高寒冻土区生物结皮对土壤理化属性的影响

生物结皮是高寒地区地被层的重要组分之一。其作为地表特殊的结构层,能够改变地表结构及土壤理化属性,从而影响冻土环境。迄今为止,关于青藏高原高寒生态系统中生物结皮对土壤理化属性的影响尚不清楚。以青藏高原高寒冻土区生物结皮为研究对象,初步研究了生物结皮的特征及其对土壤理化属性的影响。结果表明：生物结皮在高寒草甸退化过程中广泛发育,主要以藻结皮为主,其盖度可达37.3%~51.7%,结皮层平均厚度为12.6 mm。由于生物结皮的发育,高寒地区5~20 cm土层粉粒含量有所增加,但差异不显著,而结皮层土壤田间持水量相比于裸地表层（2 cm）增加了10%~40%,结皮层容重较裸地降低了30%;两种类型藻结皮均显著增加了结皮层及其下0~20 cm土层土壤有机质,而深色藻结皮增加了结皮层及其下0~20 cm土层土壤全氮含量,浅色藻结皮仅增加了结皮层土壤全氮含量,对其下0~20 cm土层土壤全氮含量没有显著影响;生物结皮对土壤pH没有显著影响;生物结皮是高寒生态系统植被退化过程中的关键环节。研究结果为揭示生物结皮在高寒生态系统中发挥重要生态功能提供依据。     

内蒙古鄂尔多斯高原古冰缘遗迹科学考察研究进展

冰缘遗迹（特别是冷生楔形构造及融冻褶皱）是重建古气候及第四纪晚期多年冻土环境的重要证据。内蒙古鄂尔多斯高原是我国北方地区冰缘现象最为发育的地区之一。为准确了解鄂尔多斯高原冰缘遗迹类型及其分布特征、区域冻土演化历史等,中国科学院西北生态环境资源研究院和荷兰自由大学共同组成科研小组,于2018年5—6月组织了“鄂尔多斯高原冰缘遗迹科学考察”。考察区域涉及靖边—城川—乌审旗—鄂尔多斯东胜区一带约12 000 km²的范围。考察内容主要包括鄂尔多斯高原冰缘遗迹类型及特征、分布区域、各类型冰缘遗迹所指示的气候条件的初步推断等。结果表明：冻融褶皱和冷生楔体构造是鄂尔多斯高原主要存在的两大类冰缘遗迹。基于本次考察中关于冰缘遗迹的分布与特征等新发现,并综合前人研究成果,初步推断：在气温极低、多年冻土非常发育的时段,有利于形成各类冷生楔状构造,如冰楔假形和大型原生砂楔等;在气候转暖、多年冻土退化,但还没有全部融化完阶段,可能形成融冻褶皱;区域性大面积分布和成群出现的融冻褶皱一般反映较暖气候环境下,多年冻土层上部已退化到一定程度。基于光释光（OSL）年代测试结果,结合冰缘遗迹的特征及其所指示的古气候环境,初步重建了鄂尔多斯5万年以来的冻土环境变化序列。区内多年冻土在多年冻土最大期（LPM,25~19 ka BP）时最发育,以大面积连续多年冻土为主;之后,随气温转暖,总趋势呈退化状态,多年冻土分布逐渐变为片状→岛状→零星斑状,直至现今全部融完变为深季节冻土区。     

1901—2018年三江源地区大气冻融指数变化特征

三江源地区是我国重要生态安全屏障,冻土是其高寒生态系统的重要组成部分,冻土的变化深刻影响高寒生态系统固碳及水源涵养。基于英国东英吉利大学（University of East Anglia,UEA）气候研究中心（Climatic Research Unit,CRU）月平均气温再分析资料,利用线性倾向法和滑动平均法并结合GIS空间分析和制图,计算并分析了三江源地区1901—2018年冻融指数变化趋势及其空间分布特征。结果表明：三江源地区冻结指数在1901—2018年整体以-1.1 ℃·d·a^-1的斜率呈波动减少趋势,经历了三个波动变化阶段：1901—1943年的下降（-3.4 ℃·d·a^-1）、1943—1966年的升高（8.8 ℃·d·a^-1）、1966—2018年的再次下降（-4.3 ℃·d·a^-1）。融化指数与冻结指数的变化相反,整体以0.34 ℃·d·a^-1的斜率呈波动上升趋势,呈现升高（1901—1943年,3.3 ℃·d·a^-1）、下降（1943—1981年,-3.1 ℃·d·a^-1）、再次升高（1981—2018年,2.9 ℃·d·a^-1）的趋势。在空间分布上,自西向东随海拔和多年冻土连续性降低,冻结指数由3 400 ℃·d递减到600 ℃·d,融化指数由接近0 ℃·d增加到1 800 ℃·d。长江源区冻结指数最大,融化指数最小;黄河源区冻结指数最小,融化指数最大。研究成果可为三江源地区冻土变化及其对高寒生态环境的影响研究提供科学借鉴。     

