本文刊載於《中國科學院院刊》2024年第3期"中國科學院野外台站"
王世金1,2,3康世昌1,2陳拓1,2何元慶1,2楊梅學1,2李全蓮1,2牛賀文1,2蒲燾1,2張昺林1,2,3車彥軍2,3郭萬欽1,2,3燕興國1,2,3馬興剛1,2,3王榮軍1,2,3
1中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學與凍土工程重點實驗室
2國中科院玉龍雪山冰凍圈與永續發展野外科學觀測研究站
經過20年的發展，中國科學院玉龍雪山冰凍圈與永續發展野外科學觀測研究站已建成集觀測、研究、示範與服務於一體的海洋性冰川與環境野外綜合觀測體系與數據在線可視化平台。該平台以海洋性冰川與環境長期定位監測為基礎，圍繞海洋性冰川區可持續發展關鍵科學問題，深入分析了海洋性冰川變化的過程機理，揭示了海洋性冰川變化的水文、微生物、氣候效應，評估了海洋性冰川旅遊服務成效與冰湖潰決災害綜合風險，研究成果為區域永續發展提供了科技支撐。
全球海洋性冰川（溫冰川） ，受海洋氣候影響顯著，對全球暖化反應敏感。玉龍雪山冰河位於青藏高原東南緣，因夏、秋季受南亞季風及東亞季風雙重影響，其屬性亦為海洋性冰河。中國海洋性冰川進入性相對便捷，且距離四川、重慶等旅遊客源市場較近，是冰川旅遊開發較早區域，經濟效益顯著。然而，與大陸性冰川（冷冰川）相比，海洋性冰川受季風影響，冰溫高、流速快，其冰川消退速率、屬性變化更快、更強，其失穩風險及潛在影響更大。較小的溫升和降水波動會導致強烈的冰川變化，其研究對於揭示全球變化具有指示作用。為促使該區域永續發展，對其冰凍圈與環境進行定位監測有強烈的現實需求。
中國科學院玉龍雪山冰凍圈與永續發展野外科學觀測研究站（以下簡稱「玉龍雪山站」）位於雲南省麗江市玉龍縣白沙鎮，成立於2006年，是中國第一個以海洋性冰川與環境為監測、研究對象的野外站。玉龍雪山位於青藏高原東南緣，是歐亞大陸距赤道最近、規模最大的現代冰川分佈區，長期定位監測對於揭示低緯高海拔冰川變化的過程機理意義重大。經過多年發展，玉龍雪山站在野外觀測平台建設、海洋性冰川變化過程與機理、海洋性冰川變化的環境效應與影響、冰川旅遊服務、冰湖潰決災害等協同研究方面進展顯著，研究成果在國內外產生了重要影響，大大推動了冰凍圈與永續發展協同研究進程，為統籌區域水資源優化配置、冰雪旅遊資源開發與冰凍圈防災減災提供了理論基礎與決策支持。
1建成了中國海洋性冰河與環境綜合觀測網路體系
自建站以來，在冰凍圈科學目標和國家重大社會需求牽引下，玉龍雪山站堅持「觀測、研究、示範、服務」方針，逐步建成了「一站四區」 （玉龍雪山站，梅里雪山、崗日嘎布、貢嘎雪山和達古雪山研究區）太空觀測網路體系，並強化了整個海洋性冰河區冰凍圈與永續發展的協同觀測與研究能力。其中，玉龍雪山觀測體系包括海拔2049—4850 m的5個梯度式氣象監測系統，1處冰川變化定位觀測場，1套冰川即時監測系統，1套冰雪化學特徵觀測系統，2處冰川水文觀測場，3處大氣環境監測系統。其他4個研究區均佈設有氣象站、水文站，並對其冰川、氣象與水文進行定位監測。崗日嘎布研究區重點揭示冰川與冰湖相互作用機制，梅里雪山研究區重在明晰冰雪徑流對地下水的補給作用，貢嘎雪山研究區旨在揭示表磧覆蓋對冰川物質虧損的抑製作用，達古雪山冰川區重點關注冰雪消融過程對永續旅遊的綜合影響。在此觀測基礎上，玉龍雪山站研發了冰凍圈與永續發展資料視覺化平台，實現了「一站四區」氣象、冰川與水文觀測資料的即時線上傳輸功能。
玉龍雪山站著重觀測方法與資料資料的品質控制過程，加強與國家科技資源共享服務平台間的有機銜接，有序開展野外觀測資料的匯交與共享，有效推動了科學設施、科學數據等科技資源的開放程度。
圖1 玉龍雪山站「一站四區」空間觀測網路體系
2進行了白水河1號定位監測冰川與全球參考冰川物質平衡監測與對照研究
基於長期定位監測，建立了亞歐大陸距赤道最近、時間序列最長的海洋性冰川物質平衡資料集，協同對比了全球參考冰川物質平衡，為區域水資源利用規劃起到了重要作用。
