多年凍土調(diào)查和監(jiān)測(cè)為青藏高原地球科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)和工程建設(shè)提供科學(xué)支撐

趙 林 吳通華 謝昌衛(wèi) 李 韌 吳曉東 姚濟(jì)敏 岳廣陽(yáng) 肖 瑤

中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境與資源研究院 青藏高原冰凍圈觀測(cè)研究站 格爾木 816000

多年凍土調(diào)查和監(jiān)測(cè)為青藏高原地球科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)和工程建設(shè)提供科學(xué)支撐

趙 林 吳通華 謝昌衛(wèi) 李 韌 吳曉東 姚濟(jì)敏 岳廣陽(yáng) 肖 瑤

中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境與資源研究院 青藏高原冰凍圈觀測(cè)研究站 格爾木 816000

CAS Field Station

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和氣候變暖對(duì)青藏高原影響的日益顯著，多年凍土變化對(duì)生態(tài)、水文、氣候和工程建設(shè)的影響日漸突出，多年凍土的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)和大范圍野外調(diào)查已經(jīng)成為冰凍圈、生態(tài)、水文、氣候和寒區(qū)工程建設(shè)等方面深化研究和解決重大科學(xué)和工程問(wèn)題的重大需求。中科院青藏高原冰凍圈觀測(cè)研究站（簡(jiǎn)稱(chēng)“高原冰凍圈站”）自建站以來(lái)對(duì)青藏高原多年凍土進(jìn)行了長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)測(cè)和大范圍的野外調(diào)查，開(kāi)展了多年凍土水熱狀況的變化機(jī)理、模型模擬和生態(tài)效應(yīng)綜合研究。特別是近年來(lái)在科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院等重大項(xiàng)目支持下，高原冰凍圈站積極開(kāi)展國(guó)內(nèi)外科研合作，規(guī)范了多年凍土野外考察和定位監(jiān)測(cè)的方法，建成了在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的多年凍土綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)地開(kāi)展了高原多年凍土分布、溫度、厚度和地下冰空間分異規(guī)律的定量研究，基于多源數(shù)據(jù)和多模式比對(duì)，發(fā)布了空間分辨率為 1 km 的高原多年凍土溫度、厚度和地下冰的空間格網(wǎng)數(shù)據(jù)?；陂L(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建和改進(jìn)了適合于青藏高原多年凍土的一維熱傳導(dǎo)模式和陸面過(guò)程模式，定量評(píng)價(jià)了過(guò)去 30 年來(lái)高原尺度多年凍土的變化及物理機(jī)制。這些科研成果不僅為青藏鐵路建設(shè)、三江源國(guó)家公園生態(tài)保護(hù)、區(qū)域氣候模擬等問(wèn)題的解決提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也面向國(guó)家需求和國(guó)家重大項(xiàng)目研究，推動(dòng)決策咨詢服務(wù)。有關(guān)青藏高原多年凍土區(qū)植被、生態(tài)和土壤有機(jī)碳氮空間分布的研究成果，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國(guó)際空白，為未來(lái)地球國(guó)際科學(xué)研究計(jì)劃和地球系統(tǒng)模式發(fā)展提供了最為基礎(chǔ)的本底數(shù)據(jù)支撐。

青藏高原，多年凍土，調(diào)查，監(jiān)測(cè)，地下冰，碳循環(huán)

經(jīng)過(guò) 2 億多年間數(shù)次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，青藏高原從平均海拔低于海平面的“特提斯?！敝饾u隆升，成為全球中低緯度地區(qū)海拔最高的高原，氣候也由溫暖濕潤(rùn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎w嚴(yán)寒干旱，多年凍土也隨著海拔的升高和氣候的變冷而逐漸形成。人類(lèi)現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)水平還沒(méi)能確切地給出青藏高原的多年凍土到底是在什么時(shí)候和什么地點(diǎn)開(kāi)始發(fā)育，但距今 2 萬(wàn)多年前的末次冰盛期時(shí)，高原的 85% 地表下發(fā)育著多年凍土，多年凍土面積至少可達(dá) 220 萬(wàn)平方公里[1]。之后，隨著氣候波動(dòng)轉(zhuǎn)暖，到全新世最適宜期時(shí)，高原多年凍土的分布面積退縮到最小范圍。總體而言，自晚更新世以來(lái)，青藏高原多年凍土呈現(xiàn)總體萎縮狀態(tài)?，F(xiàn)有多年凍土的發(fā)育是以高原主體為主，呈現(xiàn)大片連續(xù)狀分布，向周邊山體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛錉畈贿B續(xù)的“鑲邊”模式。高原主體的大片連續(xù)多年凍土的東部從阿尼瑪卿山脈開(kāi)始，一直向西延伸到喜馬拉雅山脈西部和喀喇昆侖山脈西坡；南部從唐古拉山脈南坡開(kāi)始，向北到昆侖山北坡結(jié)束。而“鑲邊”的多年凍土以“帽狀”覆蓋于高原周邊的高山頂部，主要發(fā)育于北部的祁連山脈，東部的阿尼瑪卿山脈和橫斷山脈，南部和西部的念青唐古拉、岡底斯和喜馬拉雅山脈，平面上呈現(xiàn)不連續(xù)和島狀的環(huán)帶狀圍繞在高原主體周邊。

