永久冻土的退化加剧了青藏高原地区基础设施相关的不平等现象

杜新龙|张春玲|贾云杰|魏玉国|宋金月|穆梅|彭小青|李宗星|张鹏|刘琳|夏卓轩|刘荣坤|索南·旺楚克|张晓玲|扬·霍特|穆翠翠

中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，中国兰州730000

摘要

山区拥有广阔的永久冻土区，随着气候变暖导致对社会经济稳定至关重要的永久冻土层不稳定，基础设施受损的情况日益严重。然而，逐渐升温的永久冻土与突然解冻的不同影响以及相应的缓解策略仍尚未得到解决。在此，我们为青藏高原开发了一个永久冻土退化风险评估框架，发现当前条件下80.6%的永久冻土区面临低至非常高的风险水平。超过三分之一的道路（35%）、铁路（61%）和管道（38%）位于高风险区域，需要立即投资33亿（17-50亿美元）以维持其运行。到2090年，根据不同气候情景（SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5），基础设施的额外成本预计将达到139-162亿美元（占地区GDP的7.8-9.4%），其中71.5%的成本集中在社会经济条件较差的地区，而这些地区仅占永久冻土总面积的54.2%。我们的研究结果表明，永久冻土退化加剧了气候脆弱性的空间不平等，并强调了在高海拔山区采取有针对性的适应措施以维持基础设施韧性和区域发展的必要性。

引言

永久冻土区覆盖了北半球约22%的土地面积（Obu等人，2019年），由于全球变暖，这些地区正在经历广泛的退化（Biskaborn等人，2019年）。气候变暖通过两种主要途径加速了永久冻土的退化：逐渐升温以及由地下冰融化引发的突然解冻事件（Ding等人，2019年；Nitzbon等人，2024年）。这些过程引发了多种与永久冻土相关的灾害，包括冻土沉降、退化性滑坡、活动层剥离和热侵蚀沟壑（Lewkowicz和Way，2019年；Nitze等人，2018年）。随着气候快速变暖和人类活动的加剧，这些灾害的频率和强度也在增加（Ding等人，2021年）。然而，逐渐升温的永久冻土与突然解冻对基础设施完整性的综合和差异性影响仍缺乏定量研究。

永久冻土退化对工程基础设施构成了严重威胁（Langer等人，2023年；Teufel和Sushama，2019年）（见图S1），因为它降低了土壤的稳定性和承载能力，从而引发广泛的沉降（Nelson等人，2001年）、结构变形（Hjort等人，2022年）、热侵蚀（Zhang等人，2022年）以及灾难性破坏（Chen等人，2023年；Wu等人，2025年）。在北半球的永久冻土带，由于近地表永久冻土的潜在退化，到本世纪中叶近70%的基础设施可能面临风险（Hjort等人，2018年）。此外，退化性滑坡（RTS）与严重的基础设施损坏越来越相关（Li等人，2024年；Luo等人，2019年）（见图S1 g–i）。在环极地北极地区，目前价值约216亿美元的基础设施预计到2060年需要额外投资155亿美元才能在永久冻土退化的情况下保持其服务功能（Suter等人，2019年）。因此，与永久冻土相关的损害对人类福祉和实现可持续发展目标构成了重大威胁（Li等人，2025年）。尽管之前的研究已经量化了永久冻土退化对基础设施的风险（Hjort等人，2018年；Suter等人，2019年；Streletskiy等人，2023年），但大多数研究仅关注逐渐升温的永久冻土，而对突然解冻过程的考虑有限。这一关键的知识空白不仅掩盖了空间上的不均匀性，还强烈表明永久冻土退化对基础设施完整性的总体影响被严重低估了。

值得注意的是，气候变化继续加剧了人类福祉的不平等：低收入群体面临更大的极端灾害风险，并且国内生产总值（GDP）损失不成比例地更高（Bastien-Olvera等人，2024年；Diffenbaugh和Burke，2019年；Emmerling等人，2024年）。尽管针对永久冻土退化的缓解和适应策略已经引起了全球关注（Irrgang等人，2022年；Ford等人，2015年），但由于对永久冻土影响的理解不足以及基础设施、社区和经济之间的缺乏整合，这些策略的实施仍然有限，阻碍了可持续发展（Hjort等人，2022年）。因此，确定能够整合永久冻土退化、基础设施损坏和社会经济指标的有效策略对于推进区域和全球可持续发展至关重要，特别是在高海拔山区。

