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我们生存的“小破球”，经历了亿万年的演变，有着广阔的地形地貌和丰富的自然资源，人类的生存和发展均依赖于此；各地迥异的美景也为人类的精神世界增加了色彩。地球上有一类地质体，他们远离尘嚣、人迹罕至、偏僻荒凉，然而近些年得到了越来越多的关注，他们是“多年冻土”。 冻土层，亦作冻原或苔原，意思是“无树的平原”。在自然地理学中指由于气温低、生长季节短，而无法生长出树木的环境;而在地质学中指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。 冻土一般可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(又称永久冻土，指持续二年或二年以上冻结不融的土层)。 地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%，总面积约1900万平方千米（图6）。 图6 全球多年冻土区分布示意图（红色圆圈是我国青藏高原地区，这也是世界上最大的中低纬度多年冻土分布区） 所谓多年冻土（permafrost），是指持续多年冻结的土石层。一个典型的多年冻土见图1: 地表有一些覆盖物（土壤或一些植被），这一层一般会季节性的消融和冰冻，温度变化较为剧烈，所以叫活动层（图1，2）。在其之下是多年冰封的岩石或土壤（图1白灰色部分），即多年冻土，他们的温度较为稳定，维持在0摄氏度以下。所以一般人站在地上是看不到多年冻土层的。有多年冻土的区域大概占北半球陆地的24%，其不止是在极地区域，也分布在高山等海拔较高的 区域（比如我国青藏高原地区）。 图1. （左侧）一个典型的极地区域的多年冻土层（自挪威）（右侧）冬季和夏季时冻土层和活动层的垂向温度。 冻土层的厚度从高纬到低纬逐渐减薄，以至完全消失。例如，北极的多年冻土厚达百米到千米（图2）。永冻层的顶面接近地面。逐渐向南，多年冻土厚度减到100m以下，永冻层的顶面埋藏变深。大致北纬48°附近是多年冻土的南界，冻土厚度仅1～2m。超过这一界限，就从连续冻土带过渡到不连续冻土带（图2）。后者由许多分散的冻土块体组成，这种分散的冻土块体称为岛状冻土块（图2）。 图2. 多年冻土层从高纬度（左）向低纬度（右）的变化示意图。 1.多年冻土对水文过程和植被都有重要影响 多年冻土对水文过程有着重要的影响。在环北极地区，很多地表看起来含水量高，河流分布广泛。可是很多地方的年降水量(包括融化的雪)只有150-250 mm，如果没有多年冻土的存在，环北极地区将是一片荒漠。多年冻土冻结层的存在，阻止了土壤水分的下渗，因此水分浸润地表土壤时，就会形成沼泽和池塘，可以为植物生长提供水分。 图7 阿拉斯加多年冻土区的湿润地表条件 在青藏高原，多年冻土的存在同样有利于土壤水分的维持，从而利于植被的生长。当然，多年冻土与土壤水分、植被生长是相互作用的：
在活动层较浅的地区（例如环北极的大部分地区），多年冻土退化导致的地下冰融化，会向地表补充大量水分，促进植物的生长；在活动层较大的地区（例如我国青藏高原的大部分地区），多年冻土退化会导致更多的土壤水分下渗，地下冰融化对土壤水分补充的水分也难以被植物吸收，所以会导致植被退化（图8）。 图8 青藏高原不同多年冻土条件下土壤水分、温度和植被分布示意图 多年冻土对气候的影响主要是因为其与碳循环相关。多年冻土区温度低、土壤含水率高，限制了土壤微生物的活动，有机质的分解缓慢；表层土壤强烈的冻融循环会将有机质带入深层土壤，促进了有机质的埋藏（图14）。 多年冻土区有机质分解缓慢，经过千百年来，甚至是数万年以来的长期积累，积累了大量的有机碳。多年冻土区有机碳的储量约为大气中碳储量的2倍（图15）。 图14 青藏高原多年冻土区土壤探坑剖面（40cm以上的土层有机质含量高，50-60cm和1.2m-1.4m都有埋藏的有机质层，1.6m以下为多年冻土层） 图15 多年冻土和陆地及大气碳库分布情况（Pg为10亿吨） 多年冻土近年来受到非常多的关注和警惕，首先是因为地表温度在北极和北半球高纬度陆地地区上升非常剧烈，这个现象一般被称作“北极放大”现象。