青藏高原多年冻土区活动层水热特性研究进展

青藏高原多年冻土作为我国冰冻圈的重要组成部分,其水热状况是影响寒区生态环境、陆气间水热交换、气候变化以及地面路基建设等的重要因素。为增进对青藏高原多年冻土区活动层水热特性的认识,对影响活动层水热特性的主要因素以及主要研究方法做进一步梳理,并指出了当前研究中的不足。研究认为,气象条件、植被覆盖度、土壤性质、积雪等是影响多年冻土区活动层水热过程的主要因素,目前针对活动层水热特性的研究主要通过对站点实测资料分析和模型模拟等方式展开。未来工作的重点应放在改进适合于高寒山区的陆面模式以及增强水热动态过程与气候系统的相互作用上。

青藏高原中部典型下垫面活动层水热动态及其热扩散率研究

多年冻土活动层,尤其是浅层土壤的水热传输机制,以及冻融过程的时空异质性是研究地-气间能水交换的关键。利用位于青藏高原中部的唐古拉和通天河两个活动层观测场2013年的土壤温度和水分数据,比较了不同下垫面浅层土壤日冻融循环过程的差异,以及不同冻融阶段的地温日变化及热扩散率特征。结果表明:根据一日之内地温的正负波动,浅层土壤的冻融过程可以划分为解冻期、完全融化期、始冻期和完全冻结期四个时期,其中解冻期和始冻期统称为日冻融循环发生期。解冻期的持续天数和深度明显高于始冻期,高寒草原的日冻融循环天数和发生深度明显高于高寒草甸。浅层土壤(0~20cm)日地温变化普遍呈现明显的正弦波动趋势,且不同冻融阶段的振幅差异较大,由于相变的缘故,解冻期的日地温变化振幅最小。高寒草甸的日地温振幅显著低于高寒草原,说明日地温动态与土壤质地和土壤水分密切相关,植被作为热绝缘层,减弱了地温对气温波动的响应。地表下5~10cm的热扩散率显著大于10~20cm深度,且5-10月融化季的热扩散率显著大于冻结季。热传导对流方程可以描述多年冻土区典型下垫面在季节冻融循环周期内不同月份的水分迁移方向。

青藏高原多年冻土区不同高寒草地类型地表形变特征

作为气候变化"指示器"的青藏高原多年冻土,近几十年来受到越来越多学者关注。但是已有冻土区地表形变的研究,多单纯针对地表抬升和沉降量进行分析,鲜有针对不同高寒草地类型进行深入挖掘的。在位于青藏高原多年冻土区腹地的五道梁地区,利用ASAR数据和SBAS-InSAR方法反演了区域内2005年4月到2010年7月的地表形变状况。结果显示研究区地表形变速率基本位于±8 mm/a之间。其中,变形率为正、地表呈现抬升的区域占57.70%,地表形变为负、地表沉降的区域占42.30%。此外,高寒草地整体表现地表下沉的现象,而且高寒草原的地表沉降现象明显强于高寒草甸地区。计算获得3种生态遥感指数后,分析地表形变与生态遥感指数的相关性,发现针对不同草地类型,其地表形变的主导因子存在差异。高寒草甸的地表形变有可能更多的受限于温度变化,而高寒草原的地表形变则可能更多的由水分条件所影响。以上研究说明青藏高原多年冻土区植被类型条件越好,地表沉降量越小。因此今后的相关研究需要对植被类型条件差的区域增加更多的关注,因为这些地区易发生地表沉降,导致其生态系统稳定性较差。

青藏高原北麓河地区荒漠草原土壤细菌对热融滑塌的响应

多年冻土区地下冰融化造成的热融滑塌会对土壤理化性质产生一系列影响,进而影响微生物群落结构,但目前热融滑塌对荒漠草原区土壤微生物的影响还不清楚。利用Illumina测序方法,以青藏高原北麓河多年冻土区发生热融滑塌的荒漠草原为研究对象,对3种微地貌(对照区、滑塌区、沉降区)下的土壤细菌展开研究,分析了细菌群落结构及其与环境因子间的关系。结果显示滑塌区和沉降区有机碳含量显著低于对照区,滑塌区土壤含水量最高;放线菌门、变形菌门、绿弯菌门和酸杆菌门是3种微地貌下的优势菌群,对照区细菌群落丰富度显著低于滑塌区。Mantel检验表明,细菌群落结构与土壤理化性质间无显著相关性;非度量多维尺度分析(NMDS)表明,微生物群落结构在3种微地貌下显著不同。研究结果表明,在荒漠草原区,热融滑塌会改变土壤理化性质,影响细菌特定门的微生物相对丰度,但对门水平的整体群落结构影响不显著。