青藏高原以其海拔高、面積大而被稱(chēng)為世界“第三極”，通過(guò)其熱力和機(jī)械強(qiáng)迫作用，對(duì)區(qū)域氣候和全球環(huán)境產(chǎn)生重大影響，是我國(guó)氣候變化的“敏感區(qū)”和“啟動(dòng)區(qū)”，以及全球變化的“驅(qū)動(dòng)機(jī)”和“放大器”。目前，青藏高原多年凍土面積達(dá) 106 萬(wàn)平方公里[2]，是全球中低緯度地區(qū)海拔最高、面積最大的多年凍土分布區(qū)，在世界凍土分布中占有重要的位置[1]。過(guò)去 50 余年來(lái)，青藏高原變暖的趨勢(shì)明顯，升溫趨勢(shì)可能還會(huì)繼續(xù)。青藏高原多年凍土出現(xiàn)溫度升高、活動(dòng)層厚度增厚、范圍萎縮，厚度減薄的趨勢(shì)[3]。這些變化無(wú)疑會(huì)對(duì)多年凍土區(qū)地下冰和有機(jī)碳的形成、存儲(chǔ)環(huán)境，對(duì)多年凍土區(qū)地表的水、土、氣、生等要素間的相互作用關(guān)系產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到區(qū)域水文、生態(tài)乃至全球氣候系統(tǒng)。同時(shí)，這些變化也會(huì)影響到人類(lèi)工程活動(dòng)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。中科院青藏高原冰凍圈觀測(cè)研究站（簡(jiǎn)稱(chēng)“高原冰凍圈站”）的建立主要是著眼于對(duì)多年凍土的獨(dú)特特征、過(guò)程、變化及其影響的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和研究，為青藏高原的地球科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料和提供理論支撐。建站 30 年來(lái)，構(gòu)建了迄今為止世界上最完善的多年凍土監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，取得了大量寶貴的監(jiān)測(cè)和第一手調(diào)查資料，開(kāi)展了多年凍土及與多年凍土相關(guān)的地球系統(tǒng)科學(xué)研究。

1 構(gòu)建了青藏高原多年凍土監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為高原地球系統(tǒng)研究、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和重大工程建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

受高寒、缺氧、交通不便等諸多因素的影響，青藏高原成為全球地球科學(xué)類(lèi)數(shù)據(jù)最為貧乏的地區(qū)之一，而平均海拔高度 4 500 米以上的多年凍土區(qū)的數(shù)據(jù)稀缺程度尤甚，突出表現(xiàn)為各類(lèi)地球系統(tǒng)模式所需要高精度的強(qiáng)迫和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的短缺，這極大地限制了有關(guān)青藏高原地球系統(tǒng)科學(xué)的研究水平。

從1987 年建站到 1997 年的 10 年間，高原冰凍圈站主要通過(guò)橫向生產(chǎn)性項(xiàng)目的支持，在解決當(dāng)?shù)亟煌ú块T(mén)和部隊(duì)建設(shè)的生產(chǎn)實(shí)踐問(wèn)題的同時(shí)，艱難地維護(hù)了沿青藏公路西大灘至五道梁段建立的 4 個(gè)淺層多年凍土溫度監(jiān)測(cè)孔（最大監(jiān)測(cè)深度 30 米）和一個(gè)人工觀測(cè)的邊界層梯度氣象塔[4]，首次取得青藏高原腹面連續(xù)的多年凍土地溫資料。

1990 年到 21 世紀(jì)初，通過(guò)國(guó)際合作項(xiàng)目外方經(jīng)費(fèi)的支持，高原冰凍圈站完成了對(duì)青藏公路沿線 5 個(gè)活動(dòng)層水熱監(jiān)測(cè)場(chǎng)和 3 個(gè)自動(dòng)梯度氣象站的建設(shè)，形成了最初集氣象、活動(dòng)層水熱和多年凍土溫度為一體的多年凍土監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由此所獲得的觀測(cè)資料不僅為青藏公路的維護(hù)和正常使用提供了科學(xué)支撐，也成為后來(lái)青藏鐵路建設(shè)多年凍土路基穩(wěn)定性劃分、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工的主要依據(jù)；同時(shí)也基本滿足了陸面過(guò)程模式單點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)要求，促進(jìn)了高原多年凍土區(qū)地表能水過(guò)程的模擬。

2009 年開(kāi)始，重點(diǎn)依托科技部基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)“青藏高原多年凍土本底調(diào)查”項(xiàng)目，同時(shí)集成中科院和國(guó)家自然科學(xué)基金委各類(lèi)科研和建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持，在完成編纂野外調(diào)查、定位監(jiān)測(cè)方法和規(guī)范[5]的同時(shí)，先后建立了西至喀喇昆侖山，東至阿尼瑪卿山，北自祁連山和阿爾金山北坡，南至岡底斯山南坡范圍內(nèi)，基本覆蓋青藏高原主體的多年凍土監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；更新和完善了 20 世紀(jì) 80—90 年代在新疆烏魯木齊河源和甘肅榆中縣馬銜山建立的多年凍土監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。觀測(cè)區(qū)跨越甘肅、青海、西藏和新疆 4 省份，平均海拔高度 4 500 米以上，觀測(cè)場(chǎng)點(diǎn)達(dá) 130 多個(gè)（圖 1），包括 10 個(gè) 3—4 層梯度綜合氣象站、5 套渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)、20 個(gè)活動(dòng)層水熱觀測(cè)點(diǎn)和 100 個(gè)多年凍土溫度觀測(cè)鉆孔。除多年凍土溫度觀測(cè)孔沒(méi)能完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)觀測(cè)之外，其他觀測(cè)均實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)記錄。觀測(cè)內(nèi)容包括氣象要素、地表能水平衡過(guò)程、活動(dòng)層水熱特征、多年凍土地溫、多年凍土區(qū)溫室氣體排放、土壤碳氮循環(huán)過(guò)程以及與地表生態(tài)、水文環(huán)境相關(guān)的其他要素等，形成了天-地-空一體化的觀測(cè)體系。觀測(cè)站點(diǎn)大多位于之前無(wú)任何觀測(cè)資料的地區(qū)，彌補(bǔ)了高原各類(lèi)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)稀少的不足，極大幅度地提高了觀測(cè)資料對(duì)青藏高原高海拔地區(qū)的覆蓋水平。