青藏高原（QTP）拥有世界上最大的中低纬度山区永久冻土区，面积约为1.06×10^6平方公里，拥有38个地级城市，为近20亿人提供关键的水资源（Zou等人，2017年；Yao等人，2022年）。在这个永久冻土区，发生了具有重大经济和社会意义的广泛基础设施开发，主要集中在交通（例如青藏公路和铁路）、能源供应（例如格尔木-拉萨输油管道）和建筑领域。然而，在气候变暖的情况下，青藏高原的升温速度大约是全球平均水平的两倍（Xiao等人，2023年）。永久冻土温度的上升和活动层的加深导致土壤承载能力显著下降，每十年下降约6千帕（Xu和Wu，2019年）。自2000年以来，大约30-40%的道路受到了与冻土相关的损坏（Xu和Wu，2019年），1991年至2011年间，青藏公路的永久冻土部分的维护成本达到了7亿美元，几乎是初始建设成本的六倍（Hjort等人，2022年）。展望未来，为了维持基础设施的功能、保护人类福祉和促进区域可持续发展，可能需要大量额外投资。因此，解决永久冻土风险、它们对基础设施的影响以及制定适应策略在青藏高原上至关重要且紧迫。

为了系统评估永久冻土解冻的影响，我们首先计算了五个指标，包括热指数（I_t）、沉降指数（I_s）、承载能力指数（I_b）、风险分区指数（I_r）和基于分析层次过程的指数（I_a），并纳入了退化性滑坡的敏感性（I_RST），涵盖了整个青藏高原的永久冻土区（Luo等人，2024年）。通过主成分分析，我们开发了一个综合的永久冻土风险指数，该指数同时反映了逐渐升温和突然解冻的情况。随后，我们量化了在三种共享社会经济路径（SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5）情景下基础设施（包括道路、铁路、建筑和管道）的暴露情况，并使用等效寿命替换模型（Larsen等人，2008年）估算了额外的维护成本。基于人口和GDP预测，在地级层面进一步分析了空间异质性和成本影响的不平等性。最后，我们提出了保护和适应策略，并量化了它们在减轻损害方面的有效性，从而支持高山永久冻土区的可持续发展。

章节摘录

研究区域和数据

青藏高原（QTP）是世界上最高和最大的中低纬度山区永久冻土区，拥有约1.06×10^6平方公里的永久冻土，占高原总面积的约40.2%（Zou等人，2017年）。近年来，一系列具有战略意义的基础设施项目在该高原上建成，包括主要的交通走廊（如青藏公路和铁路）和能源管道（如格尔木-拉萨输油管道）。

永久冻土退化风险

本研究结合了五个永久冻土逐渐升温的指标（I_t、I_s、I_r、I_b、I_a）和退化性滑坡的敏感性（I_RST），开发了一个综合的永久冻土风险指数（I_GW+AT），有效反映了青藏高原永久冻土退化的空间分布（见图S3）。结果表明，目前青藏高原永久冻土风险区域的面积比例为：非常低风险19.4%、低风险32.1%、中等风险36.5%、高风险12.4%和非常高风险9.5%。

永久冻土退化与基础设施风险

以往的研究主要集中在青藏高原、阿拉斯加和北极地区逐渐升温的永久冻土影响上（Larsen等人，2008年；Ran等人，2022年；Streletskiy等人，2023年）。相比之下，我们的分析同时考虑了逐渐升温和突然解冻过程。我们的结果显示，中等和低风险区域显著减少，而高风险区域显著扩大，这与之前的评估结果一致（Ran等人，2022年）。

结论

本研究通过结合逐渐升温和突然解冻过程，系统评估了永久冻土退化对青藏高原基础设施和区域可持续发展的威胁。我们发现，到2090年，在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，高风险和非常高风险区域将分别占永久冻土区域的52.5%、67.1%和84.1%，基础设施维护成本预计将达到139亿、157亿和162亿美元，主要集中在

CRediT作者贡献声明

杜新龙：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。张春玲：撰写——初稿、概念化。贾云杰：撰写——初稿、概念化。魏玉国：撰写——初稿、概念化。宋金月：撰写——初稿、概念化。穆梅：撰写——初稿、正式分析、概念化。彭小青：正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家杰出青年科学基金（42425107）、甘肃省顶尖人才项目、青年教师科研创新能力支持项目（SRICSPYF-ZY2025149）以及甘肃省科技计划（23JRRA1171、23ZDFA017、25JRRA647）和中央高校基本科研业务费（lzujbky - 2023-eyt01）的支持。