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热喀斯特地貌的发展及其影响
摘要：多年冻土是寒冷气候的产物，气候变暖则会造成多年冻土退化。多年冻土退化的表征之一就是地下冰融化，使得地表土壤失去支撑，从而形成滑塌、沉降等热喀斯特地貌。热喀斯特地貌不仅会影响到工程建筑，还会破坏地表植被，导致生态系统退化。热融沉降形成的低洼地还会积水并逐步发展为热融湖塘。热喀斯特地貌除了直接改变地表景观外，还会改变土壤的水文和碳氮循环的过程。目前热喀斯特地貌的发展及其影响在多年冻土环境研究中已引起了广泛关注，定量评估热喀斯特地貌对碳循环的影响也是评估多年冻土区对全球变化的响应及气候反馈效应的重要环节。
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多年冻土是指连续两年或两年以上处于0℃或者更低温度的土层或岩层。多年冻土处于一定深度之下，广泛分布于高纬度和高海拔地区。北半球多年冻土的面积约为2.1×106km2，约占北半球陆地面积的22%[1]。由于多年冻土是在长期的寒冷气候条件下形成的，显然，气候变暖会导致其温度升高。土壤温度超过0℃以后，多年冻土就会融化。多年冻土退化包括土壤温度升高（例如土壤温度由–3℃上升到–1℃，但仍然处于冻结状态）、活动层厚度增加（多年冻土区最大融化深度增加）、多年冻土厚度变薄（多年冻土层的上部向下融化，下部向上融化，导致厚度变薄）以及多年冻土消失引起的多年冻土面积减少等[2,3]。除了这些现象外，多年冻土融化还会引起热喀斯特地貌。尽管多年冻土的融化与雪、冰的融化变成水不完全相同，更多的时候是冻结的土壤软化，但是多年冻土区也含有大量的地下冰，这些地下冰融化后，地表就会发生沉降、滑塌或者地下形成空洞等现象，这一过程被称为热喀斯特[4]。热喀斯特地貌不仅直接改变地表景观，还会对多年冻土区的地表过程产生重要影响。
1、热喀斯特地貌的种类
多年冻土区热喀斯特类型复杂，大致可以分为16种[4]，包括地下冰融化沉降并侧向侵蚀形成的热融湖塘、湖塘排干后的热喀斯特湖盆、湖塘排干后的热融沉降、冰碛物中冰体融化的冰川喀斯特、沼泽地中浅层地下水流动形成的线状融化、沼泽地向四周缓慢退化形成的融化区、表层融化形成的浅坑、冻胀丘的多边形区地下冰楔的融化、冰楔融化与浅层水坑并存的融化区、含冰量较低的沙质土壤融化形成的不规则的冻胀丘融化区、地下水流动造成的融化空洞和地下管道、地表水流形成的热融冲沟和水道、斜坡失稳和地下冰融化引起的热融滑塌、水体下切导致富冰堤岸的冰体融化形成的空洞、冻胀丘大量地下冰融化导致的冻胀丘坍塌和含冰量较低土壤的冰体融化造成的不规则地面。
在实际情况中，以上很多过程可能会同时出现。例如，在山坡地带，地表水流经过的地方会因为水流的作用而导致多年冻土融化快于其他地区，从而逐渐形成小型冲沟。一旦冲沟形成后，就会加速水流的侵蚀和地下冰融化，进而又引发沿着冲沟向上游发展的溯源侵蚀和滑塌现象（图1）。这种地貌的准确定义就比较困难，但是其引发的结果往往是很相似的，就是地表植被破坏、深层土壤暴露、斜坡地区不断崩塌、地下冰暴露等。因此，近年来有学者将其统称为“多年冻土区的崩塌”（permafrostcollapse），这一概念在地理学和生态学领域中也得到了广泛应用[5,6,7]。
图1热融滑塌地貌
各种热喀斯特地貌对景观的影响不同。例如，冰碛物喀斯特往往只发生在冰川末端区，而沼泽地向四周缓慢退化形成的融区就相对不引人注意。目前，人们关注最多的热喀斯特地貌是多年冻土区崩塌（包括热融滑塌和热融侵蚀等）（图1）和热融湖塘（图2）。热融滑塌往往表现为大面积的山体缓慢滑坡，热融侵蚀的冲沟则使得大范围的地表植被破坏，土壤暴露且呈不断发展的趋势，而热融湖塘的形成和发展使之前的陆地生态系统变成了水体。除了这两种地貌之外，地下冰融化导致的地下空洞在有些地区也引起关注。例如，俄罗斯西伯利亚地区多年冻土地下冰的长期融化，导致大量甲烷气体释放出来，并在地下聚集后发生爆炸，形成直径和深度可达几十米的天坑，这也与热喀斯特过程有关。在我国祁连山地区，也发现深达数十米的因热喀斯特而形成的深坑。
