多年冻土退化驱动的工程碳排放量化与冷却路基低碳优化策略——以青藏公路为例

《Advances in Climate Change Research》：Engineering carbon emissions induced by permafrost degradation and mitigation strategy: Insights from the Qinghai–Tibet Highway

　　

多年冻土退化及其碳反馈是全球碳循环中的重要议题。然而，由多年冻土退化所引发的基础设施工程碳排放仍是一个关键但约束不足的变量。本研究采用水-热-汽（hydro-thermo-vapor）耦合模型模拟了青藏公路（Qinghai–Tibet Highway, QTH）沿线多年冻土的退化速率。基于寿命替换模型（lifespan replacement model）和排放因子法（emission factor method），研究人员量化了多年冻土退化所致的工程碳排放，评估了不同冷却路基（cooling embankment）的减缓效果，并提出了低碳策略。结果表明，1985年至2035年间，青藏公路下方多年冻土上限（permafrost table）显著下降，平均速率达30.1 cm/年。受多年冻土退化影响，该时期工程碳排放总量达5.16 Mt。以低排放为目标，研究人员对各路段冷却措施进行了优化，优化策略可使碳排放降低59.3%。工程碳排放占青藏公路沿线退化多年冻土分解释放的土壤有机碳（SOC）的27.3%，占热喀斯特湖泊（thermokarst lakes）碳排放的82.2%，其规模相当可观。本研究强调了将工程碳排放纳入区域碳收支的必要性，有助于加深对多年冻土碳反馈的认识，并为气候变暖背景下多年冻土区基础设施的低碳适应提供指导。

**多年冻土退化所致工程碳排放量化与减缓策略——基于青藏公路的论文解读**

**一、研究背景与意义**

全球多年冻土分布广泛，北半球多年冻土总面积约(15.1 ± 2.8) × 10⁶ km²，其碳储量约为1330–1580 Pg，接近大气碳库容量的两倍，在全球碳循环中具有举足轻重的地位。当前，在全球碳收支及不同尺度生态系统碳汇评估中，多年冻土退化的碳反馈已被广泛认可并纳入评估框架。过去二十年间，全球多年冻土退化速率约为0.66%/年，而青藏高原（Tibetan Plateau, TP）作为地球"第三极"，是中低纬度多年冻土的核心分布区，对气候变暖更为敏感，退化速率高达0.77%/年，吸引了越来越多的关注。

青藏公路（Qinghai–Tibet Highway, QTH）是西藏自治区经济社会发展的关键动脉，承担着90%的进出藏货运量。然而，沥青路面的强吸热效应叠加气候变暖，导致路基下多年冻土持续退化，引发波浪起伏、开裂等路基路面病害，超过三分之二的路面遭受不同程度损坏。过去五十年间，青藏公路经历了四次大规模改造和大量维修，大多数沥青路面的实际服役寿命仅为四年，远低于设计使用寿命。为应对这一工程难题，研究人员提出了块石结构、通风管、热棒（thermosyphons）及复合措施等多种冷却技术。然而，维持交通性能所需的维修活动消耗大量能源和材料，产生可观的工程碳排放；冷却措施在制造、运输和施工过程中也会产生额外碳排放。目前，多年冻土退化相关的自然碳排放（如退化冻土有机碳分解释放和热喀斯特地貌温室气体排放）已被广泛报道，但多年冻土退化引发的工程碳足迹几乎未被研究，各类冷却措施的碳减排效率亦不明确。因此，评估多年冻土退化引起的公路养护工程碳排放并提出低碳策略具有重要的科学和现实意义。

**二、研究概述**

本研究以青藏公路西大滩至安多段多年冻土路段为研究对象，建立了融合多年冻土路基水-热-汽耦合模型、寿命替换模型和排放因子法的综合评估框架，量化了多年冻土退化引发的公路养护额外工程碳排放，评价了不同冷却路基的减缓效果，并提出了低碳优化策略。研究揭示了工程碳排放在区域多年冻土碳反馈中的重要性，为气候变暖背景下多年冻土区基础设施的低碳适应提供了科学依据。

