什么是多年冻土?
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），图自JeffVanuga/Getty。（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。
全球变化下的多年冻土
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：另一个潘多拉魔盒?
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。
试题链接
1. （2017 · 浙江）多年冻土是长期在0℃或0℃以下冻结并含有冰的土石层。读我国东北地区多年冻土南界变化示意图。完成下列各题。
（1）与现今相比，该区域17-18世纪处于（ ）
A. 冰期 B. 间冰期 C. 温暖期 D. 寒冷期
（2）多年冻土南界变化后，甲地土壤（ ）
A. 养分循环加快
B. 污染程度减轻
C. 水热条件变差
D. 生产潜力下降
【答案】 1. D 2. A
【解析】
（1）与现今相比，该区域17-18世纪多年冻土南界位置偏南，说明当时比现在寒冷，D正确。
（2）图中甲地为温带季风气候，典型植被为温带落叶阔叶林。气候变暖，微生物对有机质的分解作用增强，养分循环加快，故A正确。全球变暖与土壤污染程度没有直接关系；热量条件变好，生产潜力可能上升，故B、C、D错误。
2. 阅读图文资料，完成下列要求。
多年冻土，是指持续多年冻结的土石层。一个典型的多年冻土地表有一些覆盖物（土壤或植被），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。在活动层之下是多年冰封的岩石或土壤，即多年冻土，它们的温度较为稳定，维持在0℃以下。左图为冬季和夏季冻土层与活动层的垂直方向低温分布图。在多年冻土分布区，地表水周期性注入到裂隙中再冻结，促使裂隙不断扩大，冰体填充裂隙，剖面呈楔状，成为冰楔（右图）。
（1）描述多年冻土区地温在垂直方向上的分布特点。
（2）概括冰楔形成的条件。
（3）简述多年冻土区冰楔不断展宽的过程。
【答案】
（1）冬季地温随深度增加而升高，活动层和冻土层低于0℃；夏季地温随深度的增加先降后升，活动层和不冻层大于0℃，冻土层小于0℃。
（2）严寒的气候条件；有深入到冻土层（永冻层）中的裂隙；冰楔围岩具有可塑性。
（3）寒冷季节，冻土体积不均衡膨胀，原有的裂隙不断扩大；温暖季节，上部活动层的冰融化，裂隙中注入水分；寒冷季节再次到来，水在裂隙中冻结、膨胀，围岩不断受挤压变形，冰楔不断展宽。
【解析】
本题以材料为背景，以图为载体，考查学生的区域认知能力和地理实践力。
（1）读图，分层、分类描述温度在垂直方向的变化，冬季地温随深度增加而升高，活动层和冻土层温度在0℃以下，不冻层温度在0℃以上；夏季地温随深度的增加先降后升，活动层和不冻层都在0℃以上，冻土层温度小于0℃。在冻土层一定深度以下，冬季和夏季地温一样。
（2）根据题意可知，在多年冻土分布区，地表水周期性注入到裂隙中，在严寒的气候条件下再冻结，促使裂隙不断扩大，冰体填充裂隙，剖面呈楔状，所以气候寒冷、冻土层有裂隙，冰楔围岩具有可塑性是其形成的必要条件。
（3）结合上题分析，冰楔不断拓展与地表活动层有关，与地温季节变化密切相关，冬季气候寒冷，冻土体积不均衡膨胀，原有的裂隙不断扩大，夏季气温升高，上部活动层的冰融化，裂隙中注入水分；等到冬季再次来临时，水在裂隙中冻结、膨胀，体积增大，围岩不断受挤压变形，这种现象反复出现，多年冻土区冰楔不断展宽。
3. 阅读图文材料，完成下列要求。（9分）
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。冻土层对铁路路基影响显著，如开挖路堑后地下水自边坡流出，在隆冬季节随流随冻，影响铁路运营。图12为我国多年冻土分布示意图。
（1)说出与东部相比，我国西部多年冻土的主要分布特点。（2分）
（2)大兴安岭北部岭西地区为大片多年冻土，而岭东地区为稀疏岛状多年冻土。分析造成岭西地区多年冻土发育程度好于岭东地区的主要原因。（4分）
（3)冻土问题是青藏铁路建设中克服的三大难题之一。根据冻土的特征推断冻土对铁路运输可能产生的影响。（3分）
【答案】
（1）（2分）西部多年冻土面积大，（1分）多大片状和大片岛状多年冻土。（1分）
（2）（4分）冬季，岭西地区位于冬季风迎风坡，冷空气在岭西地区堆积，气温低于岭东。（2分）岭西地区海拔高，夏季气温低于岭东。（2分）
（3）（3分）活动层融化导致路基沉陷；（1分）活动层冻胀导致路基和轨道变形；（1分）增加行车安全隐患。（1分）
