青藏高原多年冻土特征、变化及影响

青藏高原是全球中纬度面积最大的多年冻土分布区,青藏高原多年冻土对东亚季风乃至全球气候系统都有重要影响.本文在前人研究成果的基础上,系统地梳理了青藏高原多年冻土基本特征的现状,主要包括活动层厚度,多年冻土面积、温度和厚度的空间分布,以及多年冻土区地下冰和土壤碳储量等方面的研究进展.通过补充最近监测资料,阐述了高原尺度活动层和多年冻土热状况的动态变化过程及趋势,并分析了这种变化的水文效应.随后,概述了多年冻土与生态系统、多年冻土与碳循环相互作用关系方面的研究进展.青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,对多年冻土区地表的水、土、气、生间的相互作用关系产生了显著影响,进而影响着区域水文、生态乃至全球气候系统.本研究可为冻土与气候变化相互作用关系的机理研究提供思路,为寒区环境保护、工程设计和施工提供参考经验.     

青藏高原地表热平衡研究

青藏高原是我国现代冰川作用最强烈的地区,多年冻土也十分发育。为了研究冰川冻土形成、发育和演变的热量条件,从六十年代起,兰州冰川冻土研究所就开展了太阳辐射和地表热平衡观测研究。二十年来,在我国西部高山冰川和多年冻土区一共进行了18个点的观测。1975—1976年在青藏铁路冻土研究中,首次获得了青藏高原地表面能量转换的周年资料,促进了高原冻土和高原热力作用的研究。     

青藏公路沿线多年冻土区活动层动态变化及区域差异特征

利用青藏高原多年冻土区10个活动层观测场建立以来到2010年的监测资料,构建了青藏公路沿线多年冻土区活动层平均厚度的估算模型,分析了多年冻土区活动层近期的动态变化及区域差异特征.结果表明,研究区活动层厚度30年来以1.33cm/a的速率增大,多年冻土上限温度、50cm土壤温度及5cm土壤积温均呈现出升高的趋势.土壤热通量以0.1Wm-2/a的速率增大,为高原多年冻土区活动层厚度增大和温度升高提供了依据.活动层开始融化日期提前,开始冻结日期推后,融化日数增加,速率达1.18d/a.活动层动态变化特征与多年冻土类型、海拔高度、下垫面类型和土壤组分密切相关.低温多年冻土区较高温多年冻土区变化明显、高海拔地区较低海拔地区变化明显、高寒草甸地区较高寒草原地区变化明显,细粒土较粗颗粒土变化明显.     

青藏铁路建设和冻土问题

青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路，全长约1925公里，其中格拉段长约1118公里。海拔4000米的地段有965公里．最高点唐古拉山口为5072米。穿越多年冻土区长度为632公里，其中大片连续多年冻土区长度约550公里，岛状不连续多年冻土区长度约82公里。在632公里的冻土带中，年平均地温高于一1．0℃多年冻土区275公里，高含冰量多年冻土区221公里，高温高含冰量重叠路段约为134公里。高原、冻土和生态脆弱就成为青藏铁路修筑的三大难题，而冻土问题是青藏铁路成败的最关键问题。     

九死一生的探索历程

多少年来,在海拔4500米以上的雪域高原上,绵延540多千米的多年冻土阻挡了人类向青藏高原前进的脚步.为了解决这个世界性工程技术难题,中国的冻土科学研究者对青藏铁路冻土问题进行了深入的研究,涉及的内容之深、投入的人力之多和物力之大、经历的时间之长、研究过程之艰难,可谓举世罕见.     

巴丹吉林沙漠东南缘砂楔年代及其环境意义

巴丹吉林沙漠东南缘新近发现的多处砂楔群和融冻褶皱,分别形成于砂砾石层和湖相沉积地层中,楔内充填物的光释光年龄证明其是末次冰期和晚冰期的产物.巴丹吉林沙漠在末次冰期和晚冰期时处于多年冻土带,年平均气温约为-3~-6℃,较现在降温约12~15℃.其时,整个阿拉善高原与纬度多年冻土带和青藏高原冻土区相连接,沙漠腹地及周边的沙丘应处于冻土状态,沙丘的移动和风沙地貌发育均会受到影响.在冷期,巴丹吉林沙漠很有可能相当于冰冻圈气候,前人关于中国北方沙漠非冻土区的认识值得商榷.     