**三、关键技术与方法**

研究人员以西大滩至安多段约540 km多年冻土路段（平均海拔4740 m，多年冻土覆盖率约80%）为研究对象，采用水-热-汽耦合模型模拟多年冻土上限变化，该模型包含能量守恒方程和水分平衡方程，综合考虑热传导、水汽运移热对流及土体水分相变潜热；基于现场调查数据建立多年冻土上限下降速率与实际服役寿命的统计关系，利用寿命替换模型确定维修频率；采用排放因子法核算原材料生产、运输和施工各环节的碳排放。模型经历史监测数据验证，涵盖未保护路基（unprotected embankment, UE）及保温路基（IE）、块石夹层路基（CRE）、通风路基（VE）、热棒路基（TE）、块石夹层-通风路基（CRVE）、热棒-保温路基（TIE）和热棒-保温-块石护坡路基（TICE）共八种方案。

**四、研究结果**

**（一）路基下多年冻土上限变化**

研究表明，青藏公路西大滩至安多段路基下多年冻土上限呈现海拔依赖性，随海拔升高而变浅，随海拔降低而加深。1985年完成全线沥青铺设后的50年间，多年冻土上限平均下降速率为30.1 cm/年，近半路段下降速率超过35.0 cm/年。以未保护路基为基准，单一冷却措施中热棒路基的相对下降速率最低（15%），其次为块石夹层路基（30%）、通风路基（47%）和保温路基（70%）。复合冷却措施效果更优，CRVE、TIE和TICE的相对下降速率均低于6%，其中TICE可将多年冻土上限最大下降速率控制在1.0 cm/年以下。这表明复合冷却措施在遏制多年冻土退化方面具有显著效果。

**（二）维修频率及相应碳排放**

基于多年冻土上限下降速率，研究人员计算了1985–2035年间不同冷却措施下的维修频率。未保护路基条件下，除少数高海拔路段外，沥青路面和路基维修频率分别超过8次和4次。保温路基对路面维修频率有一定降低，但对路基维修频率改善有限；块石夹层路基和通风路基使高频维修路段明显减少；热棒路基将路面和路基维修频率分别降至5次和2次以下；三种复合冷却措施使维修频率基本恢复至不受多年冻土退化影响的水平。碳排放计算显示，保温路基因聚氨酯保温板等材料的高排放因子，其路基维修碳排放反而最高；热棒路基在降低路基维修频率方面表现优异，碳排放最低。若全线采用未保护路基，公路维修碳排放达5.16 Mt，较不受退化影响情景的2.14 Mt增加了141.1%。冷却措施中，热棒路基、CRVE和TIE的减排率最高，达48%–49%。通过优化选型，推荐方案总碳排放为2.10 Mt，相较于全线采用未保护路基的情景，减排效率达59.3%。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，多年冻土退化引起的工程碳排放规模可观。对比分析表明，青藏公路多年冻土路段养护碳排放（103.20 kt/年）占青藏工程走廊（Qinghai–Tibet Engineering Corridor, QTEC）内退化多年冻土分解释放SOC（433.21 ± 107.30 kt/年）的27.3%，占热喀斯特湖泊碳排放（125.63 kt/年）的82.2%。因此，在基础设施密集区域，工程碳排放已成为区域多年冻土碳反馈不可忽视的组成部分。研究建议将公路、铁路、管道、建筑和机场跑道等各类设施因多年冻土退化产生的工程碳排放纳入多年冻土碳反馈核算。此外，研究在路面病害表征机制、次生地质灾害评估以及框架向其他基础设施类型推广等方面存在局限性，未来需建立融合多种失稳过程、基础设施类别和影响因子的综合评估框架。

研究结论如下：（1）在气候变暖和工程扰动的共同作用下，1985–2035年间青藏公路路基下多年冻土上限呈现显著且具海拔依赖性的退化特征，单一冷却措施不足以遏制该趋势，而复合冷却措施可将退化速率有效控制在可管理水平。（2）受多年冻土退化影响，沥青路面和路基的维修频率分别增至约4倍和2倍，公路养护碳排放达5.16 Mt。冷却措施的应用呈现差异化但总体正向的减缓效果，合理应用冷却措施可使养护相关碳排放降低59.3%。（3）青藏公路多年冻土路段养护碳排放分别占QTEC内退化多年冻土SOC分解量的27.3%和热喀斯特湖泊碳排放的82.2%，多年冻土退化驱动的工程碳排放规模显著，在基础设施集中区域尤为突出，应明确纳入区域碳收支和环境影响评估。