从全球地表温度长期趋势图中（图3）可以非常明显的看到，全球气温上升最快的区域在北极地区和北半球陆地。平均而言北极气温变化趋势是全球平均趋势的2倍！为什么会发生“北极放大”现象依然是一个前沿的研究话题。但陆地变暖速率比海洋上变暖剧烈很好理解：陆地比热容比海洋小，在同样的太阳能量照射下，陆地升温更为剧烈。 图3.1970-2018年全球地表温度上升幅度。 全球地表温度上升最快的区域正是多年冻土主要分布的区域！受全球变暖驱动，冻土层也在不断变暖！图4为过去十年北极地区连续性冻土层、高山冻土层的温度变化。可以看到仅仅10年时间，北极冻土层温度上升了约0.4摄氏度；高山冻土层温度上升了约0.2摄氏度。相比而言，全球平均地表温度过去10年只上升了约0.15摄氏度。
图4.过去十年北极地区连续性冻土层（上）以及高山冻土层（下）的温度变化。图自Biskabornet al. 2019。 多年冻土以及冰盖冰川等相当于地球的“冰箱”：就像家里的冰箱温度低所以食物等有机物质的储存时间较长，所以大量生物包括动物遗体、植物、微生物等被“冰封”到多年冻土里面。两极冰盖封存的东西反而少，因为很少有生物可以在极地生存，南北极地区域大部分区域都是无人、无生物区。可以想象，如果冻土融化，其中封存的东西将被释放出来！那么，这将打开一个“百宝箱”，还是一个“潘多拉的魔盒”呢？？很不幸，大概率是后者： 1、释放温室气体，加剧全球变暖 很多多年冻土中富含有机物（长久以来上层动植物死亡后被埋在地底），冰冻可以减缓永冻层内的有机物分解（参照冰箱里的蔬菜和肉坏的慢）。据估计，多年冻土中的含碳量是大气中的两倍，约为16000亿吨。但是，如果温度上升，多年冻土融化，微生物将迅速分解暴露出来的有机物，同时释放出温室气体：二氧化碳、甲烷、一氧化氮等，加速全球气候变化（Schuuret al. 2015; Biskaborn et al. 2019）。特别是甲烷，甲烷虽然在大气中含量少，且是短寿命温室气体（在大气中十年以内几乎就会被化学反应掉；相比而言，二氧化碳一旦排放到大气，可以停留上千年），但甲烷的温室效应是二氧化碳的30倍！！甲烷的大量释放可以在短期内急剧推升全球气温。而且，这是一个正反馈（permafrost carbon feedback）：多年冻土融化->释放温室气体->全球变暖加剧->多年冻土融化！“潘多拉的盒子”一旦打开，就合不上了！ 2、破坏土地稳定性，破坏上层建筑和设施 在接近极地和中低纬度高山区域，很多设施比如公路、房屋等都建设在多年冻土之上。据估计，全球大约350万人生活在多年冻土或邻近区域。一旦多年冻土开始部分消融，上层土地开始变得非常不稳定，滑坡等地质灾害必然会加快，破坏建造在其上的设施。图5是加拿大一个小镇上被不稳定的土地破坏的道路。受不稳定的多年冻土影响的区域还有俄罗斯、阿拉斯加、挪威、中国高原区（青藏高原）等等。
图5. 多年冻土融化破坏其上的道路 （图自Yellowknife.RyersonClark/iStock）。 3、释放出封存在其内的各种污染物、微生物 一些科幻片或者恐怖片中总有这样的情景：在某个深埋地下的隔绝世界中保留着上古时期的怪物，某个nozuo no die的人一不留神释放出这些怪物，然后怪物就开始大开杀戒（ps这种电影中总有睿智的科学家救场）。实际情景当然没这么可怕，但也足够惊悚。最近发表在GRL的一个研究表明：北半球的多年冻土储存了超过150万加仑的汞：这个量是大气、海洋、其余土壤中全部汞含量的两倍（Schusteret al. 2018）！多年冻土的消融将导致这些汞的释放，威胁全球生物和人类，而过去几十年已经观测到了全球多年冻土在释放汞。 冻土是指温度在0℃或0℃以下，含有冰的土层或岩层，分为季节冻土和多年冻土．我国科学家考察了全球变暖对青藏高原多年冻土的影响及其产生的后果．