高原冰凍圈站的觀測(cè)站點(diǎn)先后成為國(guó)際環(huán)北極活動(dòng)層監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（CALM）、國(guó)際多年凍土地溫觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（GTN-P）和全球冰凍圈觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（GCW）的重要組成部分。高原冰凍圈站的觀測(cè)方法、規(guī)范和觀測(cè)場(chǎng)點(diǎn)被GCW 作為多年凍土觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)向世界推薦。高原冰凍圈站的觀測(cè)資料一年一度在中國(guó)氣象局主編的《中國(guó)氣候變化公報(bào)》以及由美國(guó)和英國(guó)氣象主管部門(mén)主編的《全球氣候公報(bào)》（State of the Climate）上發(fā)布，為青藏高原氣候、水文和生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)研究以及重大工程建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖1 中科院青藏高原冰凍圈觀測(cè)研究站觀測(cè)站點(diǎn)分布圖

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料和典型區(qū)調(diào)查表明，青藏高原地區(qū)的多年凍土大部分屬于年平均地溫高于_1.0℃ 的高溫凍土，平均地溫低于_2.0℃ 的多年凍土僅分布在部分高山區(qū)[3,6]。相對(duì)于低溫凍土，高溫凍土以其升溫變化過(guò)程復(fù)雜，對(duì)區(qū)域環(huán)境和工程建設(shè)影響顯著而受到廣泛關(guān)注。高原冰凍圈站利用連續(xù)的高精度監(jiān)測(cè)資料對(duì)活動(dòng)層和多年凍土本身的水熱動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行了深入分析，首次將活動(dòng)層季節(jié)凍融循環(huán)過(guò)程區(qū)分為 4 個(gè)階段，并對(duì)不同階段的水熱耦合過(guò)程進(jìn)行了全面闡述，深化了對(duì)凍融循環(huán)過(guò)程的理解[7]。大量的地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，多年凍土內(nèi)部熱物理參數(shù)、地溫在垂直方向的分布格局以及地表輸入的能量在不同深度的分配比率均發(fā)生著連續(xù)的變化。凍土的升溫將導(dǎo)致地溫年變化深度和土壤熱擴(kuò)散率的減小，促進(jìn)多年凍土的自上而下退化（活動(dòng)層厚度增大）[6]。這些監(jiān)測(cè)研究成果合理地解釋了青藏高原地區(qū)多年凍土活動(dòng)層增厚明顯而地溫上升緩慢的原因。觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果為青藏鐵路/公路等重大工程建設(shè)提供了強(qiáng)有力的科技支持。

2 完成了對(duì)青藏高原多年凍土的本底特征及其主要影響因子的系統(tǒng)調(diào)查，查明了青藏高原多年凍土及主要環(huán)境背景本底

占據(jù)青藏高原陸面面積一半以上的多年凍土，在高原的氣候、水文和生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)對(duì)于青藏高原多年凍土的研究和認(rèn)識(shí)主要來(lái)源于青藏公路/鐵路沿線、青康公路共和至玉樹(shù)段，而高原其他地區(qū)的調(diào)查和研究基本上處于空白狀態(tài)，極大地限制了有關(guān)高原地球系統(tǒng)科學(xué)的集成研究，也是制約青藏高原生態(tài)屏障建設(shè)方案設(shè)計(jì)、自然資源可持續(xù)利用規(guī)劃和寒區(qū)工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要因素之一。自2009 年開(kāi)始，在科技部基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)“青藏高原多年凍土本底調(diào)查”項(xiàng)目的資助下，高原冰凍圈站開(kāi)始了連續(xù) 5 年的大規(guī)模多年凍土現(xiàn)狀調(diào)查工作，先后以青海興?？h溫泉地區(qū)、曲麻萊縣可可西里無(wú)人區(qū)、雜多縣，西藏改則縣、安多縣，以及新疆阿爾金地區(qū)、西昆侖甜水海地區(qū)等為典型區(qū)，通過(guò)雷達(dá)、電磁、鉆探、土壤剖面和植被樣方乃至無(wú)人機(jī)航拍等手段，對(duì)這些地區(qū)的多年凍土分布邊界、厚度以及地下冰、活動(dòng)層厚度、土壤、植被、氣候、地質(zhì)地貌和多年凍土溫度等方面開(kāi)展了綜合調(diào)查。形成了以 7 個(gè)典型調(diào)查區(qū)為主、2 橫 3 縱調(diào)查線路為輔（圖 2），基本覆蓋青藏高原腹地不同氣候、地質(zhì)和地貌區(qū)域的多年凍土調(diào)查網(wǎng)絡(luò)，首次在高原腹地?zé)o人區(qū)獲取了大量實(shí)地調(diào)查資料；在此基礎(chǔ)上，綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)反演和多模式模擬比對(duì)的方法，編制了空間分辨率為 1 km 的典型調(diào)查區(qū)和高原尺度的多年凍土區(qū)土壤、植被圖[8-11]，極大深化了對(duì)青藏高原腹地土壤、植被等本底資源信息的認(rèn)識(shí)水平。

