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多年冻土的壮阔美景
发布时间:2021/5/18  阅读次数:624  字体大小: 【】 【】【
多年冻土
覆盖了1/4的陆地
在其之上
往往有着史诗般的风光
像是

壮阔雄浑的高原山地

  
新疆慕士塔格山,山地多年冻土区

苍茫洁白的林海雪原

  
大兴安岭,高纬度大片多年冻土区

色彩斑斓的湿地苔原

  
瑞典萨雷克国家公园,极地冻土区

珍稀生命的高寒绿洲

  
青藏高原可可西里,高原冻土区

极地开拓者的家园

  
格陵兰,极地冻土区

不过多年冻土并非只有美景
它蕴藏着丰富资源
孕育了独特生态、人文
它的变化
很可能在不知不觉间
影响着千里之外
屏幕前的你

多年冻土是什么?

温度在0℃或以下
冻得梆硬的岩土就是冻土
其中分为
气温回暖、压力改变时会解冻的
短时或季节性冻土
以及至少连续冻结两年的
则是多年冻土(permafrost)
又叫永久冻土

  
中国1:400万冰雪冻土图(1988年)
图自国家青藏高原科学数据中心

多年冻土根据冻结的情况
划分为活动层与永冻层
活动层通常冬冻夏融
且富含水分
可能有各种植被生长
永冻层则常年封冻
如果地表水下渗至永冻层的裂隙中
有机会形成冰榭

由于从地表看不到底下的永冻层
就算你到了多年冻土区
也可能根本意识不到

  
冻土结构示意图

随着温度的变化
多年冻土会形成多种独特的地貌
低温环境下
冻土中的水分结冰体积胀大
发生冻胀作用
土层也随之膨胀
土壤、岩石受到向上的挤压
形成冻胀丘、石笋、石林

  
冻胀丘

温度升高时
活动层解冻
发生冻融作用
土壤与融水混合成泥浆状
随地势坡度流动
成了泥河
部分地表土层还可能塌陷成坑
形成热融洼地
如果热融洼地密集
洼内积水
将形成小型沼泽

  
热融洼地

世界各地现存的多年冻土
大多产生自第四纪大冰期*
主要分布在高纬度和高海拔地区
如西伯利亚、大兴安岭、青藏高原、阿拉斯加等地
我国是仅次于俄罗斯、加拿大的
第三大多年冻土国
其中青藏高原的多年冻土达150万平方公里
占我国多年冻土总面积的70%

  
北半球多年冻土分布图

多年冻土上怎么生存?

多年冻土不易开发
再加上光照少或海拔高等因素
物产远不如温、热带丰盛
但绝非一片荒芜
而是有着别样的生机

  
美国阿拉斯加楚克其海岸,爱斯基摩人
冻原上鲜花盛开

北极地区的多年冻土上
广泛分布着垫状草本植物、矮小灌木和耐寒花卉
其中苔藓为多
这种生态系统被称为苔原带或冻原带
在芬兰语中为“无树的平原”之意
植被的地上部分往往低矮
有利于抗风
地下的根、茎部分集中在冻土活动层浅处
能够在短暂的夏季迅速生长、繁殖
在冬季来临时进入休眠

  
冰岛的苔原

生长在冻土上的地衣
是真菌与藻类的共生体
害怕空气污染
但却能够在严峻的自然环境下生长
有“先锋生物”之称
因此在极地有着广泛的分布

  
地衣多生长在冻土、岩石、枯木上

靠着这些能够适应严寒与贫瘠的植被和菌类
生物结构上更高等的人类和动物
也由此找到了它们的生存方式

鹿是多年冻土地带常见的动物
在夏季冰雪融化、万物生长的时节
它们会吃菌类、青草
冬天则挖开覆地白雪
以苔藓、地衣为食

  
鹿是冻土上的“精灵”

无法耕作,也没有大规模的草场
因此冻土上的人驯服了鹿
驯鹿堪称“极地冻土之舟”:
可以作交通运输
肉可以吃
皮毛能制成大衣、靴子、帐篷
古时还以鹿骨制作工具
与“高原之舟”牦牛有一拼
因为驯鹿的存在
萨米族、爱斯基摩人、涅涅茨人等民族
得以在冻土上生存、延续

  
极地民族与驯鹿相依为命

南极大陆则环境更为严峻
大部分覆盖着冰雪
为数不多露出地面的多年冻土
连苔原生态系统都难以发展
但生命仍然走出了一条路:
海豹、企鹅演化出厚厚的皮下脂肪
不指望陆地贫瘠供给食物
而是一头栽进海里
捕食磷虾、鱼蟹为生

  
生活在南极冻土的企鹅

除了冻原
多年冻土上也可能存在茂密的森林
例如大兴安岭地区
属寒温带大陆季风性气候
冬季漫长、寒冷干燥
有着我国主要的非高原连续多年冻土
而且降水量少,植被蒸发较大
地理条件本身不利于森林生长
但是兴安落叶松形成的森林
与冻土形成了密不可分的“共生关系”

  
大兴安岭,冻土上的森林

春季,落叶松的生长需要大量水分
但这一时期的降雨
无法充分满足树木的生长需求
树底下的多年冻土活动层
随着温度升高,逐渐融化
为落叶松的生长提供了充足的水分
夏季,落叶松枝叶繁茂
灌木、苔藓覆盖地面
阻隔了太阳对土壤的辐射
相当于给多年冻土“保冷”
大兴安岭森林的苔藓越是丰富
多年冻土厚度往往越深
地温也比相邻地段低

因此大兴安岭的森林生态
保证了多年冻土的存续
多年冻土又促进了森林的发展

  
大兴安岭森林内的地面到处覆盖着灌木、苔藓

青藏高原日照强烈而充沛
不至于像极地冻土几乎都是苔藓和地衣
但是条件也没有太好
仍然是“无树”、"难以农耕”
不过长满了高寒草甸植物
这些高寒草甸植物通常低矮
根系盘结扎根在冻土的活动层
在地面上形成地毯式的草皮
构成了类型多样的植被群落
为牛羊提供了充沛的食物
因此畜牧(而非农耕)是千百年来
青藏高原人民重要的营生方式

  
青藏高原上的高寒草原

多年冻土与我们命运相连?