1.据图文信息判断，下列说法符合事实的是 A．活动层厚度变小，补给河流的水源增加 B．活动层厚度变大，春耕播种的时间推迟 C．永冻层上界上升，利于喜温植物的生长 D．永冻层上界下降，建筑基础稳定性变差 冻土可分为季节冻土和多年冻土。冬天含冰冻结、夏天全部融化的岩土被称为季节冻土，包括季节冻结层和季节融化层。读图（北半球）回答2、3题。
2.根据图中信息所示，季节冻土的分布特点是 A.季节冻结层水平分布的范围小 B.随着纬度的升高，季节融化层厚度增加 C.季节冻结层多分布在极地附近 D.随着海拔的升高，季节融化层厚度降低 3.我国东北地区季节冻土冻结和融化的规律是 A.季节冻结层每年6月开始产生 B.季节融化层每年6月开始产生 C.季节冻结层每年9月达最大厚度 D.季节融化层每年9月达最大厚度 冻土是温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩（土）。冬季含冰冻结、夏季全部融化的岩土被称为季节冻土。下图为北半球冻土分布剖面图，读图回答4、5题。
4.下列关于冻土叙述的不正确的是 A．冻土可分为季节冻土和多年冻土 B.中纬度的多年冻土随纬度增高而增厚 C．纬度较低的青藏高原也有冻土层 D.季节冻土水平分布的范围小 5.铁路通过季节冻土层地段，下列措施最经济有效的 A．设计冷冻系统，全年处于冻结状态 B．打穿冻土层，将承重分散到基岩 C．设计遮盖系统，使路基避免阳光照射 D．利用冻土层，固结铁路桩基 右图为加拿大东北部某地出现的房屋倾斜下沉照片，请回答6、7题。
6.图中的森林是 A．亚寒带针叶林 B．亚热带常绿阔叶林 C．亚热带常绿硬叶林 D．温带落叶阔叶林 7.造成房屋倾斜下沉的原因最有可能是 A．过量抽取地下水造成地层下陷 B．位于环太平洋地震带地震频繁导致 C．冻土融化造成地基不稳 D．位居飓风侵袭路径 左图是世界上最北端的城市朗伊尔城位置示意图，它位于挪威斯瓦尔巴群岛。右图是2014年暑假苏南某中学师生赴该岛科学考察时拍摄到的照片。读图回答8、9题。
8.朗伊尔城所在的岛屿南、北端的纬度相差近4°，太阳直射点移动的速度约为0.25°/天，下列极昼天数与朗伊尔城最接近的是 A. 150天左右 B. 100天左右 C. 50天左右 D. 20天左右 9.考察队员发现岛上的房屋都建在木桩上，原因是 A. 减少占用耕地 B. 保护野生动物 C. 通风防潮 D. 减轻冻土融化危害 10.阅读图文材料，完成下列要求。 材料：中俄石油运输管道——漠（河）大（庆）线，全长953千米，其中北部的512千米穿越了多年冻土区。多年冻土分为活动层和多年冻层上下两层。地理学者研究发现多年冻土区的融沉、冻胀丘、冰锥等对管道的安全性构成了潜在的威胁。冻胀丘是由于地下水受冻结地面和下部多年冻土层的遏阻，在薄弱地带冻结膨胀，使地表变形隆起，称冻胀丘，按其存在时间可划分为季节性冻胀丘和多年生冻胀丘。季节性冻胀丘每年冬季发生，夏季消失。
(1)指出加格达奇多年冻土活动层和多年冻层的分界深度，并分别说明其季节特征。（6分） (2)简述b图季节性冻胀丘的形成原因。（6分） (3)说明季节性冻胀丘对管道的危害。（6分） (4) 以“治水”为核心，提出防治季节性冻胀丘危害管道的措施。（4分） 11.阅读图文材料，完成下列要求。 材料：多年冻土分为上下两层，上层为夏季融化，冬季冻结的活动层，下层为多年冻结层。我国的多年冻土分布主要分布于东北高纬度地区和青藏高原海拔地区。东北高纬地区多年冻土南界的年平均气温在-1°-1°，青藏高原多年冻土下界的年平均气温约为-3.5°-2°C。 由我国自行设计、建设的青藏铁路成功穿越了约550千米的连续多年冻土区，是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结，会危机铁路路基。青藏铁路建设者创造性地提出了“主动降温、冷却路基、保护冻土”的新思路，采用了热棒新技术等措施。图8a示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布，其中西的滩至安多为连续多年冻土分布区。图8b为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。热棒地热部分为冷凝段，地下部分为蒸发段，当冷凝段温度低于蒸发段温度时，蒸发段液态物质汽化上升，在冷凝段冷却成液态，回到蒸发段，循环反复。