青藏高原东北部青海玉树泥流滑坡特征和成因分析

青藏高原变暖变湿,滑坡灾害频发,严重影响区域工程建设、生态环境和人类生产活动。泥流滑坡和热融滑塌、融冻泥流是季节冻土区和多年冻土区的特殊滑坡类型,形态上相似,很难区分。同时,对青藏高原泥流滑坡灾害关注程度低,研究较少。以青海省玉树州称多县直美村2017年9月7日泥流滑坡事件为例,利用实测数据、多时相遥感影像和无人机数据等多源数据和雷达技术手段进行了调查和分析。研究表明:滑坡发生在坡积扇,主滑段平均厚度约5m,体积约2.4×104m3,滑体的滑动方向和重力作用过程一致,依据滑坡三级分类系统属于堆积土浅层小型牵引式滑坡,其形成和发育与当地地质条件、连续降水和冻融循环作用有关;然后进一步总结泥流滑坡、热融滑塌和融冻泥流的特征,认为玉树滑坡是季节冻土区的泥流滑坡。该研究有助于提高人们对泥流滑坡和青藏高原斜坡灾害的科学认识。

青藏高原可可西里盐湖水位上涨趋势及溃决风险分析

2011年位于可可西里腹地的卓乃湖溃决引起的盐湖水位上涨和面积增大趋势仍在快速发展。遥感资料显示,卓乃湖溃决后,盐湖面积持续增加,从2012年的134.1 km^2一直持续增大到2018年的197.5 km^2,尤其是2016-2018年增加较快,面积增加了42.0 km^2,即平均每年增加14.0 km^2。水位监测数据显示,2016年5月20日至2018年11月11日期间,盐湖水位共上升了8.241 m,年平均上升2.747 m。目前盐湖的面积仅比模拟的溢出面积小19.3~21.1 km^2;湖泊水位仅比分水岭最低处低4.09 m。按照2016-2018年面积和水位变化趋势,预计盐湖将在未来1~2年内可能发生溢水溃决。研究表明:近年来区域降水增加、卓乃湖溃决后地下水释放、上游湖泊出水口可能存在侵蚀扩大导致湖水继续向下输送等原因是导致盐湖水位持续上涨和面积快速增大的主要原因。利用水库溃坝预测分析模型,对盐湖溢水溃决冲沟形成时洪峰流量预测表明,盐湖溢水溃决时将形成巨大的洪峰流量,洪水将对青藏公路、青藏铁路和兰西拉光缆等造成危害,建议尽快开展盐湖潜在的湖水外溢途径地质条件调查,并设计防治措施。

青藏高原近地表土壤不同冻融状态的变化特征及其与气温的关系

近地表层作为陆-气相互作用的重要界面,其土壤的冻融状态可直接或间接的反映陆地表对气候的响应程度。为了探讨青藏高原近地表土壤受气候变化的影响,利用青藏高原87个气象站逐日地表温度资料,结合空间分析技术和数理统计方法,将土壤冻融状态划分为三种状态,即完全冻结状态(CF)、日冻融循环状态(DFT)和完全融化状态(CT),分析青藏高原1980-2015年近地表不同冻融状态的时空变化及其与气温的关系。研究表明:青藏高原近地表土壤不同冻融状态有明显的时空差异。CF集中在11月-翌年2月,约为2 d;DFT主要出现于10月-翌年4月,每年发生约150 d;CT则主要集中于每年3-10月,出现约217 d。空间分布上,CF主要发生在高原东北部;DFT几乎遍布整个高原,且以冷季出现较多;CT与DFT呈现相反的分布特征。多年冻土区,CF和DFT状态变化较显著;而在非多年冻土区,CT状态变化幅度较大。不同冻融状态与月平均气温(Tmair)也有较好的对应关系:CF主要发生在Tmair<0℃的区间,DFT则发生在Tmair≤17℃区间内,而CT主要出现在Tmair>0℃。

青藏高原可可西里卓乃湖溃决出露湖底多年冻土形成过程的监测与模拟

利用可可西里卓乃湖综合监测场获取的气象、地温等数据资料,分析了卓乃湖溃决后出露湖底融区冻土的形成过程。结果表明卓乃湖溃决后的三年时间里,多年冻土下限深度分别达到4.9 m、5.4 m、5.7 m,呈现出不断增长的趋势。利用Lunardini构建的冻土形成过程模型模拟了多年冻土的形成速率和形成过程,并在此基础上初步分析了地表温度和土壤含水量对研究区多年冻土形成速率的影响。模型模拟结果显示研究区多年冻土将继续增长,多年冻土的形成速率呈现先快后慢的增长趋势并最终达到稳定状态。地表温度和土壤含水量是影响多年冻土形成的重要因素。随着温度的降低,多年冻土的形成速率逐渐加快。当地表温度不变时,在多年冻土形成初期,岩土含水量越小,多年冻土的形成速率越快。

