高考地理中的多年凍土

什么是多年凍土?

所謂多年凍土（permafrost），是指持續多年凍結的土石層。一個典型的多年凍土見圖1：地表有一些覆蓋物（土壤或一些植被），這一層一般會季節性的消融和冰凍，溫度變化較為劇烈，所以叫活動層（圖1，2）。在其之下是多年冰封的巖石或土壤（圖1白灰色部分），即多年凍土，他們的溫度較為穩定，維持在0攝氏度以下。所以一般人站在地上是看不到多年凍土層的。有多年凍土的區域大概占北半球陸地的24%，其不止是在極地區域，也分布在高山等海拔較高的區域（比如我國青藏高原地區）。

圖1. （左側）一個典型的極地區域的多年凍土層（自挪威），圖自JeffVanuga/Getty。（右側）冬季和夏季時凍土層和活動層的垂向溫度。

凍土層的厚度從高緯到低緯逐漸減薄，以至完全消失。例如，北極的多年凍土厚達百米到千米（圖2）。永凍層的頂面接近地面。逐漸向南，多年凍土厚度減到100m以下，永凍層的頂面埋藏變深。大致北緯48°附近是多年凍土的南界，凍土厚度僅1～2m。超過這一界限，就從連續凍土帶過渡到不連續凍土帶（圖2）。后者由許多分散的凍土塊體組成，這種分散的凍土塊體稱為島狀凍土塊（圖2）。

圖2. 多年凍土層從高緯度（左）向低緯度（右）的變化示意圖。

全球變化下的多年凍土

多年凍土近年來受到非常多的關注和警惕，首先是因為地表溫度在北極和北半球高緯度陸地地區上升非常劇烈，這個現象一般被稱作“北極放大”現象。從全球地表溫度長期趨勢圖中（圖3）可以非常明顯的看到，全球氣溫上升最快的區域在北極地區和北半球陸地。平均而言北極氣溫變化趨勢是全球平均趨勢的2倍！為什么會發生“北極放大”現象依然是一個前沿的研究話題。但陸地變暖速率比海洋上變暖劇烈很好理解：陸地比熱容比海洋小，在同樣的太陽能量照射下，陸地升溫更為劇烈。

圖3.1970-2018年全球地表溫度上升幅度。

全球地表溫度上升最快的區域正是多年凍土主要分布的區域！受全球變暖驅動，凍土層也在不斷變暖！圖4為過去十年北極地區連續性凍土層、高山凍土層的溫度變化。可以看到僅僅10年時間，北極凍土層溫度上升了約0.4攝氏度；高山凍土層溫度上升了約0.2攝氏度。相比而言，全球平均地表溫度過去10年只上升了約0.15攝氏度。

圖4.過去十年北極地區連續性凍土層（上）以及高山凍土層（下）的溫度變化。圖自Biskabornet al. 2019。

多年凍土：另一個潘多拉魔盒?

多年凍土以及冰蓋冰川等相當于地球的“冰箱”：就像家里的冰箱溫度低所以食物等有機物質的儲存時間較長，所以大量生物包括動物遺體、植物、微生物等被“冰封”到多年凍土里面。兩極冰蓋封存的東西反而少，因為很少有生物可以在極地生存，南北極地區域大部分區域都是無人、無生物區。可以想象，如果凍土融化，其中封存的東西將被釋放出來！那么，這將打開一個“百寶箱”，還是一個“潘多拉的魔盒”呢？？很不幸，大概率是后者：

1. 釋放溫室氣體，加劇全球變暖。很多多年凍土中富含有機物（長久以來上層動植物死亡后被埋在地底），冰凍可以減緩永凍層內的有機物分解（參照冰箱里的蔬菜和肉壞的慢）。據估計，多年凍土中的含碳量是大氣中的兩倍，約為16000億噸。但是，如果溫度上升，多年凍土融化，微生物將迅速分解暴露出來的有機物，同時釋放出溫室氣體：二氧化碳、甲烷、一氧化氮等，加速全球氣候變化（Schuuret al. 2015; Biskaborn et al. 2019）。特別是甲烷，甲烷雖然在大氣中含量少，且是短壽命溫室氣體（在大氣中十年以內幾乎就會被化學反應掉；相比而言，二氧化碳一旦排放到大氣，可以停留上千年），但甲烷的溫室效應是二氧化碳的30倍！！甲烷的大量釋放可以在短期內急劇推升全球氣溫。而且，這是一個正反饋（permafrost carbon feedback）：多年凍土融化->釋放溫室氣體->全球變暖加劇->多年凍土融化！“潘多拉的盒子”一旦打開，就合不上了！