基于野外調(diào)查資料和站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，高原冰凍圈站深入研究了多年凍土溫度、地下冰、厚度等多年凍土主要特征指標(biāo)與氣候、土壤、植被以及地質(zhì)地貌背景等的關(guān)系，構(gòu)建了多年凍土和活動(dòng)層溫度、厚度的空間分布模型。利用經(jīng)過(guò)基于高原冰凍圈站實(shí)測(cè)資料糾正過(guò)的遙感地表溫度數(shù)據(jù)和新編制的土壤和植被空間數(shù)據(jù)，并且采用 5 個(gè)典型區(qū)、3 個(gè)調(diào)查剖面的多年凍土分布數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，編制了最新的、分辨率最高的“青藏高原多年凍土圖”（圖 3）[2]。此圖不僅給出了高原多年凍土的空間分布特征，也詳細(xì)刻畫(huà)了多年凍土溫度的空間分布信息[12]，認(rèn)為青藏高原多年凍土的實(shí)際分布面積為106萬(wàn)平方公里，多年凍土溫度主要在_2℃—_0.5℃。基于大量實(shí)測(cè)多年凍土厚度資料和多模式比對(duì)研究，高原冰凍圈站完成了青藏高原多年凍土厚度空間分布圖的編制，結(jié)果顯示，青藏高原多年凍土的平均厚度約 39 米，其中高山、丘陵帶為 60—130 米，而寬廣的高平原及河谷地帶為數(shù)米至 60 米；利用遙感地表溫度、土壤調(diào)查數(shù)據(jù)更新了Stefan方程的參數(shù)，對(duì)青藏高原多年凍土活動(dòng)層厚度進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，高原尺度活動(dòng)層的平均值為1.9米，其中 90% 集中于 0.9—2.7 米。同時(shí)，在充分挖掘歷史鉆孔資料的基礎(chǔ)上，高原冰凍圈站開(kāi)展了凍土條件和地質(zhì)、地貌等因素對(duì)地下冰發(fā)育規(guī)律的研究，重新評(píng)估了高原多年凍土層中的地下冰儲(chǔ)量約為 12.7×1012立方米，其中深度在 10 米以上的多年凍土中的地下冰儲(chǔ)量，其值約為 2.2×1012立方米①趙林, 盛煜, 等,編著. 青藏高原多年凍土及變化. 北京：科學(xué)出版社, 待出版。

圖2 青藏高原多年凍土典型調(diào)查區(qū)位置和調(diào)查線路圖

圖3 基于調(diào)查資料重新繪制的青藏高原多年凍土分布圖[14]

3 發(fā)展和改進(jìn)了陸面過(guò)程模型，提出了凍融參數(shù)化方案，模擬了多年凍土分布和變化

高原冰凍圈站多年來(lái)的監(jiān)測(cè)和研究結(jié)果表明，青藏高原多年凍土區(qū)地表能量平衡過(guò)程表現(xiàn)為夏季和秋季潛熱占主導(dǎo)地位，而冬季和春季感熱占主導(dǎo)地位的特征。多年凍土區(qū)活動(dòng)層的凍融過(guò)程和季風(fēng)降水是導(dǎo)致地表蒸發(fā)潛熱較非多年凍土區(qū)大的主要原因[13]，主要表現(xiàn)為每年 4 月中下旬開(kāi)始，活動(dòng)層表層開(kāi)始發(fā)生日凍融循環(huán)；到 5 月中下旬，表層土壤完全融化，融化鋒面之下的凍結(jié)層阻滯了液態(tài)水向下滲透；5 月份之后隨著高原印度季風(fēng)和西風(fēng)的增強(qiáng)，降水增多，表層土壤的含水量較大，增加了地表潛熱的輸出；到 9月活動(dòng)層達(dá)到最大融化深度，印度季風(fēng)和西風(fēng)也基本退出高原，通過(guò)降水補(bǔ)給的地表水分迅速減小，潛熱開(kāi)始減小。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和研究表明，青藏公路沿線可可西里、北麓河、開(kāi)心嶺、通天河等地區(qū)，凍結(jié)狀態(tài)下淺表層土壤導(dǎo)熱率均表現(xiàn)出較融化狀態(tài)下小的特點(diǎn)[14-17]——高原腹地五道梁干寒草原區(qū)淺層土壤非凍結(jié)條件下的導(dǎo)熱率是凍結(jié)條件下的 1.81 倍[18]。非凍結(jié)條件下導(dǎo)熱率與凍結(jié)條件下導(dǎo)熱率比值的大小與下墊面類(lèi)型密切相關(guān)，該比值在荒漠草原最大，退化草甸次之，草甸較小[17]?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，高原冰凍圈站的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地獲得了青藏高原土壤飽和度、孔隙度、含冰量等重要而難以測(cè)定的動(dòng)態(tài)參數(shù)，并研究了諸熱力特征參數(shù)變化的物理機(jī)制，初步建立高原地區(qū)典型地段的土壤熱參數(shù)統(tǒng)計(jì)模型，為較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)青藏高原氣候與凍土變化趨勢(shì)及速度提供了熱力學(xué)參數(shù)。

為深入探討氣候變化對(duì)青藏高原多年凍土的影響，高原冰凍圈站依托大氣-植被-多年凍土綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)地觀測(cè)結(jié)果對(duì) SHAW、CoLM、NOAH、SIB2 和 CoupModel 等陸面過(guò)程模式中土壤未凍水含量、熱物理特性、地表粗糙度、反照率等參數(shù)化方案進(jìn)行了系列改進(jìn)，并針對(duì)多年凍土的特點(diǎn)，把模擬深度由 2—4 米擴(kuò)展到 15—17 米，改進(jìn)后的模型能夠較好地模擬青藏高原多年凍土活動(dòng)層水熱過(guò)程及地氣能水交換過(guò)程[16,19-21]；隨后，利用改進(jìn)后的模式模擬了過(guò)去 30 年來(lái)整個(gè)青藏高原凍土空間分布變化的時(shí)間序列。結(jié)果表明，青藏高原多年凍土面積縮減速度滯后于氣候變暖的速率，這與沿青藏公路沿線的實(shí)測(cè)結(jié)果一致（圖 4）[11]。