基于KNN机器学习方法对青藏高原唐古拉地区表层土壤水热状况的模拟

利用唐古拉站2004—2012年气象观测资料,基于KNN算法,结合机器学习思想,建立了一个气象回归模型,模拟了2005年唐古拉地区表层土壤水热变化趋势,结合实测数据,将模拟值与观测值进行对比,并对模型模拟效果进行了评估。结果表明:KNN模型能够较好地模拟活动层表层土壤水热状况,各层土壤温度的模拟值与观测值的相关系数均在0.99以上,均方根误差在1.25℃以内;不同深度土壤水分的模拟值与观测值的相关系数均在0.95以上,均方根误差在0.02 m^(3)·m^(-3)以内。总体上,KNN模型能够对青藏高原多年冻土区唐古拉地区表层土壤水热状况进行较为精确地模拟,该模型对于青藏高原其他地区的适用性有待进一步研究验证。

未来气候变化条件下青藏高原多年冻土区潜在植被类型面积预估

在青藏高原多年冻土区根据490个植被调查样点数据和3种遥感数据集的27个变量,利用决策树分类模型,模拟出4种代表性浓度路径情景下10个气候系统模式在2050年和2070年的青藏高原高寒草地类型(高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠和裸地)潜在分布结果。同时为保证数据分析的一致性,利用数据对当前高原草地类型也进行了反演。结果表明:相比当前高寒草地分布面积,预计在2050年和2070年裸地和高寒草甸面积微弱减少,高寒草原和高寒荒漠面积在微弱增加,高寒沼泽草甸面积变化不明显。结果在4种代表性浓度路径情景下的表现基本一致,研究不仅可以为高寒草地气候变化研究提供植被类型相关的数据支持,还可以为青藏高原多年冻土区碳循环的探讨提供部分的方法和理论依据。

多年冻土退化下碳、氮和污染物循环研究进展

多年冻土储存了大量的有机碳、氮素以及持久性有机污染物和汞等污染物。全球变暖背景下,目前全球大部分的多年冻土都处于退化状态。多年冻土区土壤温度升高、多年冻土层解冻后,土壤温度水分会发生变化,从而改变微生物的生长代谢过程,进而改变多年冻土区的物质循环。通过综述多年冻土区的碳、氮及污染物的储量及其在多年冻土退化下的迁移转化及输出特征,研究发现:多年冻土退化增加活动层厚度、形成热喀斯特地貌,一方面导致碳基和氮基温室气体快速释放到大气中,另一方面也向水生系统中输出溶解性碳氮组分及可溶性污染物,这些过程会导致多年冻土由碳、氮和污染物储存的“汇”转变为“源”,并最终影响全球生物地球化学循环。明确多年冻土区碳、氮和污染物的生物地球化学循环过程对于全面理解气候变化对自然和人类社会系统的影响具有重要作用。未来研究中,还需要结合多学科技术手段,开展多年冻土退化过程、水文过程与生物化学循环过程的系统集成研究,此外,还需加强汞、POPs等污染物的二次释放过程与碳氮循环的耦合关系研究,定量多年冻土中污染物二次释放的环境效应,以深刻认识多年冻土中物质循环过程并为气候和环境变化提供预测依据。

环北极多年冻土区碳循环研究进展与展望

环北极多年冻土区作为全球碳库的重要组成部分,它以一种独特的方式响应着气候变化。在气候变暖的背景下,冻土中的有机碳将在全球碳循环中扮演着更活跃的角色。为增进对环北极多年冻土区碳循环的认识,分析了近年来北极多年冻土区碳储量和碳迁移状况,以及相关模型在模拟碳循环应用方面的最新进展。目前,对北极多年冻土区碳源/汇的时空分布格局、碳循环过程的关键驱动因子以及碳循环对全球变化的响应等一系列问题尚不能作出完整的、系统性的科学解释。同时,还进一步分析了北极多年冻土区碳循环模拟的三大不确定性因素。基于以上分析,提出未来对北极多年冻土区碳循环的研究还应在典型研究区开展长期的野外系统监测、创新研究方法,深化碳循环机制研究,重视学科交叉以及多模型集成,宏观与微观相结合、多途径与多尺度综合研究。