开发多年冻土,会遇到种种难题
修筑公路、铁路、输油管
首先要面临活动层时冻时融的问题
例如冻胀丘会把路面拱得凹凸不平
或是使输油管道
沿管道长度方向产生不均匀受力
令管道弯曲、破裂
冻融时发生沉降、塌陷
会令地基出现坑洼
地面设施可能毁于一旦

应对这类问题的一种思路是
给地面降温
例如通过路基的填料和结构
调控对流、辐射、传导
达到降低多年冻土的温度
保证路堤的稳定

  
在青藏高原冻土修筑公路、铁路需要克服许多困难

光是在多年冻土上修筑基建已经困难重重
城市建设、经济发展更是不易
俄罗斯萨哈共和国的首府雅库茨克
有“冰城”之名
是全世界最冷的城市
1月平均气温约为零下40℃
整座城市建在坚如磐石的多年冻土上
为避免活动层冬冻夏融破坏建筑物
房屋地基、木桩必须深扎永冻层内
自来水管道须铺设在地面并设加热站

  
严寒的雅库茨克

格陵兰岛广布冰原、冰川
唯有在海岸露出地面的冻土上建立城市
渔业是当地的主要产业
虽然岛上矿藏丰富
已探明有许多石油、铁矿、稀土、黄金、铀矿等
但由于多年冻土与冰雪造成的困难
迄今开采程度还很有限
岛上所需物资依赖进口
生活成本高昂
每年都要靠丹麦提供大量援助和补贴

不过由于这些多年冻土地区
普遍自然风光很美
观光资源丰富
旅游业是较为可行的一个发展之道

  
渔业、贸易是格陵兰城镇的重要产业

不过比起难开发的问题
如果考虑到多年冻土退化可能产生的危机
说不定还是冻着比较好

基于全球暖化以及部分人为因素
全世界范围都发生了冻土退化
对当地人造成了直接的困扰
极地、高纬度地区以及青藏高原
几十年来,温度的上升相对其他地方更为明显
这种温度的上升
导致土层每年吸热量比散热量多
地温逐年升高
多年冻土层逐渐融化变薄以至消失
也就是所谓冻土退化

冻土退化最直接的影响
会破坏土地稳定性
因而令建筑、设施倒塌损坏
甚至加剧滑坡、塌陷等地质灾害

  
多年冻土融化对建设造成种种危害

冻土退化除了直接影响自身所在地
将可能间接造成全球环境的重大改变
多年冻土中的碳含量很高
据估计,约是大气中的两倍
主要以冰冻植物、其他有机物的形式存在
冻结时,冻土中的有机物不会被分解
如果温度上升,冻土融化
微生物就会分解冻土中的有机物
释放出温室气体
另外还有不少甲烷困在永冻层的冰晶中
更可怕的是会形成恶性循环:

多年冻土融化

温室气体释放增多

全球变暖加剧

多年冻土进一步融化

西伯利亚的巴塔盖卡巨坑
就是多年冻土由于温度升高而形成的热融塌陷
它从20世纪60年代一条小沟壑
成长成今天宽约900米的大坑
过程中释放了温室气体
俄罗斯亚马尔半岛的多年冻土之下
还发生过气体爆炸
在地面炸出大坑
可能是源自在地下深处永冻层的甲烷沉积物
随着永冻层解冻而向上渗出

  
西伯利亚的巴塔盖卡坑形成自热熔塌陷

另一潜在的问题是
科学家已经在高纬度地区的多年冻土中
发现了数十万年前的微生物
多年冻土中封冻的病菌
可能会因冻土退化而释放
对人类造成威胁

2016年夏天
俄罗斯亚马尔涅涅茨自治区爆发炭疽疫情
数十人感染,上千头驯鹿死亡
原因就是多年冻土融化
释放出炭疽杆菌

  
2016年俄罗斯亚马尔涅涅茨,工作人员在对冻土消毒

不止极地、高纬度地区
青藏高原的多年冻土一样发生了退化
甚至发生了冻融荒漠化
这是由于多年冻土的永冻层顶板有隔水作用
使得活动层能蓄积水分
为植物的生长提供水分和养分
随着冻土退化
作为隔水底板的永冻层上限下降甚至消失
使活动层中的水分向深处流失

再加上青藏高原气候寒冷、干旱
寒冻风化作用强烈
地表岩土的冻融过程也因冻土退化加剧
种种因素相加
会造成植被衰退
土壤裸露和破碎
引致荒漠化

  
青藏高原范围及藏西- 藏北荒漠化区位置图,图自<青藏高原冻融荒漠化的若干问题>冰川冻土2005年8月第27期

与此同时
青藏高原多年冻土的活动层增厚
引起地表水分条件改变
而曾被固存在永冻层的地下冰融化
导致更多水分参与到生态系统的水循环中
据初步估计
青藏高原地表下10米内蕴藏的地下冰量
相当于中国冰川冰储量的2到3倍
而青藏高原有“亚洲水塔”之称
在水循环中扮演着重要的角色
青藏高原冻土退化
可能会产生宏观影响
但目前尚不是非常明确
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