自2008年，在玉龍雪山白水河1號冰川上佈設物質平衡花桿，進行物質平衡的連續監測工作。利用等高線法、消融曲線法和大地測量法，分別計算2000—2010年間玉龍雪山白水河1號冰川多年平均物質平衡（–0.99、–1.01和–1.18 m we） ，結果基本一致。 1952—2017年間，白水河1號冰川物質平衡波動變化明顯，其物質平衡介於–1.94—2.26 m we，冰川累計物質平衡為–27.45 m we，顯示過去幾十年冰川物質虧損嚴重（圖2 ） 。在此基礎上，揭示了海洋性冰川快速變化機制：冰川區固態降水減弱、冰體消融增加；冰川表磧覆蓋率增加，降低了冰雪反照率；冰面破碎化增加了冰川消融面積；冰體溫度快速升高；消融期粒雪盆液態降水增加。自1960年代以來，中國海洋性冰川區崗日嘎布、達古雪山、玉龍雪山、梅里雪山冰川面積縮減率均超過了38%，遠高於全國18%的平均水平。 1959—2015年間，海洋性冰河物質平衡變化劇烈，年物質平衡在–1.80—0.44 m we區間波動，年平均物質平衡遞減率為–0.037 m we/a。其中，白水河1號冰河、烏魯木齊河源1號冰河和全球參照冰河均有類似的冰河物質虧損趨勢。在過去近60年間，平均物質虧損速率分別為0.03 、0.02 和0.01 m we/a。白水河1號冰川消融趨勢明顯快於烏魯木齊河源1號冰川，同時也快於全球參考冰川物質虧損速率。 2022年，白水河1號冰河仍處於物質嚴重虧損狀態，物質平衡達–1.65 m we。
圖2 白水河1號冰川與全球參考冰川物質平衡對比
3 揭示了海洋性冰川變化的水文、細菌微生物及其氣候環境效應
1
冰雪融水對地表徑流及其地下水的補給作用
選取梅里雪山明永河流域、玉龍雪山白水河流域及漾弓江流域，結合氣象、水文、同位素等數據，建立同位素徑流分割模型，量化分析了不同流域冰雪融水對地表徑流的貢獻。結果表明，消融期（6—9月）冰雪融水佔明永河徑流的58.4%，非消融期地下水所佔比例最高且相對穩定（60.0%） 。季風前雪融水對白水河流域地表逕流的貢獻為38.3%，季風期冰河融水對地表逕流的貢獻為61.1%。季風前雪融水對漾弓溪水的貢獻率為47.9%，季風期冰河融水佔漾弓江地表徑流量的6.8%。採用質量平衡方程式將明永河地下水分為冰川融水和雨水，發現降水和冰川融水對明永河流域地下水補給貢獻分別為54%±22%和46%±22%，發現了非季風降水主導季風海洋性冰川區地下水補給的新現象。
2
冰川及其退縮跡地細菌群落結構差異及其影響因素
冰川的低溫、寡營養、強輻射等特徵使其成為了一個天然、獨特的微生物資源保藏庫。不同棲地（如雪、冰、融水、土壤、冰塵等）的細菌群落有明顯的差異。冰雪體細菌群落豐度通常低於融水、土壤、冰塵等棲地。中國冰川雪坑中微生物數量、多樣性、群落組成整體變化呈現「北高南低」、大陸性冰川細菌數量（可培養）高於海洋性冰川的特徵。白水河1號冰川雪坑中的細菌數量隨深度增加而升高，但其多樣性和群落結構沒有明顯變化，優勢類群主要為厚壁菌門、放線菌門等。白水河1號冰川融水和退縮土壤中的細菌群落都具有較高的多樣性，但群落組成差異較大。融水中主要類群為變形菌門、厚壁菌門及藍細菌門，而土壤中酸桿菌門、放線菌門、擬桿菌豐度也較高。土壤中的細菌群落多樣性和群落結構相似度均高於融水，這種差異與環境理化特徵的不同顯著相關，其中總有機碳（TOC） 、 pH值、Fe等多指標對細菌群落有顯著影響。協同比較全球典型冰川退縮跡地，發現細菌群落結構同時受到氣候與地理模式的綜合影響。
3
冰川吸光性雜質的氣候效應
基於長期觀測，分析了白水河1號冰川吸光性雜質含量的時空格局、化學轉化、富集-淋溶過程與機制，揭示了吸光性雜質的氣候效應，評估了黑碳（化石燃料和生物質不完全燃燒產物）對冰川消融的影響機制（圖3） 。在白水河1號冰川，隨著積雪的持續消融，冰面黑碳和有機碳富集，其中黑碳富集更為顯著。在不同吸光性雜質濃度情境下，冰面反照率降低的程度不同。其中，黑碳造成的雪冰反照率降低程度最高，在藏東南一些海洋性冰川黑碳和粉塵可導致反照率降低15%。白水河1號冰川中黑碳對反照率降低的貢獻約10%，導致的輻射強迫可達145 W/m2。整體上，黑碳對冰川反照率降低的貢獻高於粉塵。同時，估算了白水河1號冰川中溶解性有機碳含量為1.5 t，無機顆粒態碳7.25 t。這些吸光性雜質的沉降加速了冰川的消融。隨著冰川消融，冰川中儲存的碳被釋放出來，冰川由「碳匯」轉變為「碳源」。
