北亚利桑那大学研究生安德鲁·哈维丁克（Andrew Haverdink）身着雨衣与靴子，在阿拉斯加德纳利国家公园北部地区操作双手钻机。他跪在一片蓝色顶棚下，将采集到的圆柱形古土核心整齐排列在塑料托盘中。这些深黑色、富含有机质的永久冻土样本长度至少为一英尺。
七月初的一个夜晚，哈维丁克与团队正在该研究场地收集样本和数据。他们的研究对象源于2013年6月下旬发生的一场严重火灾。当时一道闪电引燃了这片几乎无树的苔原，在奇努克风（由潮湿海洋空气翻越阿拉斯加山脉后下沉形成的强烈下坡风）的助推下，大火蔓延近35,000英亩。火势烧毁了大部分植被并深入表土，剥离了保护永久冻土的绝缘层。永久冻土是支撑着阿拉斯加85%地区的巨大碳库。
2016年的首次调查显示，在火灾最热、燃烧最深的区域，永久冻土上方的活动层融化深度比未过火地块深30至60厘米。
这场火灾恰好跨越了美国国家公园管理局于2001年建立的两组调查网。这为北亚利桑那州的研究团队提供了罕见的机会，使其能够对比火灾前后植物、碳储量及永久冻土的变化。沃克指出，这些来自高强度火灾的直接观测数据，正帮助科学家更准确地评估野火与永久冻土退化对气候变化的影响。
“这里存在大量不确定性，此前从未有人进行过如此深入的观察。”沃克表示。随着北极地区火灾频率增加、强度提升，以及更多原本冻结的土壤暴露于变暖的气候中，越来越多的研究人员正致力于解析火灾后的生态后果。
这项工作旨在揭示气候反馈机制的复杂性：气温升高导致火灾频发且严重，进而加速永久冻土融化，释放温室气体，进一步加剧变暖，形成恶性循环。理解这些影响的强度、叠加效应以及景观变化能在多大程度上缓解这一过程至关重要。值得注意的是，早期模型曾预测树木和植物的扩张可能通过吸收二氧化碳来抵消土壤变暖和永久冻土融化释放的碳，特别是在长期和中度变暖情景下。然而，随着全球努力将升温控制在安全范围内，越来越多的观测和分析显示情况更为复杂。
永久冻土危机
永久冻土覆盖北半球陆地表面的15%，储存约1.5万亿吨碳，几乎是大气中碳含量的两倍。过去半个世纪以来，受气温上升和火灾加剧影响，微生物开始分解这些有机物质，以二氧化碳和甲烷的形式释放到空气中，这两种气体均会推动气候变化。
然而，永久冻土消失的影响并非非黑即白。科学界长期争论的核心在于：未来几个世纪内，究竟哪一因素对温室气体交换影响更大——是土壤和永久冻土中的碳损失，还是所谓的“北极绿化”带来的碳吸收？后者指随着气温上升，固碳植物在整个景观中扩散的现象。
事实上，永久冻土融化本身也可能促进“北极绿化”，因为未结冰的土壤层加深，使植物根系能获取更多水分和营养物质。具有更深根系的吸碳树木和灌木得以在过去无法生长的地方扎根。
但随着北极火灾和永久冻土融化的增多，研究人员得以细致观察实际后果，而这些发现令许多学者感到震惊。特别是，永久冻土似乎更容易发生突然融化，而非主流气候模型所模拟的渐进式融化。2020年的一篇论文指出，这种突然融化可能释放远超此前认知的碳量，使永久冻土融化产生的排放量翻倍，从而抵消未来植物生长带来的碳吸收。
此外，即使碳排放最终通过北极绿化有所减少，高强度火灾和永久冻土流失引发的排放似乎正在加速变暖进程。伍兹霍尔气候研究中心北极气候科学家苏珊·纳塔利（Susan Natali）及其同事近年发表多篇论文，发现约40%的北极区域已从碳汇转变为碳源。
纳塔利在邮件中表示：“我们越了解快速融化、深层燃烧火灾和寒冷季节排放等过程，就越能看到干扰的增加。”但火灾和永久冻土融化在不同环境下改变景观的具体方式仍存在较大不确定性。“这是科学面临的挑战，因为测量如此庞大的区域非常困难，且该地区包含多种不同的生态系统，并非单一系统。”她说。
