在削弱了气温与土壤温度之间的相关性，尤其是在积雪较深的区域（不连续和无多年冻土区域）。
**论文解读：阿拉斯加多年冻土与非多年冻土区土壤增温的长期观测研究**
**1. 研究背景与科学问题**
北极地区的气候变化速率显著高于全球平均水平，这一现象被称为“极地放大效应”（polar amplification）。已有大量研究聚焦于北极气温和降水的变化趋势，然而土壤温度作为连接大气与地下的关键变量，其对生态系统和水文过程的影响更为直接，包括多年冻土融化、热喀斯特地貌形成、土壤有机质分解以及植被根系生长等。尽管气温与土壤温度存在耦合关系，但二者并非等同——冬季持续积雪的存在会对土壤起到隔热缓冲作用，使土壤温度变化滞后于气温。此前，北极地区缺乏长期、大范围的土壤温度监测数据，导致难以系统评估该区域土壤温度的演变趋势。阿拉斯加作为北极地区的重要组成部分，其土壤温度监测网络虽在20世纪90年代末逐步建立，但至今缺乏全州尺度的综合分析与趋势评估。因此，本研究旨在填补这一空白，通过整合全阿拉斯加的多站点长期观测数据，系统分析不同多年冻土区域（连续、不连续和无多年冻土）中土壤温度、气温及积雪深度的变化趋势及其相互关系，为预测多年冻土退化及其对基础设施的影响提供科学依据。
**2. 研究数据与方法**
研究人员整合了来自美国农业部自然资源保护局（USDA NRCS）、美国地质调查局（USGS）、国家公园管理局（NPS）、国家海洋和大气管理局（NOAA）以及阿拉斯加大学费尔班克斯分校（UAF）等机构的43个气象站点的土壤和气温数据（1997—2023年），其中21个站点位于连续多年冻土区，13个位于不连续多年冻土区，9个位于无多年冻土区。此外，还收集了36个站点的积雪深度数据。数据经过严格的质量控制，剔除异常值后，计算月均、年均温度及最小、最大温度。趋势分析采用非参数的Mann-Kendall检验和Sen斜率估计，并考虑自相关修正（Zhang方法）和空间自相关检验（Moran's I）。研究将土壤深度分为5、20、50、70、95和120厘米六个层次，其中深层（70厘米以下）仅存在于连续多年冻土区的站点。同时，研究人员还分析了积雪深度、积雪覆盖天数（SCD）、积雪开始和消融日期的时间趋势。
**3. 主要研究结果**
**3.1 区域温度和积雪概况**
在连续多年冻土区，年平均气温和土壤温度均低于冰点，土壤剖面温度梯度较小，年温度变幅（TRANGE）从空气的55°C减小至120厘米深度处的12°C。该区域虽然平均积雪深度最浅（11月至3月平均25.11厘米），但积雪覆盖天数最长（平均251.18天），积雪开始日期最早（中位数为9月29日），消融日期最晚（中位数为5月30日）。不连续多年冻土区年平均气温略低于冰点而土壤温度略高于冰点，积雪深度中等（42.84厘米），积雪覆盖天数约205天。无多年冻土区气温接近冰点，土壤温度高于冰点，年温度变幅最小，积雪深度最大（62.37厘米），但积雪覆盖天数与不连续区域相近（约201天），积雪开始日期最晚（中位数10月26日）。
**3.2 土壤温度年际趋势**
在整个阿拉斯加，土壤温度均呈显著增温趋势，且增温速率随纬度升高而增大。在连续多年冻土区，整个土壤剖面（5—120厘米）的平均增温速率为0.64°C·dec
?1（Wilcoxon检验，p < 0.05），且各深度间无显著差异（Kruskal-Wallis，p > 0.05）。随着深度增加，显著增温的站点比例从5厘米处的70%升至120厘米处的92%~100%。土壤最低温（TMIN）和最高温（TMAX）的增温速率分别为0.70和0.43°C·dec
?1。在不连续多年冻土区，土壤平均增温速率为0.37°C·dec
