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冻土

冻土

冻土是（外文名：frozen soil）指零摄氏度以下，并含有各种冰的各种岩石和土壤，它是一种对温度较为敏感的土地介质，含有丰富的地下冰，因此冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度，可分为暂时性冻土、季节性冻土以及多年冻土三类。

冻土的形成受气候条件、植被条件、地形、母质条件的影响，其成土过程以物理风化为主，且成土年龄短，处处呈现出原始土壤形成阶段的特征。全球冻土的分布，具有明显的纬度和垂直地带性规律，自高纬度向中纬度地区，由连续多年冻土带过渡为不连续多年冻土带、季节冻土带；多年冻土主要分布在北半球的高纬度和高海拔地区。中国是世界上第三多年冻土大国，仅次于俄罗斯和加拿大，中国的青藏高原是世界上低纬度地带海拔最高、面积最大的多年冻土分布区。

冻土能储存淡水资源、影响农业生产。多年冻土层中的冻融作用会形成石海、冰丘、冰椎、融冻泥流阶地等独特的冰缘地貌景观；同时，冻土的冻融作用对全球气候、水文循环以及生物栖息地均会产生影响。

成土

成土条件

冻土分布区的环境条件存在差异，但气温需要常年处于0℃以下，因为土壤或岩石需要长期处于0℃以下的负温环境，才能保持冻结状态。这主要受纬度和高度的控制，高纬度和高海拔地区更有利于冻土的形成。如：冰沼土分布区属冻原气候，大部分地面被雪原和冰川所覆盖，年平均温在0℃以下，一般都在-10℃至-17℃，冬季气温可低至-40℃，甚至-55℃，夏季温度也很低，7月份平均温度不超过10℃，全年结冰日长达240天以上。

由于冻土区气候严寒，植被是以青苔、地衣为主组成的苔原植被，草本植物和灌木很少，常见的植物有：石楠属、北极兰浆果、蓝花楹等开花植物，南缘有云杉、落叶松、桦、银白杨、柳、山梣等，生长缓慢，矮小症且畸形，各种植物的年生长量均不大，苔原地带每年有机质的增长量为400公斤/公顷，是世界各自然地带中最少的。

冻土发育的地区，因刚脱离冰川覆盖不久，冰川地形保持得相当完整。冻漠土分布区的地形主要是陡峭的山坡，角锋、刃脊、第四纪和近代冰川所形成的冰斗和冰碛垅堤，宽谷，湖盆的湖积平原等。成土母质的差异较大，加拿大、西伯利亚地盾区是前寒武系基岩。其他地区有古生代各种大理石、石英砂岩、板岩、中生代的灰岩、红色钙质砂泥岩及近代泥砾和冲积物，残积物，冰碛物，冰水沉积物等。

成土过程

冻土形成以物理风化为主，进程十分缓慢，只有冻融交替时才稍为显著，生物、化学风化作用亦非常微弱，元素迁移不明显，粘粒含量少，普遍存在着粗骨性。高山冻漠土粘粒的氧化钾（K2O）含量很高，可达50克/每千克，说明脱钾不深，矿物处于初期风化阶段。冻土区普遍存在不同深度的永冻层，如：湿冻土分布区、干旱冻土分布区、极地冰沼土区。冻土成土年龄短，处处呈现出原始土壤形成阶段的特征。

分类及特征

根据冻结的持续时间划分

指受天气变化影响，暂时冻住，不久便融化的土壤或疏松岩石层，其特征为受天气变化影响较大，气温回暖便会融化。

指冬季冻结、春季融化的土壤或疏松岩石层，其冻土层深度由自然地理条件和土壤物理特性等因素决定，其特征为季节性交替融化。

多年冻土又称“永久冻土”（permafrost），是指在0℃和0℃以下（年均气温\u003c-2℃），持续3年或3年以上的冻结不融的土壤和疏松岩石。如果多年冻土在水平方向上的分布是大片的、连续的、无融区存在的称为整体多年冻土；如果多年冻土在水平方向上的分布是分离的、中间被融区间隔的称为非整体多年冻土。

根据地理分布划分

冰沼土因其是冻原地带的代表性植物，又称“苔原土”。它分布于极地冻原气候区和黑龙江省北部，通常处于湿润状态，土层较浅的土壤或疏松岩石层。

冻漠土包括高寒荒漠土和高寒冻土，土壤比较干燥，其特征为表层土色较浅，表层砾石较多。

分布

全球冻土的分布具有明显的纬度和垂直地带性规律。自高纬度向中纬度，多年冻土埋深逐渐增加，厚度不断减小，年平均地温相应升高，由连续多年冻土带过渡为不连续多年冻土带、季节冻土带。极地区域冻土出露地表，厚达千米以上，年平均地温-15℃；到北纬60°附近，冻土厚度百米左右，地温升至-3℃～-5℃；至北纬约48°（冻土分布南界），冻土厚仅数米，地温接近0℃。