圖3 雪冰中黑碳（BC）和粉塵（Dust）引起的青藏高原東南部冰川反照率降低及相應的瞬時輻射強迫（RF）
4長期的監測、試驗與研究結果有效服務於區域永續發展
1
基於儀器研發、試驗示範與模型模擬，為景區旅遊安全、景觀美化及其水資源利用提供技術支撐
建成國內首個冰川即時監測系統，已對白水河1號冰川冰流速及其物質消融進行即時監測，該系統可為未來冰崩事件的發生提供早期預警。聯合麗江市玉龍縣氣象局進行冬春季人工增雪試驗，成效顯著，為減緩白水河1號冰川消融起到了積極作用。利用實測資料和水文模型，重建了白水河冰川徑流深資料集，量化了海洋性冰川流域冰雪融水對地表徑流-地下水的貢獻率，為區域水資源優化配置提供了理論參考。
2
以海洋性冰川旅遊服務研究為切入點，揭示了冰川旅遊客源市場結構、旅遊服務價值及其氣候變遷影響程度
發現，冰雪旅遊目的地客源核心市場由發展初期的近域客源市場向成熟期的遠域客源市場拓展。利用實地調查和旅行費用法，估算了玉龍雪山冰川旅遊服務價值。經計算，玉龍雪山冰川旅遊服務總價值為20.33億—57.18億元。 2016年玉龍雪山冰河旅遊服務價值僅18億元，接近冰河旅遊服務總價值最小值，冰河旅遊服務提升空間大。如果冰雪資源消失，至少損失20%—40%的客源。研究成果為其他旅遊目的地冰河旅遊永續發展提供了理論基礎。
3
以海洋性冰川-米堆冰川長期監測為基礎，綜合現場考察、多源影像、無人機、無人船等多技術方法，系統揭示了典型冰湖潰決機理，提出了早期預警與中後期防災減災方案
發現，冰內水系潰決和冰川前進乃1988年光謝錯潰決之主因，而2020年嘉黎縣金烏錯冰湖潰決事件則由冰雪崩體、側磧邊坡失穩滑坡體和潰決前該地區持續降雨多因素所致。在此基礎上，綜合評估了青藏高原潛在危險性冰湖潰決的災害風險。建議加大海洋性冰川與冰湖相互作用機制的定位監測力度，同時應及早採取洩洪等工程措施以降低高危險冰湖潰決風險。
以上研究成果有效服務於區域水資源優化配置、冰雪旅遊永續發展及冰凍圈防災減災等重大社會需求。
5結語
基於長期的定位監測與資料積累，以冰凍圈科學為引領，積極探索冰凍圈與永續發展協同研究路徑，在冰凍圈變化過程機制、冰凍圈變化的水文水資源效應、生態效應、氣候效應及其影響，以及冰凍圈與永續發展研究方面進展顯著。研究結果積極推動並促進了冰凍圈化學、冰凍圈微生物、冰凍圈旅遊學、冰凍圈災害學、冰凍圈人文社會學等冰凍圈科學分支學科形成與發展。
未來，玉龍雪山站擬利用高新技術與方法，以玉龍雪山站觀測網絡為基礎，持續加強海洋性冰川與環境的長期監測，並在冰凍圈與永續發展協同研究方向方面拓展，緊密圍繞玉龍雪山站「冰凍圈變化過程機制、冰凍圈變化的環境效應、冰凍圈與永續發展」三大領域方向，以冰凍圈變化與永續發展關鍵科學問題為切入，綜合評估不同時空尺度冰凍圈致利致災效應，以提出冰凍圈影響區的可持續發展路徑。
王世金中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學與凍土工程重點實驗室研究員，雲南麗江玉龍雪山冰凍圈與永續發展國家野外科學觀測研究站站長，中國冰凍圈科學學會（籌）理事。主要從事冰凍圈與永續發展協同研究工作。
文章源自：王世金, 康世昌, 陳拓, 等. 長期海洋性冰川與環境監測研究支撐區域可持續發展. 中國科學院院刊, 2024, 39(3): 572-578. DOI: 10.16418/j. issn.1000-3045.20240222002
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