2. 破壞土地穩定性，破壞上層建筑和設施。在接近極地和中低緯度高山區域，很多設施比如公路、房屋等都建設在多年凍土之上。據估計，全球大約350萬人生活在多年凍土或鄰近區域。一旦多年凍土開始部分消融，上層土地開始變得非常不穩定，滑坡等地質災害必然會加快，破壞建造在其上的設施。圖5是加拿大一個小鎮上被不穩定的土地破壞的道路。受不穩定的多年凍土影響的區域還有俄羅斯、阿拉斯加、挪威、中國高原區（青藏高原）等等。

圖5. 多年凍土融化破壞其上的道路

（圖自Yellowknife.RyersonClark/iStock）。

3. 釋放出封存在其內的各種污染物、微生物。一些科幻片或者恐怖片中總有這樣的情景：在某個深埋地下的隔絕世界中保留著上古時期的怪物，某個nozuo no die的人一不留神釋放出這些怪物，然后怪物就開始大開殺戒（ps這種電影中總有睿智的科學家救場）。實際情景當然沒這么可怕，但也足夠驚悚。最近發表在GRL的一個研究表明：北半球的多年凍土儲存了超過150萬加侖的汞：這個量是大氣、海洋、其余土壤中全部汞含量的兩倍（Schusteret al. 2018）！多年凍土的消融將導致這些汞的釋放，威脅全球生物和人類，而過去幾十年已經觀測到了全球多年凍土在釋放汞。

試題鏈接

1. （2017 · 浙江）多年凍土是長期在0℃或0℃以下凍結并含有冰的土石層。讀我國東北地區多年凍土南界變化示意圖。完成下列各題。

（1）與現今相比，該區域17-18世紀處于（ ）

A. 冰期 B. 間冰期 C. 溫暖期 D. 寒冷期

（2）多年凍土南界變化后，甲地土壤（ ）

A. 養分循環加快

B. 污染程度減輕

C. 水熱條件變差

D. 生產潛力下降

【答案】 1. D 2. A

【解析】

（1）與現今相比，該區域17-18世紀多年凍土南界位置偏南，說明當時比現在寒冷，D正確。

（2）圖中甲地為溫帶季風氣候，典型植被為溫帶落葉闊葉林。氣候變暖，微生物對有機質的分解作用增強，養分循環加快，故A正確。全球變暖與土壤污染程度沒有直接關系；熱量條件變好，生產潛力可能上升，故B、C、D錯誤。

2. 閱讀圖文資料，完成下列要求。

多年凍土，是指持續多年凍結的土石層。一個典型的多年凍土地表有一些覆蓋物（土壤或植被），這一層一般會季節性的消融和冰凍，溫度變化較為劇烈，所以叫活動層。在活動層之下是多年冰封的巖石或土壤，即多年凍土，它們的溫度較為穩定，維持在0℃以下。左圖為冬季和夏季凍土層與活動層的垂直方向低溫分布圖。在多年凍土分布區，地表水周期性注入到裂隙中再凍結，促使裂隙不斷擴大，冰體填充裂隙，剖面呈楔狀，成為冰楔（右圖）。

（1）描述多年凍土區地溫在垂直方向上的分布特點。

（2）概括冰楔形成的條件。

（3）簡述多年凍土區冰楔不斷展寬的過程。

【答案】

（1）冬季地溫隨深度增加而升高，活動層和凍土層低于0℃；夏季地溫隨深度的增加先降后升，活動層和不凍層大于0℃，凍土層小于0℃。

（2）嚴寒的氣候條件；有深入到凍土層（永凍層）中的裂隙；冰楔圍巖具有可塑性。

（3）寒冷季節，凍土體積不均衡膨脹，原有的裂隙不斷擴大；溫暖季節，上部活動層的冰融化，裂隙中注入水分；寒冷季節再次到來，水在裂隙中凍結、膨脹，圍巖不斷受擠壓變形，冰楔不斷展寬。