圖4 模擬的青藏高原多年凍土分布圖[11]

4 定量評(píng)估了青藏高原多年凍土區(qū)碳的源匯效應(yīng)

為查明青藏高原多年凍土區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)的儲(chǔ)量和源匯效應(yīng)，自 2003 年開(kāi)始，高原冰凍圈站在青藏高原多年凍土區(qū)展開(kāi)了較大范圍的土壤有機(jī)碳分布和組成調(diào)查及研究，系統(tǒng)分析了土壤有機(jī)碳、氮與土壤質(zhì)地、土壤理化性質(zhì)以及相關(guān)氣候、植被、地質(zhì)、地貌等因素間的關(guān)系，發(fā)表了系列研究成果[22-29]。通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模擬等手段第一次給出了土壤剖面中不同深度（0.5 米、1 米和 2 米）的有機(jī)碳密度的空間分布網(wǎng)格數(shù)據(jù)（圖 5）②趙林, 盛煜, 等,編著. 青藏高原多年凍土及變化. 北京：科學(xué)出版社, 待出版，結(jié)果顯示，青藏高原多年凍土區(qū)表層 2 米深度內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為 25.37 Pg（1 Pg=1015g），總氮儲(chǔ)量為 2.40 Pg。在青藏高原西部干旱地區(qū)，多年凍土和非多年凍土區(qū)土壤碳、氮的含量差異不顯著[24]，但是多年凍土區(qū)的土壤碳氮比高于非多年凍土區(qū)[25]。在青藏高原東部，沼澤草甸的土壤碳、氮和養(yǎng)分含量最高[26,27]。整體上，降雨的差異是導(dǎo)致青藏高原東西部土壤中有機(jī)碳含量和總氮差異的主要原因；而在局地范圍內(nèi)，土壤碳、氮含量的決定因素是土壤質(zhì)地和活動(dòng)層厚度[28]。

圖5 基于調(diào)查資料繪制的青藏高原多年凍土區(qū)土壤有機(jī)碳分層密度分布圖

研究表明，土壤有機(jī)碳中活性碳組分的含量隨土壤水熱條件變化而發(fā)生著明顯的季節(jié)變化，非多年凍土區(qū)表層土壤中酶的活性要較多年凍土區(qū)強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)的循環(huán)強(qiáng)度也比多年凍土區(qū)大；土壤微生物群落組成也與有機(jī)碳含量和土壤的酸堿性密切相關(guān)。這說(shuō)明在氣候變暖背景下，伴隨著土壤升溫，活動(dòng)層增厚和表層土壤水分含量的減少，有機(jī)碳的分解和溫室氣體排放的潛力較大[30-35]，非多年凍土區(qū)的酶活性較強(qiáng)，表明有機(jī)質(zhì)的循環(huán)強(qiáng)度比多年凍土區(qū)大[34]。

多年凍土區(qū)碳通量和循環(huán)過(guò)程的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，青藏高原多年凍土區(qū)目前主要表現(xiàn)為弱的碳匯，土壤呼吸與活動(dòng)層厚度密切相關(guān)，活動(dòng)層較厚地區(qū)植被的生物量較小，但土壤呼吸仍然很高[36]，即使是在非多年凍土區(qū)，土壤呼吸速率同樣較高，這表明多年凍土退化后可能加速土壤有機(jī)碳的分解[37]。熱融滑塌是多年凍土退化的典型冰緣現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，熱融滑塌可以促進(jìn)表層土壤由碳匯向碳源轉(zhuǎn)變，而土壤甲烷的排放量卻表現(xiàn)出減小趨勢(shì)[38]。

5 結(jié)語(yǔ)

中科院青藏高原冰凍圈綜合觀測(cè)研究站建站30年來(lái)，圍繞青藏高原冰凍圈系統(tǒng)各要素的變化、機(jī)理及影響等方面開(kāi)展了長(zhǎng)期、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)研究，承擔(dān)了大量的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，通過(guò)一系列項(xiàng)目的實(shí)施，構(gòu)建了迄今為止國(guó)際上最完善的多年凍土監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，取得了豐富的監(jiān)測(cè)和第一手調(diào)查資料。高原冰凍圈站的大部分觀測(cè)站點(diǎn)位于自然條件惡劣的無(wú)人區(qū)，定位監(jiān)測(cè)獲取的氣象數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了這些地區(qū)氣候環(huán)境資料空白，成為高原上開(kāi)展相關(guān)研究的第一手資料?；趯?shí)測(cè)資料，首次給出了包含以往數(shù)據(jù)空白區(qū)的青藏高原地區(qū)多年凍土的分布格局，首次繪制了基于美國(guó)土壤分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的青藏高原地區(qū)土壤分類(lèi)圖，給出了青藏高原地區(qū)植被分布圖，并估算了青藏高原多年凍土區(qū)地下冰儲(chǔ)量及多年凍土區(qū)土壤有機(jī)碳含量。系統(tǒng)研究了多年凍土區(qū)凍融循環(huán)過(guò)程的不同階段活動(dòng)層土壤的水熱動(dòng)態(tài)變化機(jī)制；并在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)了經(jīng)典的凍土模式，量化了凍融過(guò)程中非相變熱，確定了青藏高原陸面 Bowen 比出現(xiàn)負(fù)值時(shí)積雪厚度的閾值，發(fā)現(xiàn)了活動(dòng)層凍結(jié)條件下導(dǎo)熱率較小的反常現(xiàn)象。相關(guān)的研究結(jié)果為三江源自然環(huán)境保護(hù)、青藏高速公路、部隊(duì)建設(shè)提供服務(wù)，為青藏高原的地球科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料和提供理論支撐。