北极多年冻土区埋地输气管道周边温度场数值分析

以北极规划输气管道工程为依托,建立埋地管道与冻土热交换相互作用数值计算模型,探究了埋地管道在连续多年冻土区、非连续多年冻土区和季节冻土区内,按照不同操作温度(5、-1和-5℃)运行情况下管道周围冻土温度演化过程.计算结果表明:同一区域不同管温对冻土上限值影响差异较大,尤其是在非连续多年冻土区,无论管道是正温输送还是负温输送,由于管道的运营,极大地影响了冻土上限值.5℃正温管道将导致冻土上限下降1～3倍管径;-1℃和-5℃负温管道将有助于提高冻土人为上限.建议在连续多年冻土区管道采用-1℃输送温度;在非连续多年冻土区冬季采用-1℃输送温度,夏季可以是正温,接近环境大气温度,但全年输气平均温度要小于0℃;在季节冻土区,若按照负温输送,反而容易引起管基土冻胀,建议输气温度不作特别控制,与温带地区管道类似,正温输送.希望能够为北极多年冻土区天然气管道建设提供新的思路.     

气候变化条件下东北地区多年冻土变化预测

东北多年冻土（除非指明是季节冻土,以下将多年冻土简称冻土）是中国第二大冻土分布区,主要发育＂兴安-贝加尔型＂冻土.由于处在欧亚大陆冻土区南缘,冻土的热稳定性差,寒区生态的敏感性强.在气候变暖条件下,冻土已经和正在发生着＂三向＂退化.为预测冻土南界和地温变化,根据47个气象站资料并在SHAW模型对植被影响地表温度修正的基础上,建立了冻土地表温度分布的等效纬度模型.结合非稳态热传导模型的有限元数值计算,以多模型结合的方法,进一步计算和分析了目前、50年和100年后冻土地温分区变化.结果表明,在目前地表温度为1.5℃范围,仍可残留冻土.以0.048℃a-1气温递增速率,在目前地表温度为0.5℃和-0.5℃的区域,50年和100年后各自仍有可能存在冻土;冻土面积将由现在的2.57×105 km2各自减至1.84×105和1.29×105 km2,分别减少28.4%和49.8%,且东部退化幅度大于西部.同时,区域地温升高,冻土厚度减薄;稳定型（年平均地温Tcp≤-1.0℃）冻土面积逐渐减小,将由现在的1.07×105 km2分别减少至8.8×104 km2（50年后）和5.6×104 km2（100年后）.相应地,不稳定型（Tcp〉-1.0℃）多年冻土和季节冻土的面积增加,冻土南界将显著北移.冻土环境的变化,将给东北寒区工程设施和生态环境带来重要影响.减少或避免人为地改变冻土赋存条件,是保护冻土环境较可行的途径.     

时域反射仪（TDR）测定土壤含水量标定曲线评价与方案推荐

时域反射仪（Time Domain Reflectometry）可用于室内和田间快速、 准确、 自动测定土壤含水量， 是目前应用最广泛的土壤含水量测定方法之一。适宜的土壤含水量标定曲线（即土壤表观介电常数和土壤含水量之间的关系）是TDR准确测定土壤含水量的关键。目前文献中存在大量的土壤含水量标定曲线， 但尚未有研究对这些标定曲线进行系统的验证和分析评价。因此， 它们的准确性和适用范围尚不明晰， 严重影响到与土壤含水量测定相关的研究。通过查阅大量国内外文献， 收集整理了一系列土壤含水量标定曲线的经验公式（19个）和半经验半物理模型（5个）， 并利用大量的文献实测数据对其进行综合评价。同时运用均方根差（RMSE）， 平均误差（AD）， 纳什效率系数（NSE）等三个指标对比分析和评价这些标定曲线的准确性和可靠性。研究结果表明： 经验公式中Topp、 Roth（1992）2、 Jacobosen、 Yoshikawa2、 Alharathi模型和半经验模型中Malicki1公式及其修订模型综合性能较好。研究成果可为利用TDR准确测定土壤含水量及土壤含水量标定曲线的选择提供参考和指导。     