厦门市陆地生态系统空气负离子服务能力评估

为探讨厦门市陆地生态系统负离子的服务能力及其影响因素,以生态系统产生的有益于人类身心健康的空气负离子个数为表征指标,改进了空气负离子服务评估方法,基于空气负离子监测数据计算了厦门市空气负离子服务功能量,并分析了厦门市空气负离子的时空变化规律及其影响因子.结果表明:厦门市2015年空气负离子服务功能量为1.37×10^25个,单位面积负离子服务功能量为0.8×10^16个m^2.从行政分区来看,同安区空气负离子服务功能量最大,约占厦门市总量的56.5%;从生态系统类型上看,森林生态系统空气负离子服务功能量最大,约占厦门市总量的86.6%.厦门市空气负离子日浓度存在明显的“波峰”与“波谷”,波峰主要分布01:00—07:00之间,波谷主要分布在12:00左右;厦门市空气负离子浓度存在明显的季节性变化特征,夏季生态系统空气负离子平均浓度为2437个cm^3,约为春季的2倍;不同生态系统空气负离子浓度存在明显差异,如森林远大于草地、耕地等生态系统;对于大多数生态系统类型而言,空气负离子浓度主要受到温度和湿度的影响,表现为随着温度的升高而降低、随着湿度的升高而增加.研究显示,厦门市森林生态系统的空气负离子服务能力最强,乔木绿地空气负离子服务能力大于灌木、草本绿地,城市森林、乔木绿地面积越大,为人类提供的空气负离子服务越大.

可可西里卓乃湖溃决后湖区环境变化及盐湖可能的溃决方式

2011年9月卓乃湖溃决后引发的区域沙漠化灾害现象对区域生态环境已经造成了一定影响。同时下游的盐湖在接收洪水后水位持续上涨,对青藏公路工程走廊内管线工程运行安全造成了重大的威胁。本文根据野外考察资料对卓乃湖的溃决过程和溃决后的影响进行了简要分析,并对下游盐湖可能的溃决方式进行了分析。卓乃湖的溃决是由于湖区降水增多导致湖水外溢,冲垮湖堤造成的。卓乃湖溃决后出露湖底成为沙尘暴的策源地,出露湖底和周边草场形成了大面积的沙漠化区域。随着卓乃湖湖水不断排出,洪水对出水口和下游河道进行着持续的冲蚀作用,一方面导致湖底出露面积进一步扩大,湖区沙漠化现象加剧,另一方面导致下游河道侵蚀加深加宽,对区域地形破坏进一步加强。对比卓乃湖区地形条件和水平衡特征,盐湖的溃决方式将与卓乃湖类似,洪水对下游的破坏作用要大于库赛湖区和海丁诺尔湖区。由于盐湖每年可排出的水量大于卓乃湖区,当盐湖溃决后,后期洪水对河道的冲蚀作用要大于卓乃湖区。

青藏公路沿线多年冻土区活动层起始冻融时间的时空变化特征和影响因素

多年冻土区活动层冻融格局对气候系统、能量平衡、水文过程和生态系统有重要的影响,地表冻融时间是反映冻融格局时空变化的重要指标。为了探明多年冻土区活动层起始冻融时间的影响因素和机制,通过对青藏公路沿线8个典型活动层观测场地表起始融化时间(OOT)和起始冻结时间(OOF)进行研究,分析了不同观测场起始冻融时间的时空差异及其影响因素。结果表明:(1)青藏高原多年冻土区活动层起始融化主要发生在4月中下旬,起始冻结主要发生在10月中下旬。OOT的年际变化幅度远大于OOF,每年起始冻结的发生较起始融化更为准时。(2)起始融化发生时的气温普遍比起始冻结发生时高1～4℃。气温对OOT的影响要比对OOF大,其中OOT的变化主要与春季气温有关,冬季气温对其影响不大。(3)植被和土壤水分对OOT和OOF有重要调节作用,土壤含水率越高,植被状况越好,起始融化和冻结的发生时间往往越迟。(4)在起始融化和冻结阶段,厚度较大和持续时间较长的积雪对地温变化有明显的抑制作用,对OOT和OOF有延迟作用。