2、气候变暖与热喀斯特
热喀斯特地貌是由于地下冰融化而形成和发展的。显然，气候变暖会加速热喀斯特的发展，但是热喀斯特本身也属于多年冻土区自然景观。也就是说，即使气候没有发生显著变暖，热喀斯特地貌也会出现，但气候变暖会引起更多热喀斯特地貌的形成。自小冰期以来，40%的多年冻土区受到了热喀斯特沉降的影响，而且新的热喀斯特地貌还在不断形成。加拿大魁北克地区的热融湖塘有76%是在1957年以后形成的[8]。在青藏高原中部，通过沉积物测年发现，有的热融湖塘存在时间已经有近千年，说明多年冻土区本来也会形成热融湖塘[9]，但是通过不同时期的航拍图片资料对比，发现青藏高原中部的湖塘在近年来明显增多。青藏高原中部北麓河地区面积大于1000m2的湖塘有上千个[10]，其中距离青藏铁路约200m范围内有250多个热融湖塘，分布面积约为1.39×106m2。在人类活动和气候变化影响下，这些热融湖塘扩张显著，其湖塘边缘塌陷速率约为1.8m/a[11]。过去40年，青藏高原中部北麓河地区的热融湖塘总数量增加了534个，总面积增加4.1×106m2[12]。当然，这些湖塘的增多可能也与降水增加有关，但气候变暖导致的多年冻土退化很可能是重要的因素[13]。
图2热融湖塘
图2热融湖塘下载原图
（拍摄于三江源地区，2016年8月）
冻胀丘的融化是热融湖塘形成的主要原因之一。冻胀丘是地下水汇集冻结后形成的，有的冻胀丘体积巨大，其高度可达90m，周长可达800m。冻胀丘有开放型和闭合型两种。开放型的冻胀丘是在不连续多年冻土区或者多年冻土厚度较薄的地区，由周围的地下水不断汇入、冻结后隆起形成的。这些冻胀丘通常在冲洪积物地区形成。闭合型冻胀丘是在地下水较少的地区，如河流三角洲、较浅的湖塘和其他平地，多年冻土不断冻结，而水体冻结后使得地表隆起形成的。有些冻胀丘是在更新世（距今260万年至11700年前）形成的[14]。冻胀丘形成一段时间后，周边会发育有草本或灌木等植被，同时其阳坡面会受到更多的辐射，加之动物（如地松鼠和狐狸）洞穴的影响，冻胀丘内部的冰体会开始融化，导致冻胀丘坍塌并最终可能形成热喀斯特湖[15]。
热融滑塌主要发生在山地。在一定的斜坡条件下，山地多年冻土的地下冰融化后，地表物质在重力作用下发生滑塌。气候变暖会加速地下冰的融化从而引起更多的热融滑塌。在加拿大地区，通过对4000多个滑塌地区进行分析，发现在1984—2015年期间，溯源滑塌增加了60倍，其主要原因是夏季的温度明显升高[16]。同样，在我国青藏高原祁连山地区，发现在1997—2009、2009—2015和2015—2017年期间，热融滑塌的平均增加面积为61.8、60.0和156.8m2/a，滑塌源头的前进速率为1.3、1.6和2.0m/a。这些数据表明，气候变暖导致多年冻土区的热融滑塌正在加速发生[17]。
3、热喀斯特对地表过程的影响
热喀斯特地貌改变了地表景观，必然会对水文过程、生态系统演替和重要元素的生物地球化学过程产生一系列的影响，因此是地理学、生态学和气候变化科学中必须要关注的内容。
3.1热喀斯特对水文过程的影响
多年冻土地下冰透水性很弱，起着隔水层作用。降水发生后，多年冻土的存在就会阻隔土壤水分的继续下渗，从而有利于维持土壤水分。此外，多年冻土区活动层的冻融循环过程也有利于土壤水分的维持。夏季降水存储于活动层土壤内，这部分土壤迅速冻结，而来年春季逐渐由上往下融化，就会释放水分。同时，夏季多年冻土活动层上限附近的地下冰融化也会给土壤提供水分。季节性冻土虽然也存在冻融循环，但是因为土壤水分下渗损失较大，不利于表层水分的维持。因此，热喀斯特导致的多年冻土退化，必然会导致多年冻土区土壤水分的改变，进而改变地表水的产流和汇流过程。多年冻土退化也会改变地下水的循环。多年冻土的存在对于地下水的流通起到阻隔作用，因此地下水循环有着特定的循环路径。热喀斯特地貌形成融区后，地下水原有的流通路径就会改变，比如在某些地方可能出露成泉或汇集成湖。