高原冰凍圈站的研究結(jié)果得到了國(guó)際同行的認(rèn)可。自2011 開(kāi)始，青藏高原多年凍土變化研究成果連續(xù) 7 次在《全球氣候公報(bào)》（State of the Climate）上發(fā)布；并于每年 7/8 月，在《美國(guó)氣象學(xué)會(huì)通報(bào)》（Bulletin of the American Meteorological Society）以特輯形式發(fā)表。改進(jìn)的凍土模式作為子模塊被加拿大的寒區(qū)水文模型 CRHM 使用，同時(shí)研究結(jié)果被政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）多次引用。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)也被納入了全球多年凍土地溫監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（GTN-P）、環(huán)北極活動(dòng)層監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（CALM）和世界氣象組織的全球冰凍圈監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（WMO-GCW）重要組成部分和標(biāo)準(zhǔn)野外站。另外，高原冰凍圈站有機(jī)碳氮調(diào)查結(jié)果和凍土區(qū)碳排放的研究結(jié)果，為深入分析多年凍土變化對(duì)全球氣候變化的反饋?zhàn)饔锰峁┝俗C據(jù)。

毫無(wú)疑問(wèn)，高原冰凍圈站已經(jīng)成為青藏高原多年凍土和冰凍圈環(huán)境相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要生產(chǎn)基地、全球多年凍土研究的野外基地以及冰凍圈科學(xué)人才的培養(yǎng)基地，已在國(guó)際上產(chǎn)生了廣泛的影響。目前，高原冰凍圈站正在完善冰凍圈研究體系和觀測(cè)體系，補(bǔ)充無(wú)人區(qū)的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)無(wú)人機(jī)的區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)注重人才的培養(yǎng)和人員的培訓(xùn)工作，嚴(yán)格規(guī)范管理，以期更進(jìn)一步提高站上科研人員的科研能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新能力，以及野外科研平臺(tái)的管理能力，努力建成國(guó)際一流的多年凍土觀測(cè)及研究平臺(tái)。

1 周幼吾, 郭東信, 邱國(guó)慶, 等. 中國(guó)凍土. 北京: 科學(xué)出版社,2000: 40-45, 366-386.

2 Zou D F, Zhao L, Sheng Y, et al. A New Map of the Permafrost Distribution on the Tibetan Plateau. The Cryosphere, Discuss,https://doi.org/10.5194/tc-2016-187, in review, 2016.

3 Zhao L, Wu Q, Marchenko S S, et al. Thermal state of permafrost and active layer in Central Asia during the International Polar Year.Permafrost and Periglacial Processes, 2010, 21(2): 198-207.

4 趙林, 郭東信, 李述訓(xùn). 青藏高原綜合觀測(cè)研究站的回顧與展望. 冰川凍土, 1998, 20(3): 288-293.

5 趙林, 盛煜. 多年凍土調(diào)查手冊(cè). 北京: 科學(xué)出版社, 2015.

6 Xie C W, Gough W A, Zhao L, et al. Temperature-dependent adjustments of the permafrost thermal profiles on the Qinghai-Tibet Plateau, China. Arctic Antarctic & Alpine Research, 2015,47(4): 719-728.

7 趙林, 程國(guó)棟. 青藏高原五道梁附近多年凍土活動(dòng)層凍結(jié)和融化過(guò)程. 科學(xué)通報(bào), 2000, 45(11): 1205-1211.

8 Wang Z, Wang Q, Zhao L, et al. Mapping the vegetation distribution of the permafrost zone on the Qinghai-Tibet Plateau.Journal of Mountain Science, 2016, 13(6): 1035-1046.

9 Li W, Zhao L, Wu X, et al. Distribution of soils and landform relationships in permafrost regions of the western Qinghai-Xizang(Tibetan) Plateau, China. Soil Science, 2014, 179(7): 348-357.

10 Li W, Zhao L, Wu X, et al. Soil distribution modeling using inductive learning in the eastern part of permafrost regions in Qinghai-Xizang (Tibetan) Plateau. Catena, 2015, 126: 98-104.

11 Wang Z, Wang Q, Wu X, et al. Vegetation changes in the permafrost regions of the Qinghai-Tibetan Plateau from 1982-2012: Different responses related to geographical locations and vegetation types in high-altitude areas. PloS One, 2017, 12(1): e0169732.

12 Zhao S P, Nan Z T, Huang Y B, et al. The application and evaluation of simple permafrost distribution models on the Qinghai-Tibet Plateau. Permafrost and Periglacial Processes, 2017,28(2): 391-404.

13 Yao J, Zhao L, Gu L, et al. The surface energy budget in the permafrost region of the Tibetan Plateau. Atmospheric Research,2011, 102(4): 394-407.

14 李韌, 趙林, 丁永建, 等. 青藏高原北部活動(dòng)層土壤熱力特性的研究. 地球物理學(xué)報(bào), 2010, 53(5): 1060-1072.

15 李韌, 趙林, 丁永建, 等. 青藏高原北部不同下墊面土壤熱力特性研究. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2013, 34(6): 1076-1084.