差异化的恢复结果
北亚利桑那大学的研究人员一直在探究阿拉斯加不同地区火灾加剧后的后果。生态系统生态学教授米歇尔·麦克（Michelle Mack）在过去20年里一直从事此项工作，她曾是沃克的博士后导师。
她的丈夫兼经常合作者泰德·舒尔（Ted Schuur）也是该校教授，负责监督位于德纳利国家公园以北八英里湖研究区的多个永久冻土监测和实验站点。从北亚利桑那州科学家的研究中可以看出，当地气候、生态系统类型、火灾严重程度、永久冻土性质等因素，会极大影响碳的吸收或损失量、永久冻土解冻程度、景观恢复潜力以及未来的易燃性。
在一项早期研究中，研究人员调查了2004年布鲁克斯山脉和阿拉斯加山脉之间一系列大北方火灾后的数十个黑云杉主导的林分。一个显著发现是：严重烧伤几乎没有留下上层腐烂的有机物质。麦克、沃克及其合著者在2021年发表于《科学》杂志的论文中指出，落叶树主导地点的土壤碳储量约为黑云杉林的五倍。
沃克表示，这意味着某些站点的碳吸收量超过了最初火灾中释放的碳。
然而，2007年阿纳克图瓦克河平原火灾仍是阿拉斯加北坡有史以来最大的火灾。初步分析显示，麦克、舒尔及其合著者发现该次火灾向大气释放了超过200万吨碳。随后的研究发现，超过三分之一的被烧毁景观出现沉降、滑落和收缩，标志着下方冰层的崩塌和永久冻土的突然融化。圣母院大学副教授阿德里安·罗查指出，近二十年后，在火灾伤痕最严重的区域，许多融化和腐烂的有机物质仍在持续释放二氧化碳和甲烷。
罗查称，若要回收所有丢失的碳，可能需要几十年甚至几个世纪的时间。麦克强调，尽管实地测量对于理解生态系统恢复至关重要，但永久冻土融化的风险显而易见。“如果我们作为生态系统生态学家退一步看，我们知道地下永久冻土中储存的碳远多于地上植被。如果永久冻土释放碳，它可能会淹没其他所有有趣的细节。”她说。
实验室分析与现场验证
北亚利桑那大学的研究小组将从丹纳利运回的土壤样本带回实验室。这些材料包括腐烂的植物物质、永久冻土核心以及未结冰土壤层样本。在随后的几个月里，团队对样品进行切割、干燥、称重、燃烧和分析，并将现场与实验室数据录入数据库。
沃克表示，他们正在探索自火灾初始调查以来的各种研究问题。虽然分析仍在进行中，但在受火灾影响最严重的地方，永久冻土上方的融化土壤层厚度似乎保持了大约13年。沃克在邮件中解释道：“每年夏天，融化深度仍然比火灾前更深入土壤。”目前，团队希望利用实验室分析来确定具体的碳损失量。
迈向气候未来
在阿拉斯加希利的最后一个下午，记者跟随舒尔沿着狭窄的木板走道前行。2008年，舒尔及其团队设计了一种方法，使永久冻土在未来二三十年内达到预期的温度水平。为此，他们在冬季添加额外积雪，反直觉地起到隔热毯的作用。
在为期13年的实验中，10×10米地块的土地碳含量下降了23%。许多地点的地面发生崩塌，形成了几英尺深的塌陷坑。
记者沿着木板走到一个地块中间，脚下下降了约四英尺，抬头望向边缘，感觉仿佛置身于干涸池底深处。随后，舒尔指向另一边一个较浅但同样明显的塌陷坑，这是一个自行融化和崩塌的控制站点，未施加任何模拟升温或火灾干预。
“每个地块都会按照自己的轨迹发展，”他说，“这些事情发生是因为整个地区都在变暖……并且所有这些变化只会更快。”根据预测，到2040年底，该处永久冻土将完全融化。“根据目前的气候变暖趋势，这里将没有任何表面永久冻土，”舒尔说。除非世界大幅减少排放并控制火灾，否则同样的现象将逐年蔓延至全州。