热喀斯特除了改变地表和地下水的循环外，还会对局地水汽循环产生影响。一方面，热喀斯特地貌加速了土壤水分的流失，导致土壤的蒸散发降低；另一方面，热融湖塘的水体蒸散发增加，形成水汽后在局部又会以降水的形式返回地面。以青藏高原为例，大部分水汽来源是长距离的印度季风输送带来的，但局地水汽循环可占15%～35%[18]。这说明热喀斯特地貌对水汽循环的影响也是值得注意的。
3.2热喀斯特对生态系统的影响
热融滑塌对陆地生态系统的影响是环境保护领域关注的重要内容。在山地地区，热融滑塌会直接破坏大面积的植被，导致深层土壤暴露，而这又加剧了水土流失。在很多热融滑塌地区，表层富含有机质的土壤发生了严重的侵蚀，与周围未发生滑塌的地区形成强烈的对比。此外，由于多年冻土区植被生长缓慢，发生热融滑塌的地区，有的经过数十年，地表还是裸土，或者仅有稀疏的植被生长，对于生态环境的保护非常不利[19]。可见，热融滑塌破坏地表植被，改变土壤物理结构，并导致其含水率、pH值和有机质含量等发生一系列的变化，进而也会改变土壤微生物群落结构，从而影响到土壤碳氮的循环[20,21,22]。
热融湖塘形成后，陆地生态系统转变成水生生态系统，原有的陆地植被淹没，周边土壤也随着湖塘发展而不断发生侧向崩坍进入水体。热融湖塘经过一定时期后，水体中会出现许多水生植物，包括浮游植物和沉水植物。热融湖塘也有开放型和封闭型两种，前者为淡水湖，后者的盐分含量则较高。这两类湖泊中的水生植物也不同。尽管多年冻土区很多热融湖塘的营养盐含量低，加之低温、生长季短等因素的影响，浮游植物和沉水植物总体上较少，但是有些湖泊在暖季也会出现浮游植物大量生长，甚至可能形成水华[23]。此外，青藏高原的一些热融湖塘中有大量的沉水植物，这些植物对于营养盐和碳循环方面可能有着重要作用。
3.3热喀斯特对碳氮循环的影响
北半球热喀斯特影响的面积可占多年冻土区的20%，而且大约有50%有机碳存储于热喀斯特地貌中，因此，热喀斯特地貌对于碳循环有着重要影响[24]。多年冻土区土壤有机碳的分解受到很多因素的影响，包括有机质含量与性质、土壤温度和水分条件等[25]。热融滑塌导致的土壤侵蚀过程会加剧有机质损失，尤其是溶解性有机质，进而影响土壤碳氮的再分布特征[26]。热融滑塌会改变土壤水热条件，滑塌过程中土壤温度升高，地下冰加速融化，土壤水分的空间格局发生变化，如高地处土壤水分降低，低凹处则出现积水。这些土壤水热条件变化进而影响多年冻土区生态系统的温室气体排放过程[6]。从碳循环角度来看，土壤温度升高，会增强微生物活动，增加有机碳的矿化速率。土壤水分含量也是控制有机碳分解和温室气体排放的重要因素。热融滑塌形成的低凹积水条件会降低有机碳的损失，而增加CH4和N2O的排放速率[27]。热融滑塌还会导致原先埋藏于地下深层的土壤有机碳直接暴露于空气中，这就意味着其可能会受到光降解的影响。对青藏高原祁连山地区的研究表明，多年冻土区热融滑塌会降低表层30cm土壤有机碳的30%左右，主要原因是有机质土壤的流失[28]。通过原位的监测，研究人员发现：在未滑塌的地区，植被生长良好，土壤含水率较高，表现为碳的净吸收，N2O和CH4的释放量较高；正在发生滑塌的地区，土壤水分降低，N2O和CH4的释放量也降低；发生滑塌后，植被完全破坏，表现为碳净释放，同时由于地势低洼，土壤含水率增加，导致N2O和CH4的释放也增加[7]。