人类工程活动影响下冻土生态系统的变化及其对铁路建设的启示

通过样带与样方结合的调查方法, 从冻土生态系统结构、群落种类、生物多样性以及生物生产力等生态要素和生物生境条件: 如土壤环境、冻土环境等方面研究了青藏公路沿线多年冻土区公路工程干扰迹地生态系统的变化特征. 结果表明, 经过近25年的自然恢复, 在生态系统恢复的生物学方面, 高寒草原生态系统明显优于高寒草甸生态系统, 表现在高寒草原的优势建群植物种类已出现并占据优势地位, 局部地带生物物种多样性与种群多度恢复到接近甚至高于自然未干扰草原系统水平; 在土壤环境方面, 高寒草原干扰迹地土壤有机质含量平均减少61.65%, 全氮含量减少52.51%, 但大部分地区其表层土壤养分现状与干旱区主要草原土壤相当, 有利于耐寒旱生物物种生长; 高寒草甸干扰迹地土壤(寒冻雏形土)平均养分含量高于天然寒冻干旱土壤, 保存草甸土壤结构的完整程度对于高寒草甸生态系统恢复至关重要. 受扰动高寒草原生态系统的恢复程度与冻土环境没有明显制约关系, 高寒草甸生态系统的分布和保育与冻土环境关系密切, 受工程活动破坏后恢复困难. 类比青藏公路沿线生态系统变化规律, 提出了青藏铁路建设过程中保护生态环境的几点启示.     

高原多年冻土区路基施工技术研讨

介绍了青藏铁路格拉段多年冻土区路基的施工特点及工艺,多年冻土“区冻土”问题是修建青藏铁路的关键技术难题,高原冻土环境条件的特殊性决定了必须要在了解掌握高原冻土的特征、特性的基础上,充分领会设计意图、设计思想、紧密依托科研指导,以科学合理的施工,保证冻土条件下的工程质量。     

江河源区典型多年冻土和季节冻土区水热过程对植被盖度的响应

基于青藏高原江河源区典型多年冻土和季节冻土区建立的不同植被盖度下7个地温和水分观测场, 对多年冻土活动层和季节冻土土壤温度和水分对植被盖度的响应分为4个阶段进行分析和对比研究. 结果表明: 随着植被盖度的降低, 多年冻土活动层冻结深度积分减少, 而季节冻土冻结深度积分增加; 多年冻土冻结期负值等温线和未冻结期正值等温线的最大侵入深度和持续时间随着植被盖度降低明显增加; 多年冻土活动层20~60 cm的土壤含水量随着植被盖度降低而减少, 而60~80 cm的土壤含水量反而增加, 季节冻土土壤剖面0~120 cm的水分含量随着植被盖度的降低而减少. 植被盖度的变化改变了冻土水热过程, 且多年冻土和季节冻土对植被盖度的响应不一致.     

青藏高原多年冻土变化与工程稳定性

气候变化和工程活动引起多年冻土温度升高、活动层厚度增大、地下冰融化, 导致路基工程稳定性变化. 本研究在综述青藏高原多年冻土变化和冻土工程研究重要进展的基础上, 利用青藏公路和青藏铁路沿线冻土与工程监测数据, 给出了青藏高原多年冻土温度和活动层厚度变化及其与气候变化的关系、多年冻土对工程活动的响应过程, 青藏铁路工程稳定性动态变化以及块石结构路基降温机制和过程. 最后, 提出了在气候变化下冻土工程将来亟待解决的关键科学问题.     

青藏高原21世纪气候和环境变化预估研究进展

本文回顾了21世纪青藏高原区域多种气候和环境要素变化预估研究的进展,包括气温、降水、极端天气气候事件、冻土、积雪、冰川、径流和植被等,预估结果主要来自于SRES和RCP情景下气候模式的预估以及物理统计模型的预估.结果表明,未来青藏高原地面气温将升高,21世纪后期增温更显著.总体来说21世纪高原降水以增加为主,极端天气气候事件增加.高原未来冻土面积缩小,冻土活动层厚度增加,积雪日数和积雪深度减少,冰川将以退缩为主.径流的未来变化较复杂,不同流域之间的差异较大,径流在不同流域表现为增加和减少并存.青藏高原植被对气候变化的响应敏感而脆弱,21世纪中后期青藏高原的生长季长度增加,常绿林/森林出现在高原东部和南部,灌丛植被类型将会扩展并入侵高寒草原.根据已有的研究结果,本文对这些气候与环境要素在21世纪中期(2030~2050年)和后期(2080~2100年)的变化进行了综合集成,给出了它们在21世纪中期和后期的可能变化范围.     