【解析】

本題以材料為背景，以圖為載體，考查學生的區域認知能力和地理實踐力。

（1）讀圖，分層、分類描述溫度在垂直方向的變化，冬季地溫隨深度增加而升高，活動層和凍土層溫度在0℃以下，不凍層溫度在0℃以上；夏季地溫隨深度的增加先降后升，活動層和不凍層都在0℃以上，凍土層溫度小于0℃。在凍土層一定深度以下，冬季和夏季地溫一樣。

（2）根據題意可知，在多年凍土分布區，地表水周期性注入到裂隙中，在嚴寒的氣候條件下再凍結，促使裂隙不斷擴大，冰體填充裂隙，剖面呈楔狀，所以氣候寒冷、凍土層有裂隙，冰楔圍巖具有可塑性是其形成的必要條件。

（3）結合上題分析，冰楔不斷拓展與地表活動層有關，與地溫季節變化密切相關，冬季氣候寒冷，凍土體積不均衡膨脹，原有的裂隙不斷擴大，夏季氣溫升高，上部活動層的冰融化，裂隙中注入水分；等到冬季再次來臨時，水在裂隙中凍結、膨脹，體積增大，圍巖不斷受擠壓變形，這種現象反復出現，多年凍土區冰楔不斷展寬。

3. 閱讀圖文材料，完成下列要求。（9分）

多年凍土分為上下兩層，上層為夏季融化，冬季凍結的活動層，下層為多年凍結層。凍土層對鐵路路基影響顯著，如開挖路塹后地下水自邊坡流出，在隆冬季節隨流隨凍，影響鐵路運營。圖12為我國多年凍土分布示意圖。

（1)說出與東部相比，我國西部多年凍土的主要分布特點。（2分）

（2)大興安嶺北部嶺西地區為大片多年凍土，而嶺東地區為稀疏島狀多年凍土。分析造成嶺西地區多年凍土發育程度好于嶺東地區的主要原因。（4分）

（3)凍土問題是青藏鐵路建設中克服的三大難題之一。根據凍土的特征推斷凍土對鐵路運輸可能產生的影響。（3分）

【答案】

（1）（2分）西部多年凍土面積大，（1分）多大片狀和大片島狀多年凍土。（1分）

（2）（4分）冬季，嶺西地區位于冬季風迎風坡，冷空氣在嶺西地區堆積，氣溫低于嶺東。（2分）嶺西地區海拔高，夏季氣溫低于嶺東。（2分）

（3）（3分）活動層融化導致路基沉陷；（1分）活動層凍脹導致路基和軌道變形；（1分）增加行車安全隱患。（1分）

4. 閱讀圖文材料，完成下列要求。

多年凍土分為上下兩層，上層為夏季融化，冬季凍結的活動層，下層為多年凍結層。我國的多年凍土分布主要分布于東北高緯度地區和青藏高原海拔地區。東北高緯地區多年凍土南界的年平均氣溫在-1°~1°，青藏高原多年凍土下界的年平均氣溫約為-3.5°~2°C。

由我國自行設計、建設的青藏鐵路格（爾木）拉（薩）段成功穿越了約550千米的連續多年凍土區，是全球目前穿越高原、高寒及多年凍土地區的最長鐵路。多年凍土的活動層反復凍融及冬季不完全凍結，會危及鐵路路基。圖a示意青藏鐵路格拉段及沿線年平均氣溫的分布，其中西大灘至安多為連續多年凍土分布區。圖b為青藏鐵路路基兩側的熱棒照片及其散熱工作原理示意圖。熱棒地上部分為冷凝段，地下部分為蒸發段，當冷凝段溫度低于蒸發段溫度時，蒸發段液態物質汽化上升，在冷凝段冷卻成液態，回到蒸發段，循環反復。

（1）分析青藏高原形成多年凍土的年平均氣溫比東北高緯度地區低的原因。

（2）圖a所示甲地比五道梁路基更不穩定，請說明原因。

（3）根據熱棒的工作原理，判斷熱棒散熱的工作季節（冬季或夏季）簡述判斷依據，分析熱棒傾斜設置（圖b）的原因。

【答案】

（1）青藏高原緯度低，海拔高，太陽輻射強；（東北高緯地區年平均氣溫低于—1℃～1℃，可以形成多年凍土。）青藏高原氣溫年較差小，當年平均氣溫同為—1℃～1℃時，冬季氣溫高，凍結厚度薄，夏季全部融化，不能形成多年凍土。