全球冻土分布

多年冻土主要分布在北半球的高纬度和高海拔地区。南半球的高山地区如夏威夷的莫纳克亚山、非洲的乞力马扎罗山、新西兰的南阿尔卑斯山、南美安第斯山等地区也有多年冻土。在南极洲，裸露的地表大约仅占0.3%，这些地方全部都有多年冻土。主要冻土区普遍气候严寒干燥，土壤结构粗糙，含冰量高，生物多样性较低，以耐寒适应性强的植被和动物为主。气候变暖正在加剧这些区域的冻土退化，给当地生态环境带来严重威胁。

南极冰盖以下可能也有多年冻土，但由于冰盖厚度达数千米，目前研究还很困难。由于南半球的多年冻土分布范围较小，多年冻土的研究主要关注北半球地区。北半球实际多年冻士面积在1221万平方千米到1698万平方千米，占北半球地表面积的12.8%~17.8%。

北极圈和亚北极地区的土壤结构主要为主要为冰沼土，该地区气候呈现严寒干燥，年平均气温低于-10°C，夏季短暂，冬季漫长的特征。该地区冻土含有大量冰晶，土层浅薄，多边形裂缝发育；植物以冻原植被为主，包括地衣、苔藓植物、矮生灌木，动物以驯鹿、北极狐、雪貂等为主。

高寒山地冻土区(如青藏高原)主要为高山冻漠土，该地区气候为高原型大陆性气候，干燥寒冷，年平均气温-4°C至-12°C。该地区冻土土层薄，粗骨性强，粘粒含量少，多边形裂缝发育；植物以高寒草甸、高寒灌丛为主，动物以藏羚、岩羊、雪豹等为主。

西伯利亚地区多年冻土区气候为大陆性气候，严寒干燥，年平均气温-10°C至-15°C，冬季可达-40°C；土壤结构为主要为冻土，含有大量地下冰，多年冻土厚度可达500米；植物以针叶林、落叶林为主，动物以驯鹿、棕熊、狼等为主。

中国冻土分布

中国是世界上第三多年冻土大国，仅次于俄罗斯和加拿大，中国多年冻土面积为215万平方千米，占国土面积的22.3%。其中高海拔多年冻土分布在青藏高原、天山、阿尔泰共和国山和祁连山脉地区，面积为172万平方千米，其余为高纬度多年冻土，主要分布在东北地区。东北地区多年冻土的范围和实际面积的估算结果差异很大，甚至同一研究者采用不同方法得到的结果差异都很大。其中有报道明确指出，季节冻土主要分布在长江流域以北、东北多年冻土南界（最南部的纬度线）和高海拔多年冻土下界以下的广大地区，面积514x104平方千米。

中国青藏高原是世界上最大的中低纬度多年冻土分布区。青藏高原平均海拔超过了4000米，因而发育有大量的多年冻土，青藏高原多年冻土对区域水分和能量循环、生态环境保护、畜牧业发展、重大工程建设和碳循环方面都有重要的意义。当前青藏高原多年冻土区的范围约为150万平方千米，多年冻土的实际面积约为105万平方千米。

影响

冻土状态下的影响

冻土层内储存了大量淡水资源，对维持高原植物生长和全球生态平衡至关重要。

冻土的冻融作用会改变土壤水分和物理性质，影响作物播种时间、发芽率和生长周期。但冻土也有利于减缓土壤含水量消退，有利于干旱区农作物生长。

多年冻土层中的冻融作用会形成石海、冰丘、冰椎、融冻泥流阶地等独特的冰缘地貌景观。

冻土的冻融会导致体积变化和应力产生，影响建筑物和基础设施的稳定性，如青藏铁路需设置特殊装置以适应冻土变化。

冻土结冻早融化晚，可能会延长病虫害的越冬期，有利于防治。总之，冻土在调节水循环、维持生态平衡、影响农业生产和基础设施等方面发挥着重要作用。

冻土融化下影响

冻土层中储存了大量的二氧化碳和甲烷气体。如果冻土融化，这些有机物质开始分解，会释放出大量的温室气体到大气中，进一步推升全球气温。冻土融化后释放的大量温室气体，会加剧全球变暖，形成恶性循环。例如：1962-2019年中国三大多年冻土区(东北高纬度、西北山地、青藏高原)的极端暖事件均呈现显著增加趋势，尤其是2005-2019年高强度极端暖事件频发。