（1）分析青藏高原形成多年冻土的年平均气温比东北高纬度地区低的原因。（8分） （2）图8a所示甲地比五道梁路基更不稳定，请说明原因。（8分） （3）根据热棒的工作原理，判断热棒散热的工作季节（冬季或夏季）简述判断依据，分析热棒倾斜设置（图8b）的原因。（8分） 12.（2018·安徽省池州市二模）阅读材料，完成下列要求。材料 多年冻土作为青藏高原特殊的下垫面，它的存在与变化对气候变化有明显的反馈、调节和指示作用。位于多年冻土之上的活动层是多年冻土与大气的接触面，多年冻土对气候系统的影响首先通过活动层与大气间的能水交换来实现。冻土的形成与地表面的辐射热量交换有关，辐射热量平衡的结构对冻土的形成和动态变化有决定作用。下图为青藏高原某山区地表辐射收支年内变化和活动层土壤温度变化图。
（1）描述该山地地表能量收支的年内变化特征。 （2）判断在季节发生转换时土壤热通量与其它各因子数值变化差异，并说明判断依据。 （3）说明该山地活动层土壤的冻融过程并简述其成因。 （4）推测活动层融化厚度的年内变化特点，并分析原因。 参考答案： DDDBD BACBD 11.（1）6米。(2分)多年冻土活动层冻土夏季融化，冬季冻结，(1分)6米以下的多年冻土层全年地温小于0℃，全年处于冻结状态。(1分) （2）该地地势低洼，(1分)夏季有沼泽分布，(1分)有稳定的地下水补给，(1分)土壤含水量大；(1分)冬季过湿土壤冻结，(1分)体积膨胀上升形成冻胀丘。(1分) （3）夏季冻土融化，管道沉降，(1分)冬季土壤冻结的挤压力抬升管道，(1分)反复冻融使管道位移发生弯曲变形。(2分) （4）地表开挖沟渠，排走地表水和地下水；在管道两侧的地下建设截水墙等阻水工程，阻止地下水流向管道；在冻胀丘上钻孔，排干丘内水分。(一点2分，任答两点给4分，其他答案合理可酌情给分) 12.（1）青藏高原纬度低，海拔高，太阳辐射强；（3分）（东北高纬地区年平均气温低于—1℃～1℃，可以形成多年冻土。）青藏高原气温年较差小，当年平均气温同为—1℃～1℃时，冬季气温高，冻结厚度薄，夏季全部融化，不能形成多年冻土。（5分） （2）甲地年平均气温更接近0℃，受气温变化的影响，活动层更频繁地冻融，（冻结时体积膨胀，融化时体积收缩，）危害路基；（4分）甲地年平均气温高于五道梁，夏季活动层厚度较大，冬季有时不能完全冻结，影响路基稳定性。（4分） （3）冬季。（2分） 依据：冬季气温低于地温，热棒蒸发段吸收冻土热量，（将液态物质汽化上升，与较冷的地上部分管壁接触，凝结，释放出潜热，）将冻土层中的热量传送至地上（大气）。（3分） 热棒倾斜设置的原因：使热棒能深入铁轨正下方，保护铁轨下的路基（多年冻土）。（3分） （1）季节变化明显；各收支项年内变化特点相似；总辐射、净辐射、土壤热通量及地面热源强度在 6 月～7 月最大，在 11 月～12 月最小（土壤热通量的年内变化较小）。 （2）差异：土壤热通量数值变化幅度远小于其它各因子，且收、支转换明显。依据：随着地表能量的季节转换，土壤热通量有明显的正负交替。 （3）冻融过程：大致 4 月～10 月为融化期，11 月～次年 3 月为冻结期。原因：11 月～次年 3 月活动层土壤温度在 0℃以下，活动层土壤处于冻结期；土壤温度由 4 月中下旬开始升至 0℃以上，土壤开始融化。 （4）特点：4 月中下旬开始融化，到 9 月底 10 月初达到最大融化深度，10 月开始减少乃至消失。原因：在融化期间，从 4 月中下旬开始随地表接收太阳辐射的增多，融化厚度逐渐增大， 至 9 月底 10 月初融化厚度达到最大值；10 月初开始随地表接收太阳辐射的减少，融化厚度逐渐减小，当地表能量积累为 0 时活动层的融化厚度最小。 （来源于公众号中学地理研究） |
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