（2）甲地年平均氣溫更接近0℃，受氣溫變化的影響，活動層更頻繁地凍融，（凍結時體積膨脹，融化時體積收縮，）危害路基；甲地年平均氣溫高于五道梁，夏季活動層厚度較大，冬季有時不能完全凍結，影響路基穩定性。

（3）冬季。

依據：冬季氣溫低于地溫，熱棒蒸發段吸收凍土熱量，（將液態物質汽化上升，與較冷的地上部分管壁接觸，凝結，釋放出潛熱，）將凍土層中的熱量傳送至地上（大氣）。

熱棒傾斜設置的原因：使熱棒能深入鐵軌正下方，保護鐵軌下的路基（多年凍土）。

5. 閱讀圖文資料，完成下列要求。

凍土分季節凍土和多年凍土，多年凍土又分連續多年凍土和不連續多年凍土。我國東北北部凍土廣布，20世紀80年代以來，全球氣候變暖以及人類活動加速了該地區的凍土退化。凍土及其退化對當地氣候、森林和公路等帶來很大影響。左圖示意我國東北北部凍土分布，右圖示意本區沿122°E經線地下局部剖面。

（1）分析不連續多年凍土帶南界大致呈“W”形的原因。

（2）近年來P處山坡上的興安落葉松出現大面積自然死亡和傾倒現象，這些現象與凍土關系密切，推測這些現象的形成原因。

（3）多年凍土分布區的公路受凍土影響易出現凹凸不平的現象，解釋其原因。

【答案】

(1)受緯度（太陽輻射）因素影響，南界大致東西延伸；受東西兩側高（大興安嶺和小興安嶺）、中間低（松嫩平原）的地形因素影響，氣溫兩側低中間高， 使南界在東西兩側向低緯度（向南）彎曲，在中間向高緯度（向北）彎曲，呈“W” 形。

(2)大面積自然死亡原因：多年凍土使落葉松根系分布較淺，凍土融化，地表水下滲到深處或滲流到坡底，坡上的落葉松因表層土壤缺水而大面積死亡。

傾倒原因：多年凍土退化嚴重，凍土大量融化導致山坡地表產生不均勻下沉，使興安落葉松傾倒。

(3)多年凍土阻隔地表水下滲，使覆蓋其上的活動層富含水分；冬季加劇活動層土壤凍結體積膨脹程度，導致路面拱起嚴重；夏季路面熱量向下傳導，使活動層凍土融化，體積收縮，導致路面凹陷。

6. 閱讀圖文資料，完成下列要求。

當溫度<0℃時，土壤和巖石里的水分凝結成冰形成凍土，土壤含水量、植被'日照等條件也不同程度地影響土壤的凍結深度。我國東北地區凍土廣布，圖6示意我國東北季節性凍土標準凍深（在一定標準下超過10年實測到最大凍深的平均值)，大興安嶺地區車降水量400—450毫米，卻生長了大片的落葉松林，其生長與凍土之間存在密不可分的“共生”關系。在全球變暖和人類活動的影響下，東北地區凍土層退化嚴重。

（1）說出東北地區凍土深度變化的特點。

（2）分析大興安嶺落葉松的生長與凍土之間的關系。

（3）分析大興安嶺地區凍土退化對當地自然環境的影響。

【答案】

（1）自南向北、自東向西凍土分布的深度逐漸增大；大興安嶺北段西側凍土深度最大。

（2）春季降水少且氣溫回升快，使凍土表層融化，而深層凍土又減少了水分下滲，為落葉松的生長提供了充足的水分；夏季，繁茂的落葉松及林下的植物，能夠有效地降低到達林地的太陽輻射，降低林內土壤溫度，減緩凍土融化；落葉松及其落葉截留降水、增加下滲，減少蒸發，為凍土發育提供水分。

（3）凍土退化使冷濕的自然環境（生態環境）發生改變，旱澇災害發生頻率增多；引發植被分布變化；植被類型更替，生物多樣性改變；本來以固體形式存在的地下水流失，涵養水源能力下降。