沙漠化对青藏高原冻土地温影响的新发现及意义

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1、自总科半集金J页曰逬履&栏www.scichina com中国科学杂占社 SCIENCE CHWA PRESS沙漠化对青藏高原冻土地温影响的新发现及童义谢胜波，屈建军，俎瑞平巴张克存，韩庆杰%1 中国科学院寒区早区坏境与丁再研究所沙漠匂沙淇化玻点实報室.兰州730000;%1 中阖科学院寒区早区环境与工程研究所敦煌戈壁荒漠糾究站，敦煌736200：%1 甘审省风沙灾壽防治工稈技术研究中心.兰州730000联累人Email: qujwmjlzb.aiC52011-09-22 收稿.20111114 接豈国家穴燃科学堆金建点型目(40930741).国家自燃科学基金(41071009)和中国科学鸵

2、知识创新工程豆要方向项目(KZCX2 YW-329)助关攏词 沙澳化原 床土地温 诉发现摘要 青藏高原上发育着世界上独一无二的沙漠和冻土.然而，沙谟化对冻土地盘产生的影响目 前仍不清赠.近年来.随着青藏高原沙漢化的发展.这个问题愈加令人担忧.为此，作者在青裁高 原红彖河建立观测实验场，利用热敏电檢地温探头，通过野外同步对比观测方法，于2010年5月 2011年4月对不同厚度沙层下的冻土地温进行了 1个完整年的观测研究.发现沙层对下伏多年冻 土有保护作用，表现为厚沙层下地滥在多年冻土上限附近以下球度全年均低于天然地表.降温幅 度大约戏定在0.2您，夏半年59月最大处降温分别达340,3.72.4

3、.85,3.16和1.88P;算沙层下地 温在上琅附近全年都低千相应的天然地表，量大处降温幅度全年平均达0.71 X：.其初步结论不仅 对探索青藏髙原沙漠与冻土之间的关系具有科学意义.而且为青渡高原工程建设地区的冻土保护 提供了一种新恩路.原冻土地温除了受纬度和 海拔影响外，还受地质构造、地規形 态、沙澳化、含水SL岩性.植积 杏、水体等局地因索的影响在特 定条件下.其影响甚至会趙过区域大 久候背ft*5-61,正是这些咼地因索的存 在才使得商藏髙原T.程建设地区的冻 土保护成为了可能叫沙漠化作为一 种影响冻上地温的虫要局地冈素，尽管 任肯藏高原多年冻上区(149x10 km2) 广泛发育若，

4、但是沙漠化对冻土地温 彩响的研究却相对薄弱，至今尚无定 论.其中，一些研究认为在仔藏高 原多年冻土区风沙发育地段.地温比 无沙区高.多年冻土可能加遠退化; 另一些研究又认为沙层对地温的影响 具有双晝性叫表现为厚沙层K盖 区地温奇于无沙区.冻土会加連Mt化. 而薄沙层覆盖区地温低于无沙区，冻 土会得到保护.由于受当时条件和技 术的局限.以上结论只是一些零星观 测和简单推理，缺乏长期观测和系统 研究，以至于得出的结论不尽相同，甚 至相互矛眉近年来，伴禰若青嚴高原 的气候变化1叫沙澳化祀发展冋, 沙漠化土地面积达33.03x10 km2ll7J，1, 其对冻土环境影响的研究嘔待开展, 为此.作者于2

5、010年在青藏髙原红梁 河建立风沙、冻土地温以及气象观测 实购场.试图揭禾沙漠化对育藏高原 多年冻土地温的影咆.实於地点选择在青藏髙原红梁河. 350313N, 93O1O7E,海拔 4658 m, 这里地处肯藏髙原腹地，恒被稀少. 风沙活动强烈.地表发育有各种不何 厚度的沙层，地下发育看大片连续多 年冻土.场内地势平坦.是研究青藏 岛廉沙漠化与冻土关系的理想场所. 实验场内共设覺了庁沙层、薄沙层、天 然地表3个测温孔，沙层系白然形成 (形成于2001-2006年).其厚度和面积 分别为 1.20, 0.10, 0 m 和 20x15, 500x50, 0 m2;测温孔深度、直轻分别 统一为2