16 Li R, Zhao L, Wu T, et al. Investigating soil thermodynamic parameters of the active layer on the northern Qinghai-Tibetan Plateau. Environmental Earth Sciences, 2014, 71(2): 709-722.

17 Li R, Wu T H, Zhao L, et al. Investigation on the soil thermal conductivity of different land surface patterns in the northern Qinghai-Tibetan Plateau, China. GEO Quebec, 2015, 548: 1-7.

18 李韌, 季國(guó)良, 李述訓(xùn), 等. 五道梁地區(qū)土壤熱狀況的討論. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2005, 26(3): 299-303.

19 Chen H, Nan Z, Zhao L, et al. Noah modelling of the permafrost distribution and characteristics in the West Kunlun Area, Qinghai-Tibet Plateau, China. Permafrost and Periglacial Processes, 2015,26(2): 160-174.

20 Hu G J, Zhao L, Wu X D, et al. Modeling permafrost properties in the Qinghai-Xizang (Tibet) Plateau. Science China Earth Sciences,2015, 58(12): 2309-2326.

21 Xiao Y, Zhao L, Dai Y, et al. Representing permafrost properties in CoLM for the Qinghai-Xizang (Tibetan) Plateau. Cold Regions Science and Technology, 2013, 87: 68-77.

22 劉楊, 趙林, 李韌, 等. 基于SHAW模型的青藏高原唐古拉地區(qū)活動(dòng)層土壤水熱特征模擬.冰川凍土, 2013, 35(2): 280-290.

23 Wu X, Fang H, Zhao Y, et al. A conceptual model of the controlling factors of soil organic carbon and nitrogen densities in a permafrost-affected region on the eastern Qinghai-Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2017,122(7): 1705-1717.

24 Wu X, Zhao L, Chen M, et al. Soil organic carbon and its relationship to vegetation communities and soil properties in permafrost areas of the central western Qinghai-Tibet Plateau,China. Permafrost and Periglacial Processes, 2012, 23(2): 162-169.25 Wu X, Zhao L, Fang H, et al. Environmental controls on soil organic carbon and nitrogen stocks in the high-altitude arid western Qinghai-Tibetan Plateau permafrost region. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2016, 121(1): 176-187.

26 Hu G, Fang H, Liu G, et al. Soil carbon and nitrogen in the active layers of the permafrost regions in the Three Rivers’ Headstream.Environmental Earth Sciences, 2014, 72(12): 5113-5122.

27 Tian L, Zhao L, Wu X, et al. Vertical patterns and controls of soil nutrients in alpine grassland: Implications for nutrient uptake.Science of the Total Environment, 2017, 607: 855-864.

28 Wu X, Zhao L, Hu G, et al. Permafrost and land cover as controlling factors for light fraction organic matter on the southern Qinghai-Tibetan Plateau. Science of the Total Environment, 2018,613: 1165-1174.

29 Wu X, Zhao L, Wu T, et al. Observation of CO2degassing in Tianshuihai Lake basin of the Qinghai-Tibetan Plateau.Environmental Earth Sciences, 2013, 68(3): 865-870.

30 Wu X, Fang H, Zhao L, et al. Mineralisation and changes in the fractions of soil organic matter in soils of the permafrost region, Qinghai-Tibet Plateau, China. Permafrost and Periglacial Processes, 2014, 25(1): 35-44.

31 Shang W, Zhao L, Wu X, et al. Soil organic matter fractions under different vegetation types in permafrost regions along the Qinghai-Tibet Highway, north of Kunlun Mountains, China. Journal of Mountain Science, 2015, 12(4): 1010-1024.

32 Shang W, Wu X, Zhao L, et al. Seasonal variations in labile soil organic matter fractions in permafrost soils with different vegetation types in the central Qinghai-Tibet Plateau. Catena,2016, 137: 670-678.

33 Wu X D, Zhao L, Fang H B, et al. Soil enzyme activities in permafrost regions of the western Qinghai-Tibetan Plateau. Soil Science Society of America Journal, 2012, 76(4): 1280-1289.

34 Xu H, Wu X, Zhao L, et al. Changes in soil enzyme activities under different vegetation types of the northern fringe of the permafrost regions in the Qinghai-Tibetan Plateau. Fresenius Environmental Bulletin, 2015, 24(12 C): 4720-4728.

35 Wu X, Xu H, Liu G, et al. Bacterial communities in the upper soil layers in the permafrost regions on the Qinghai-Tibetan Plateau.Applied Soil Ecology, 2017, 120: 81-88.

36 Mu C C, Zhang T, Zhao Q, et al. Permafrost affects carbon exchange and its response to experimental warming on the northern Qinghai-Tibetan Plateau. Agricultural and Forest Meteorology, 2017, 247: 252-259.

37 Mu C C, Abbott B W, Zhao Q, et al. Permafrost collapse shifts alpine tundra to a carbon source but reduces N2O and CH4release on the northern Qinghai‐Tibetan Plateau. Geophysical Research Letters, 2017, 44: 8945-8952.

38 Mu C C, Abbott B W, Wu X D, et al. Thaw depth determines dissolved organic carbon concentration and biodegradability on the northern Qinghai‐Tibetan Plateau. Geophysical Research Letters,2017, 44. https://doi.org/10.1002/2017GL075067.