4. 阅读图文材料，完成下列要求。
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、建设的青藏铁路格（尔木）拉（萨）段成功穿越了约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，会危及铁路路基。图a示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布，其中西大滩至安多为连续多年冻土分布区。图b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。热棒地上部分为冷凝段，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。
（2）图a所示甲地比五道梁路基更不稳定，请说明原因。
（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b）的原因。
【答案】
（1）青藏高原纬度低，海拔高，太阳辐射强；（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。
（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；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。
（3）冬季。
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）。
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）。
5. 阅读图文资料，完成下列要求。
冻土分季节冻土和多年冻土，多年冻土又分连续多年冻土和不连续多年冻土。我国东北北部冻土广布，20世纪80年代以来，全球气候变暖以及人类活动加速了该地区的冻土退化。冻土及其退化对当地气候、森林和公路等带来很大影响。左图示意我国东北北部冻土分布，右图示意本区沿122°E经线地下局部剖面。
（1）分析不连续多年冻土带南界大致呈“W”形的原因。
（2）近年来P处山坡上的兴安落叶松出现大面积自然死亡和倾倒现象，这些现象与冻土关系密切，推测这些现象的形成原因。
（3）多年冻土分布区的公路受冻土影响易出现凹凸不平的现象，解释其原因。
【答案】
(1)受纬度（太阳辐射）因素影响，南界大致东西延伸；受东西两侧高（大兴安岭和小兴安岭）、中间低（松嫩平原）的地形因素影响，气温两侧低中间高， 使南界在东西两侧向低纬度（向南）弯曲，在中间向高纬度（向北）弯曲，呈“W” 形。
(2)大面积自然死亡原因：多年冻土使落叶松根系分布较浅，冻土融化，地表水下渗到深处或渗流到坡底，坡上的落叶松因表层土壤缺水而大面积死亡。
倾倒原因：多年冻土退化严重，冻土大量融化导致山坡地表产生不均匀下沉，使兴安落叶松倾倒。
(3)多年冻土阻隔地表水下渗，使覆盖其上的活动层富含水分；冬季加剧活动层土壤冻结体积膨胀程度，导致路面拱起严重；夏季路面热量向下传导，使活动层冻土融化，体积收缩，导致路面凹陷。
6. 阅读图文资料，完成下列要求。
当温度<0℃时，土壤和岩石里的水分凝结成冰形成冻土，土壤含水量、植被'日照等条件也不同程度地影响土壤的冻结深度。我国东北地区冻土广布，图6示意我国东北季节性冻土标准冻深（在一定标准下超过10年实测到最大冻深的平均值)，大兴安岭地区车降水量400—450毫米，却生长了大片的落叶松林，其生长与冻土之间存在密不可分的“共生”关系。在全球变暖和人类活动的影响下，东北地区冻土层退化严重。
（1）说出东北地区冻土深度变化的特点。
（2）分析大兴安岭落叶松的生长与冻土之间的关系。
（3）分析大兴安岭地区冻土退化对当地自然环境的影响。
【答案】
（1）自南向北、自东向西冻土分布的深度逐渐增大；大兴安岭北段西侧冻土深度最大。
（2）春季降水少且气温回升快，使冻土表层融化，而深层冻土又减少了水分下渗，为落叶松的生长提供了充足的水分；夏季，繁茂的落叶松及林下的植物，能够有效地降低到达林地的太阳辐射，降低林内土壤温度，减缓冻土融化；落叶松及其落叶截留降水、增加下渗，减少蒸发，为冻土发育提供水分。
（3）冻土退化使冷湿的自然环境（生态环境）发生改变，旱涝灾害发生频率增多；引发植被分布变化；植被类型更替，生物多样性改变；本来以固体形式存在的地下水流失，涵养水源能力下降。
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