寒区线性工程沿线冻土区的植被恢复

寒区油气管道、公路、铁路等线性工程占地、建设和开挖对沿线寒区生态环境是一个切割、破碎的过程, 对自然植被和下伏冻土造成了很大的扰动. 管道泄露引发的油污还可引起植被的退化和死亡. 植被覆盖层破坏后改变了原有的地气界面之间的水、热交换条件和力学性质, 反过来又可加速引发下伏冻土和线性工程地基的退化. 基于保护线性工程地基及下伏冻土的目的, 同时顺应环境保护的要求, 目前就寒区线性工程的植被恢复问题已经有许多探索和实践. 当前, 寒区植被恢复注重最低限度的人为介入干预下的自然恢复, 根据线性工程沿线土壤、湿度、营养条件、物种分布和丰度, 视具体情况选择物种, 确定建植方法. 阿拉斯加管道和青藏铁路植被恢复上的经验和方法, 可为拟建的冻土区中俄输油管道项目沿线的植被恢复问题提供科学的参考和借鉴.     

中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展

在2005-2007年期间,先后3次对中国-俄罗斯原油管道漠河-大庆段沿线的冻土工程地质条件等进行科学考察,开展了冻土工程地质条件及其在气候变化和人类活动作用下的评价和预测研究.考察研究结果表明:管道沿线多年冻土在各类融区、季节冻土和水系等分隔作用下呈片状或岛状分布,沿线岛状、稀疏岛状及零星岛状占多年冻土区段的40%左右;管道沿线多年冻土随着气候的转暖和人类活动的影响不断退化.地形地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化等局部因素对多年冻土的分布和地下冰的赋存产生重要的影响,管道沿线大约分布有50 km左右的沼泽湿地,其表层为腐殖质土及泥炭层,泥炭层下面分布着含土冰层或地下冰,是管道沿线最差的冻土工程地质地段;由于中俄原油管道沿线水系发育多,冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布.科学考察的成果为管道沿线冻土工程地质条件评价和预测、管道的稳定性影响分析以及后期的长期检测系统设置等研究奠定坚实的基础,进一步为即将开工的中俄原油管道漠河-大庆段工程的设计、施工提供科学依据.     

东北多年冻土区埋地输油管道周围温度场特征非线性分析

为解决冻土区输油管道周围土壤的温度计算问题,根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出了二维温度场的有限元计算公式.以东北多年冻土区中俄原油管道工程为背景,根据该工程区的冻土条件和气候条件,应用该方法对温热型输油管道土壤温度场进行了计算预报与对比分析.结果表明:对于输送油温为15 ℃、直径为0.914 m以及管顶埋深为2.0 m的管道,在没有铺设保温材料情况下,管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态,同时土壤融化速率在第1年达到最大,随后4a时间里迅速减小,第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一段时间后,管道周围的融化圈随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30 a后,融深＞10 m,即管底下的融化层厚＞7 m,而在铺设5～8 cm的聚氨酯保温材料后,融深控制在3.08～3.88 m,即管底下融化层厚为0.2～1.0 m.因此,合理使用保温方法能有效防止冻土区管道冻害的发生,同时达到保护冻土环境的目的.     

青藏高原中、东部局地因素对地温的双重影响(Ⅰ): 植被和雪盖

青藏高原冻土区地温既受海拔、纬度和经度(干燥度)区域地带性规律控制, 同时它又受植被、雪盖、砂层、 水被和地质构造等局地因素的显著影响. 局地因素对地温的影响具有双重性: 在不同域值条件下, 它可增高或降低地温. 地温随植被覆盖度减小而逐渐增高, 但覆盖度减到0～20%时, 地温反而降低. 在青藏高原东部、南部和腹部的高山区, 冷季降雪多, 很多地段为稳定积雪区, 雪盖厚, 持续时间长, 对浅层地温起保温作用;而高原腹部的高平原、河谷和盆地冷季降雪较少, 雪盖薄, 持续时间较短, 一般保温作用微弱. 当雪盖厚度超过20 cm以后, 保温作用即开始增强;在暖季因积雪存在时间短, 雪盖薄, 短期内对浅层地温起冷却作用. 总之, 每种局地因素迫使地温向相反方向转化阶段是一个区间值, 为渐变过程. 随时空尺度变化, 局地因素的影响变化很大. 有些地段, 几种局地因素共同作用, 加上活动构造和地形、地貌等的影响, 使地温的时空分布和局地因素对其影响或控制变得错综复杂. 因此, 研究和预测地温特征和变化趋势, 需要在监测植被和积雪作用的基础上进行参数选择、 验证和优化.