Support Geoscience Research, Environmental Management, and Engineering Construction with Investigation and Monitoring on Permafrost in the Qinghai-Tibet Plateau, China

Zhao Lin Wu Tonghua Xie Changwei Li Ren Wu Xiaodong Yao Jimin Yue Guangyang Xiao Yao
（The Cryosphere Research Station on Qinghai-Xizang Plateau, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences, Golmud 816000, China）

Due to the climate warming and the implementation of China’s western development strategy, the variation in permafrost has increasingly and significantly influenced the ecology, hydrology, climate, and engineering construction on the Qinghai-Tibet Plateau(QTP) during the past decades. Long-term in-situ monitoring and large-scale field investigation on permafrost have become a major demand for addressing key scientific and engineering issues in the cryosphere, ecology, hydrology, climate, and engineering construction in cold regions. Since the Cryosphere Research Station on Qinghai-Xizang Plateau of Chinese Academy of Sciences was established in 1987, we have conducted long-term continuous monitoring and large-scale field investigations on permafrost of the QTP, and thus synthetically studied the mechanisms of the change in hydrothermal conditions of permafrost and their simulations and ecological effects.Under the support of major programs funded by the Ministry of Science and Technology, the National Natural Science Foundation of China, and Chinese Academy of Sciences, we carried out many international cooperations actively and standardized the approaches of in-situ monitoring and field investigation on permafrost, and thus established the monitoring network of permafrost which is in the leading position around the world. We also quantitatively studied the spatial distribution, ground temperatures, thickness, and ground ice of permafrost on the QTP. By comparing the multi-source dataset and multi-models, we released the spatial grid dataset of ground temperatures, thickness, and ground ice of permafrost on the QTP with a spatial resolution of 1 km×1 km. Furthermore, based on the long-term monitoring dataset, we developed and improved the one-dimensional model of heat conduction and land-surface-process model for applying to the Tibetan permafrost, and thereby quantitatively estimated the variation of permafrost and its physical mechanisms on the QTP during the last three decades. Those results not only provide a basic-data support for the construction of the Qinghai-Tibet Railway, the environmental protection of the Three-River Source national park, and the regional simulation of climate but also promote decision-making services for national demands and major scientific programs. Moreover, the spatial distributions of vegetation types,soil types, and soil organic carbon and nitrogen in the permafrost regions of the QTP also fill the gaps in those aspects and provide the basic-data support for the global research programs of the future Earth and the development of the Earth system models.

Qinghai-Tibet Plateau (QTP), permafrost, investigation, monitoring, ground ice, carbon cycle

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.10.015

*資助項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2013CBA 01803）

修改稿收到日期：2017年10月12日

趙 林 中科院西北生態(tài)環(huán)境與資源院（籌）研究員，中科院青藏高原冰凍圈觀測(cè)研究站（藏北高原冰凍圈國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站）站長(zhǎng)、冰凍圈與全球變化研究室副主任，中國(guó)地理學(xué)會(huì)冰川凍土分會(huì)理事、冰凍圈學(xué)會(huì)理事、“青藏高原研究會(huì)”常務(wù)理事、“第四紀(jì)研究會(huì)”理事。發(fā)表論文 130 余篇，其中 SCI 收錄刊物 60 余篇，作為主筆完成專(zhuān)著 2 部；參與編寫(xiě)專(zhuān)著 5 部。政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第四、五次評(píng)估報(bào)告第一工作組貢獻(xiàn)作者，獲“中國(guó)最美野外科技人員”稱(chēng)號(hào)。曾主持國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重點(diǎn)、面上項(xiàng)目，科技部國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)項(xiàng)目，科技部基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目，科技部國(guó)家基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目課題，以及中科院重點(diǎn)項(xiàng)目等。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：構(gòu)建了青藏高原多年凍土監(jiān)測(cè)網(wǎng)；查明了青藏高原多年凍土、地下冰、土壤和植被及土壤有機(jī)碳、氮的空間分布規(guī)律，完成了多年凍土空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)；揭示了中亞高海拔多年凍土的空間變化規(guī)律；闡明了凍融過(guò)程中活動(dòng)層水熱耦合過(guò)程、土壤碳氮生物地球化學(xué)過(guò)程及其主要物理機(jī)制；基于陸面過(guò)程模式和多年凍土模式，預(yù)估了氣候變化背景下青藏高原多年凍土的變化及其氣候效應(yīng)。E-mail: linzhao@lzb.ac.cn

Zhao Lin Research Professor of the Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences (CAS); director of the Cryosphere Research Station on the Qinghai-Xizang Plateau, CAS; deputy director of the Research Laboratory of Cryosphere and Global Change,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, CAS; board of directors at the Chinese Society of Glaciology and Geocryology, the Chinese Society of Cryosphere Science, the China Society on Tibet Plateau, and the Chinese Association for Quaternary Research. He has more than 130 scientific publications, including approximate 60 journal papers indexed by the SCI and 7 monographs or book chapters. He was a contributor author of the Working Group I of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth and Fifth Assessment Reports, and was awarded the national outstanding field-scientific and technological workers, the Ministry of Science and Technology. His major contributions include: establishing the monitoring network of permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau (QTP), ascertaining the spatial distributions of permafrost, ground ice, soil types,vegetation types, soil organic carbon, and soil total nitrogen on the QTP, building the spatial database of permafrost on the QTP, revealing the spatial variation of permafrost in the high-altitude regions of the central Asia, elucidating the hydrothermal coupling and biogeochemical processes of the active layer thickness during the freezing and thawing processes and their physical mechanisms, and predicting the variation of the QTP permafrost and its potential feedback to climate change based on the land-surface-process models and permafrost models. These key findings were founded by the State Key Programs and General Projects of the National Natural Science Foundation of China, the Special Program for Key Basic Research of the Ministry of Science and Technology, China, the National Key Basic Research of the Ministry of Science and Technology, China, the Key Program of CAS, and the National R&D Infrastructure and Facility Development Program of China. E-mail: linzhao@lzb.ac.cn