近10年青藏高原高寒草地物候时空变化特征分析

植物物候是陆地生态系统对气候变化响应的最佳指示器,其变化研究对于深入地理解和预测陆地生态系统的动态变化具有重要的意义.本文利用SPOTVGT归一化植被指数(NDVI)对青藏高原1999～2009年间高寒草地物候的时空变化进行了研究,结论如下:①青藏高原高寒草地物候多年均值的空间分布与水热条件关系密切.由东南向西北,随着水热条件的恶化,生长季始期(SOG)逐渐推迟,生长季末期(EOG)逐渐提前,生长季长度(LOG)逐渐缩短.海拔在物候的地域分异中扮演着重要作用,但存在3500m分界线.其下,物候随海拔变化波动较大,其上物候与海拔关系密切;②1999～2009年间,青藏高原高寒草地SOG整体上呈提前趋势,变化幅度为6d/10a(R2=0.281,P=0.093);EOG呈推迟趋势,变化幅度为2d/10a(R2=0.031,P=0.605);LOG呈延长趋势,变化幅度为8d/10a(R2=0.479,P=0.018).SOG提前、EOG推迟和LOG增长的区域主要分布在高原的东部.SOG推迟、EOG提前和LOG缩短的区域主要分布在高原的中、西部,其中高原绝大部分区域的SOG呈显著提前趋势,尤其是高原的东部地区;③青藏高原高寒草地物候年际变化在不同的海拔和自然带上分异显著.高海拔地区的年际变化趋势要比低海拔复杂;青东祁连山地草原带的变化幅度和显著水平最高,而藏南山地灌丛草原带最低.     

沙漠化对青藏高原冻土地温影响的新发现及意义

青藏高原上发育着世界上独一无二的沙漠和冻土,然而,沙漠化对冻土地温产生的影响目前仍不清楚.近年来,随着青藏高原沙漠化的发展,这个问题愈加令人担忧.为此,作者在青藏高原红梁河建立观测实验场,利用热敏电阻地温探头,通过野外同步对比观测方法,于2010年5月～2011年4月对不同厚度沙层下的冻土地温进行了1个完整年的观测研究.发现沙层对下伏多年冻土有保护作用,表现为厚沙层下地温在多年冻土上限附近以下深度全年均低于天然地表,降温幅度大约稳定在0.2℃,夏半年5～9月最大处降温分别达3.40,3.72,4.85,3.16和1.88℃;薄沙层下地温在上限附近全年都低于相应的天然地表,最大处降温幅度全年平均达0.71℃.其初步结论不仅对探索青藏高原沙漠与冻土之间的关系具有科学意义,而且为青藏高原工程建设地区的冻土保护提供了一种新思路.     

青藏高原大尺度冻土水文监测研究

１９９７￣１９９８年中日双文合作首次在青藏高原大尺度范围内进行了冻土水文连续监测工作,获得了大量高精度实测数据,对实测的土壤温、湿资料进行了分析了高原冻土活动层内的冻融过程,估计了不同深度最大冻结和融化深度及年冻结日数给出了在宏观尺度上土壤水热状况的时间和空间分布特点及地形对土壤水热条件的影响作用。     

青藏高原冰冻圈汞研究及其环境意义

全球变暖背景下,冰冻圈显著退缩引发的环境效应成为科学界关注的热点问题。青藏高原冰冻圈正在发生的显著退缩势必会加速冰冻圈中污染物向环境中释放,从而对生态系统和生物健康产生潜在的风险。汞是一种全球性污染物。目前,高原冰冻圈区主要介质(冰川、冻土、水体和大气等)中汞的历史记录、浓度水平和时空分布特征等研究均已取得较大进展。然而,对冰冻圈区关键的汞输出过程及其环境效应的认识较少,如冰川中汞向下游水体的传输过程、多年冻土退化的汞释放过程,特别是冻土区地表大气汞动态交换过程等。青藏高原冰冻圈区汞研究的深入持续开展,不但将丰富对冰冻圈区汞循环的认识,亦可为评价冰冻圈地区的环境汞暴露风险和冰冻圈退缩的环境效应提供基础理论依据。     

青藏高原冻土初步考察

号称世界屋脊的青藏高原,是我国多年冻土最发育的地区。1960年,中国科学院冰川积雪冻土研究所筹备委員会与鉄道部及一些高等院校組成冻土队,在青藏公路沿綫进行了冻土綜合考察研究,通过三年实地考察,对該区冻土面貌有了初步认識。     