热融湖塘向大气排放温室气体的过程和总量受到高度关注。热融湖塘的发育和扩张加剧土壤有机碳的侵蚀，进而加速水体溶解性有机碳（DOC）和湖底沉积物的微生物分解过程，同时部分CH4在甲烷氧化菌作用下生成CO2，最终释放到大气中[29]。西伯利亚热融湖塘每年CH4释放的总量高达3.8Tg（甲烷排放的碳总量）[30]。高纬度地区通过鼓泡形式释放的CH4占大气CH4浓度升高的33%～87%[31]。据估计，过去60年环北极地区热融湖塘碳排放量为0.2～2.5Pg[32]。热融湖塘温室气体排放对区域气候变化及多年冻土碳反馈潜力的评估起着重要作用。热融湖塘的年龄和面积对水体DOC浓度、CO2和CH4释放速率具有重要影响。气候变暖加速多年冻土退化，面积较大（形成较早）的热融湖塘排水导致面积较小（新形成）的热融湖塘数量增加，这将导致小热融湖塘水体有机碳和其他化学物质含量增加，进而增加CO2和CH4的释放速率[33]。小热融湖塘温室气体排放贡献要远大于中大型热融湖塘[34]。如果不考虑小热融湖塘，整个莱纳三角洲内夏季水体CO2排放总量将被低估35%～62%。这主要是因为小热融湖塘冬季完全冻结或夏季完全蒸发，水体停留时间短，所以对景观尺度范围内碳和其他元素的循环过程起着至关重要的作用，这对气候变化比较脆弱的地区尤为重要[35]。在我国青藏高原的热融湖塘，同样也发现有大量的气体释放（图3），但是湖塘所释放的气体主要为CO2[36,37]。
图3青藏高原热融湖塘冬季湖冰中的大量气体：
（a）样品采集；（b）冰内气泡（拍摄于青藏高原中部北麓河地区，2019年4月）
4、结论与展望
热喀斯特对多年冻土区的工程设施、生态系统、水文过程和碳氮循环都有重要的影响。在气候变暖的情景下，热喀斯特地貌的发展及其影响受到广泛关注。目前大量研究表明，热喀斯特地貌会因气候变暖而快速发展，其对碳循环的影响甚至是气候系统中不确定性的主要因素之一。整体来看，热融滑塌和侵蚀等地貌会加速水土流失，增加碳的释放，热融湖塘的发展则会导致大量的CH4释放，这些过程都会加速多年冻土碳的释放。但是，热喀斯特还有很多内容需要进一步研究，主要有：
(1)热融滑塌和侵蚀地貌的分布和预测。通过高分辨率的遥感影像，可以识别滑塌地貌，但是工作量巨大，而且多年冻土区很多地方交通不便，实际验证资料还比较缺乏。此外，对于滑塌、沉降等过程，现在可以通过合成孔径雷达（InSAR）等技术分析其发生过程，但是要做滑塌区域的预测，目前还比较困难。
(2)热融湖塘的识别和变化分析。多年冻土区有很多湖塘，哪些属于热融湖塘，目前还不好判断。对于较小的水体，比如数百平方米的湖塘，遥感影像的分析存在着分辨率不够的问题。在较好地识别热融湖塘的基础上，结合其他信息，如地形、地下冰含量等数据，则有望对湖塘的发展趋势进行预测。
(3)资料的空间扩展。热融滑塌的地貌复杂，热融湖塘大小不一，各个面积和各种地貌的碳释放的形式、数量和影响因素都不同，且差异巨大。目前，现有碳通量的观测数据总体上还较少，因此，明确各个地貌的温室气体释放规律并进行空间扩展，是减少多年冻土碳循环研究不确定性的重要任务之一。
参考文献:
[3]程国栋,赵林,李韧,等.青藏高原多年冻土特征､变化及影响[J].科学通报,2019,64:2783-2795.
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牟翠翠.热喀斯特改变多年冻土区景观和地表过程[J].自然杂志,2020,42(05):386-392.
基金:第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0605);国家重点研发项目(2019YFA0607003);国家自然科学基金项目(41871050).
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期刊名称：工程地球物理学报
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主办单位：长江大学,中国地质大学
出版地方：湖北
专业分类：科学
国际刊号：1672-7940
国内刊号：42-1694/TV
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创刊时间：2004年
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