青藏公路沿线多年冻土区土壤热通量参数化方案的优化和检验

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,其估算方案在研究地表能量平衡研究中必不可少。利用青藏公路沿线5个站点0~20 cm的实测土壤层温、湿度及5 cm土壤热通量资料,以翁笃鸣气候学计算方案为基础建立了优化的5 cm土壤热通量计算方案。通过唐古拉和西大滩两个独立站点的检验结果表明,优化方案的结果相对于原方案有较大的改善,唐古拉和西大滩5 cm土壤热通量均方根误差值分别减小了3.2 W·m^(-2)和4.8 W·m^(-2),而相对误差分别减小了61.9%和36.1%,即新方案能够较好地估算出青藏公路沿线多年冻土区5 cm土壤热通量。使用优化方案模拟了青藏公路沿线11个站点5 cm土壤热通量变化,结果显示,近十年青藏公路沿线土壤热通量呈现出增大的趋势,其中,5 cm土壤热通量增大了近1.0 W·m^(-2),而且各观测场的年平均土壤热通量值均大于0.0 W·m^(-2),表明就年尺度而言,热量有盈余,盈余热量用于加热下层土壤,引起活动层厚度增加,平均状况下土壤热通量每增大1.0 W·m^(-2),活动层厚度增大约21.0 cm。

日本地质调查局生态保护修复举措及其启示

生态保护和修复是生态文明建设的重要抓手,同时也是“美丽中国”和“双碳”目标实现的关键举措,对促进人与自然和谐共生具有重要的理论和现实意义。近年来国外地质调查机构快速转型成为生态保护修复的核心力量,并取得了许多成果,相关经验值得借鉴。本文聚焦日本地质调查局生态保护修复举措,分别从组织机制调整与构建、环境风险系统搭建、中长期战略布局等方面开展了分析,并基于此对我国地质调查工作提出了一些建议,如:重视组织机制建设,理顺生态保护修复机构的相关权责体系;加强连续性的战略规划的设计与部署,分级制定适用于不同层级机构的“长—中—短”期计划举措;加强重点技术攻关,全力提升我国生态修复内生动力;拓展国际合作,积极参与生态保护修复区域性和全球性的计划与项目,提升我国生态保护修复能力和国际影响力。

地铁快速建设期苏州主城区地面沉降时序InSAR分析

为监测地铁快速建设期苏州主城区的地面沉降,采用2010~2020年的TerraSAR-X和Sentinel-1数据,结合水准观测数据,利用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar, PS-InSAR)技术对苏州主城区进行时序分析。结果表明,苏州古城区整体比较平稳,研究区内最大沉降点位于阳山,沉降速率超过-20 mm/a;苏州主城区总体沉降趋势变缓,沉降范围明显缩小,甚至在漕湖东侧和太阳路北出现小面积抬升;受地铁施工影响,邻近地铁的建筑沉降速率明显加快,特别是新建成建筑,其本身的短时荷载沉降与地铁建设开发引起的沉降相叠加,沉降速率达到-10 mm/a以上。

全球和我国多年冻土分布范围和实际面积研究进展

全球变暖会导致多年冻土解冻融化,这不仅对多年冻土区的工程和基础设施产生重要影响,还会改变陆地和大气间能量、水分和碳循环而反馈于气候系统.多年冻土主要分布于地下,其实际分布资料很难获取,因而许多研究对多年冻土区及其实际面积描述不清,进而影响了多年冻土变化和碳循环等研究结果.近年来,随着遥感和模型的发展,多年冻土实际分布取得了一系列的进展.根据国内外的最新结果,对全球和我国多年冻土区及其实际面积进行了综合分析.结果表明,目前北半球多年冻土区面积约为2100万km^(2),多年冻土实际面积约为1400万km^(2).我国青藏高原多年冻土区面积约为150万km^(2),实际多年冻土约为105万km^(2),我国其他地区的多年冻土实际分布还需进一步的研究.

成层软土地基预固结处理后桩基水平承载力估算方法

目前通过对软土地基预加固处理来提高桩基水平承载力已被工程界认可,但如何在工程前期设计过程中估算软土地基预处理后桩基水平承载力提高值仍是技术难点。基于此,参考Bowles[1]的地基土水平抗力计算式,同时考虑成层软土地基预排水固结处理影响,通过数学推导,推求出根据原状软土室内土工试验抗剪强度指标及预加固处理时间,估算软土地基预处理后桩基水平承载力提高值的实用计算方法。考虑桩侧土弹塑性屈服影响,推导出成层软土中水平受荷桩弹塑性解析解及塑性区深度的计算式,给出了桩顶水平位移、桩身最大弯矩的无量纲计算式及相关计算源代码。依托于浙江省某水闸桩基工程案例,根据提出的计算方法对桩基水平承载力、桩顶水平位移及桩身最大弯矩等性状进行预估计算,并与地基预处理前、后现场试桩检测值进行验证对比,认为桩基水平承载力、桩顶水平位移及桩身最大弯矩等预估计算成果与工程现场试桩的检测值较接近,对类似工程设计具有较好的参考价值。