青藏高原东部P波速度结构及其对高原隆升的启示

利用青藏高原东部的高密度流动台站数据和位于研究区范围内固定台站的同期数据,采用远震体波走时层析成像的方法,反演获得了青藏高原东部及其周边高分辨的壳幔P波速度异常结构,结果显示:研究区的速度异常主要集中在地壳及上地幔顶部.高原内部强烈变形的区域存在深达200 km左右的低速异常,而高原周边克拉通性质的块体下方存在深达200~300 km的高速异常,高、低速异常和构造块体有较好的对应关系.在400 km以下区域,速度异常的幅值和范围都很小,可认为其速度值与全球平均模型一致,不存在明显的高速俯冲物质和低速地幔上涌物质.青藏高原东部的隆升成因主要由浅部的低强度岩石圈变形所导致,由于同时受到印度板块推挤和周边刚性块体的制约,青藏高原下方低强度岩石圈的水平缩短吸收印度板块的推挤作用,垂直向伸展导致高原隆升.     

宝天曼自然保护区不同生活型物种与土壤相关性分析

植物群落更新过程受森林垂直结构的影响,而土壤是群落更新演替过程中的重要影响因素.本研究以宝天曼自然保护区1 hm2固定监测样地调查数据为依托,采用方差分解(RDA)分析了表层土、深层土与不同生活型物种分布的关系,并对两层土壤理化性质进行主成分分析(PCA),通过广义可加模型(GAM)拟合了乔木、小乔木、灌木中主要物种分布与主成分分析中各主分量的关系.结果表明:(ⅰ)表层土、深层土共同解释了全部物种、乔木、小乔木、灌木分布的40.52%,40.46%,37.17%,42.14%,其中表层土壤独立解释了14.68%,17.32%,10.61%,14.34%,深层土壤独立解释了18.24%,17.22%,18.8%,18.84%;(ⅱ)15个土壤理化性质主成分分析表明,前4个主分量分别代表了38.02%,14.41%,9.06%,5.79%,累计贡献率达67.28%;(ⅲ)GAM拟合结果显示,不同生活型物种与4个主分量相关程度不同,乔木层D2介于0.63%~9.07%,小乔木层D2介于1.41%~29.93%,灌木层D2介于1.91%~15.53%.本研究结果支持物种共存机制中的生态位理论,土壤理化性质对宝天曼物种分布具有重要影响;表层土养分含量大于深层土,但并不意味着对物种的作用也大于深层土,在今后研究中要结合物种自身特性,重视深层土壤理化性质对物种分布的作用;不同物种以及不同生活型物种对土壤等资源的利用存在差异,这种差异促进了物种的共存.     

冰冻圈水资源对中国社会经济的重要性:基于多级流域尺度分析

冰冻圈水资源为全球寒区旱区生态安全和社会经济发展提供重要保障.随着气候变暖导致冰冻圈水资源供给变化以及社会经济增长对水资源需求增加,区域水资源短缺风险不断加剧.鉴于此,加强冰冻圈水资源与社会经济关联研究至关重要.本研究首先在三级流域尺度上系统分析了中国冰冻圈水资源的空间分布特征及其影响区人口和GDP时空变化格局,然后进一步综合供给和需求两侧指标,评估了冰冻圈水资源对社会经济的重要性.结果表明:(1)中国冰冻圈及其影响区共涵盖7个一级流域、38个二级流域和84个三级流域.(2)从冰冻圈要素的重要性看,塔里木河、羌塘高原以及雅鲁藏布江等流域冰川面积和储量较大,青藏高原腹地和松花江流域多年冻土覆盖率较高,松花江区、新疆北部以及青藏高原西南部平均积雪深度较大.(3)以2015年为基准,计算得到冰冻圈水资源重要影响区人口和GDP分别约为2.63亿和11.4万亿元,分别占全国23.1%和16.5%,主要分布在我国一、二级地形阶梯分界线的东南部和北部以及三级阶梯北部; 1995～2015年间冰冻圈重要影响区人口占全国比重增加(由24.4%增为26.8%), GDP占全国比重下降(由21%降为19%)...     

青藏高原探索

青藏高原位于我国西南边疆,地域辽阔,占我国陆地总面积的四分之一,一般在海拔4000米以上,高踞于地球之巅,素有“世界屋脊”之称。它是地球上面积最大、海拔最高、形成时代最新的高原,具有独特的自然条件和丰富的自然资源。它的存在和发展,对高原本身及其周围地区的自然环境和人类活动都有着重大的影响。青藏高原的隆起为科学研究提出了一系列重大的课题,如这个高原是怎样形成的?它形成以后对环境变化和人类活动有什么影响?它为什么有