?1，各深度均显著，但5厘米处TMAX未显著增温。无多年冻土区土壤增温速率为0.35°C·dec
?1，各深度间无显著差异，且TMIN、TMAX与TAVG增温速率一致。
**3.3 季节性增温趋势**
在连续多年冻土区，冬季（DJF）和春季（MAM）土壤增温最快，平均速率分别为2.14和2.32°C·dec
?1，所有深度均显著；夏季（JJA）浅层（5—20厘米）增温不显著，但深层（50—120厘米）显著增温（0.44°C·dec
?1）；秋季（SON）增温速率较低（0.47°C·dec
?1）。不连续多年冻土区呈现类似模式，冬季增温最快（1.07°C·dec
?1），春季仅深层显著，夏季不显著，秋季显著但速率较低（0.47°C·dec
?1）。相反，无多年冻土区夏季增温最快（1.04°C·dec
?1），冬季、春季和秋季增温速率显著但较低（分别0.22、0.25和0.36°C·dec
?1）。
**3.4 气温趋势**
连续多年冻土区气温增温速率显著高于土壤，TAVG、TMIN和TMAX分别以1.15、1.18和1.06°C·dec
?1的速率增温，但仅53%的站点达到显著水平。不连续多年冻土区气温TAVG和TMIN显著增温（0.45和0.71°C·dec
?1），TMAX不显著，且与土壤增温速率无显著差异。无多年冻土区气温TAVG和TMIN显著增温（0.60和0.45°C·dec
?1），TMAX不显著，但所有站点均未达到个体显著水平。季节性上，连续多年冻土区春季气温增温最快（2.55°C·dec
?1），不连续区域秋季最快（1.00°C·dec
?1），无多年冻土区夏季最快（0.75°C·dec
?1）。
**3.5 积雪深度与时间趋势**
连续多年冻土区仅12月积雪深度显著增加（4.47厘米·dec
?1），积雪时间指标无显著变化。不连续多年冻土区从12月至5月积雪深度显著增加，其中2—4月增幅最大（16.88厘米·dec
?1），且积雪覆盖天数显著增加（14.51天·dec
?1），积雪消融日期推迟（8.23天·dec
?1）。无多年冻土区仅3月积雪深度显著增加（7.07厘米·dec
?1），时间指标无显著变化。
**3.6 空气-土壤温度耦合关系**
回归分析显示，全年日空气和土壤温度在连续多年冻土区相关性最强（R=0.86），不连续和无多年冻土区较低（R=0.79和0.75）。当积雪存在时，各区域相关性均下降，其中连续多年冻土区从无雪时的0.87降至0.74，不连续区域从0.76降至0.42，无多年冻土区从0.70降至0.34。积雪越深，隔热效应越强，导致空气与土壤温度解耦越明显。
**4. 讨论与结论**
研究表明，阿拉斯加土壤温度在整个剖面（5—120厘米）上均显著增温，且增温速率随纬度升高而增大，体现了极地放大效应在土壤热量状态中的体现。积雪在冬季对土壤具有双重作用：一方面隔绝了极端低温，使土壤冬季温度高于空气，另一方面也缓冲了空气增温对土壤的传导，导致土壤增温速率低于气温（尤其在连续多年冻土区）。积雪深度是控制土壤隔热程度的关键因素，较深的积雪（如不连续和无多年冻土区）导致空气与土壤温度相关性显著减弱。此外，夏季土壤增温受降水和土壤湿度影响，高纬度地区夏季降水增加可能抑制土壤增温，而无多年冻土区缺乏降水增加，加上长日照，促进了夏季快速增温。研究结果与其他高纬度观测和模拟研究基本一致，土壤增温速率处于文献报告的上限范围。本研究提供了阿拉斯加全州土壤和气温变化趋势的全面基准，对预测多年冻土退化、评估基础设施风险具有重要参考价值。研究人员指出，随着未来气温继续升高和降水格局变化，积雪深度的改变将显著影响冬季土壤温度，进而影响多年冻土的稳定性。