冻土层融化后，原本被冻结的水分开始释放，参与区域乃至全球的水循环过程。冻结层上水位随着冻土融化深度增加而下降,包气带厚度增加。冻土层上下水贯通。形成贯通融区。湖水可能经由这个贯穿融区被迅速排干。

冻土融化导致地表下陷形成积水洼地，原有地表的水热平衡被打破，多年冻土的融化也就不断加剧，热融洼地也随之不断扩张而形成热融湖塘。

冻土融化导致动物失去了栖息地，使得它们的存活率大幅下降。这不仅对冻土动物种群的数量产生了负面影响，也对整个食物链和生态系统造成了破坏。受积雪减少、冰川退缩和多年冻土退化的影响，高山带出现了新的物种栖息地，原有植物群落组成和结构也发生改变。例如：北欧一些高纬度山地林线以上的高山植被带生物多样性明显降低。

冻土融化导致人类失去居住地，例如：阿拉斯加州90%的区域所覆盖多年冻土融化，建筑物基础和基础设施的崩塌，大量村庄可能需要迁移冻土。

勘探方法

由于多年冻土总是埋藏在地表一定深度之下，通过遥感等方法在空间上准确判断具有一定的难度，而其偏远的地理位置和严酷的自然环境又限制了大规模的野外调查。因此，多年冻土实际分布区很难直接确定。因此，早期的研究只能先大致根据气象条件划分出多年冻土带，在此基础上进一步开展研究。在实际的多年冻土分布研究中，往往是根据气象条件特别是气温、土壤质地等参数进行计算，判断多年冻土存在的可能性。这种模拟得到的结果可以利用实际的调查，例如野外踏勘法（现场观察地表有无多年冻土典型地貌来判断）、坑探法（直接挖掘土壤探坑，观察有无地下冰）、钻探法（机械钻探获取岩心，判断是否冻结）、地温测量法（对于因为地下冰含量低难以判断是否冻结或钻探过程时间过长，可能会导致地下冰融化的地区，在钻孔内布设温度探头，直接测定地温）、地球物理勘探（通过雷达、电磁、地震等物理探测方法，判断地层信息，结合其他方法验证）等方法获得的结果进行验证。

研究历程

国际研究

国外对于“冻土”的研究最早出现在16世纪，当时文献中已经出现有关西伯利亚地区和北美存在冻土的报道；18世纪中叶（1757年），苏联学者M.B.罗蒙诺索夫提出“冻土地”的概念，他发表“冻土地”的科学综述，对“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系提出看法；19世纪对于“冻土”的研究更加具体化，上半叶初步获得西伯利亚冻土层的温度、厚度、埋藏条件和分布情况的资料，下半叶由于西伯利亚工农业发展尤其是铁路的修建，极大地推动了冻土的研究。

同时，出现许多关于“冻土”研究专著——如1889年《论西伯利亚的永久冻土》、1912年《永久冻土与永久冻土上的建筑物》以及1916年《阿穆尔铁路西段在永久冻土条件下供水水源的普查与勘探》等专著。

与“冻土”相关的国际组织的成立和会议的召开，更加进一步推动全球对于“冻土”的研究——如1983年第四届ICOP，国际冻土协会（IPA）在第五届国际冻土成立高山冻土及冰缘过程工作组；1993年第六届国际冻土学大会，俄罗斯学者Bosikov认为冻土所含冰对温度变化十分敏感。

中国研究

中国关于“冻土”的研究最早可追溯到春秋战国时期，有关季节性冻土冻结融化的记载；三国时期，古人便利用冻结法施工；解放后的十年间，东北地区冻土区地质矿藏调查、林业开发、铁路和公路修建以及工业和民用建筑物等各种生产建设的需要，大大促进冻土学的研究；1956年，辛奎德、任奇甲发表《中国东北地区多年冻土分布》的论文；2006年3月，程国栋主持“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应研究”，创造性提出“主动降温、冷却地基、保护冻土”的设计新思路。

中国也积极参与有关“冻土”的国际会议，2007年2月第二届亚洲气候与冰冻圈国际学术研讨会上，中国与其他国家共同探讨探讨冰冻圈研究策略；2008年第九届国际冻土学大会，中国冻土学专家作题为《温暖冻土上建筑的创新设计》的报告；2008年10月第七届全国冰川冻土学大会，这一年同时也是中国冰川冻土学研究50周年，中方在大会上与各国代表进一步探讨冰冻圈的影响作用。