6、0和0J2 m.为确保地恳、含 水圮、冻土发育条件等局地因素背景 值的战大相似性，厠温孔之何的距冉 控制在50 m为防止沙层被风吹0U 设立了阻、固抄措施.以保证沙层厚度 的稳定.地湍观测自沙层底部开始. 观测深度不包括沙层甲度，考虑到钻 孔时对冻土热平衡的破坏，在打钻结 束后60夭开始观测地沿，以更好地使 测温孔与周国冻土恢复热平衡.达到 稔定状态.地温观演便用白侖烬敏电阻地温 探头I精确到0.01T),每个测温孔0- 10 m深度.间距为0.5 m, 10-20 m深昊文：Xe S B. Qu J J. Zu R P. el at. New M2, dot: 10.1007/* U434-

7、011-490PS附 E JL加 2012年2月 第57卷 第6期度间护为Im,将探头绑定连接在电缆 上，用PVC软管封闭电缆放入到密封 的32 mm钳塑管中，以防止洛水.再 将垂直放入钻孔内.外 壁与孔壁之间的环状空隙用干燥细沙 冋坦.电缆连接到数采仪上.数采仪 对热敏电阻测到的数据按每小时I次 采集，从2010年5月到2011年4月连 续观测了 1个完镀年.经过1周年的连续观测发现.不 同厚度积沙与无积沙大然地表下的多 年冻上地温存在明显差异（图1）.主要 衷现为：（i）厚沙层下地温，以多年 冻土上限附近为界.以下深度的多年 冻土足，不论季节.厚沙层下坟温全 年均低于天然地农.降谥幅度大约

8、稳 定在02七.而以上深度的活动E, W 随李节变化而不同.夏半年（59月）地 表代温为正值且高于地温，厚沙辰下 地温明显低于相应的天然地表，而R 越幕近地表.赵别越大，最大值出现 在近地表处.5个月降温幅度分别达 3.40. 3.72,4.85,3.16 和 1.X8C 随若深 度的增加.海温幅度减小；冬半年 （H-3月）地表气温为fttfia远低于地 温，厚沙层下活动层地温在负值上岛 于天然地衣，但整个凉土脛自蚊茨以 下仍处于冻结状态;4和10月既是地表 气温口正负变化频紫I叩、也足冻土活 动戻融化和冻结相互转化的过渡时节. 4 J1由冻结向融化状态转化时.活动层 地温丹沙层低于夭然堰表，

9、10月由融化 向冻结状态转化时，活动层地温呼沙 层高于天然地表.（ii）薄沙层下地温 在冻上上限附近全年祁明也低于相应 的天然地表.嚴大处降温te!度全年平 均达0.71 r,而以上的近地衣层和以 下的多年冻土层趙别不明显，呈现出 上限附近陈温战明显，向上和向下逐 步减小的地温分布状况.（iii）在多年 冻土上R4附近.薄沙层下地温降低的 加度甚至大于相应的厚沙层，上限以 F深度的多年冻土层，耳沙层降温帕 度大于薄沙层.以上深度的活动层, 炸沙层下地温年校差小于相应的薄沙 层和天燃地表，地温变化状况随季* 而不同.此外，在现测时段内.沙层下* 年冻土上限上升.天然地表测温孔冻 土上限深度为3.

10、2 m,冲沙层、薄沙层 分别为2.9和2.8 m,二者较天然地表 分别上升了 0.3和0.4 m.当原沙漠化产生后.地丧 被沙復盖，沙地对太阳辐射的反射率 可达到0.257.4,而普通裸露地表的 反射率只有0.17.25.由于沙地反射 护明応于次裁地右，使得沙层樓孟 的地表反射略增大.地血净辐射减少. 通过地面长波辐射以及地气系统的湍 流交换，大部分热呈又逸散到大气层 中，因此.通过土壤热流传导到沙戻 底下冻土层的热皇相对减少导致地 表有沙层股孟F的地温比天然地表F 地温低.多年冻土上限上升.这一点 可以从育藏高原的地表煥H平衡中得 到印证持别是在高嫌的多年冻土 区，梅拨髙，地表厦盖属于鬲寒荒

11、漠 申原,植被稀少.降水员少.蒸发彊弱. 通过水分潜热传输的热if小，地气系 统的热交换以感热传输为主卩气也就 足说水分在右藏商原务年冻上区地表 与大气的热虽交换中不起主要作用. 在一定的大气駅动条件下，土壤的热 流毀受热惯竝、热扩散系数以及含水 駄等因索的影响l22W,.较之天然土层, 沙层含水墩低，煥惯品小，土中热流 盘小，地温变幅小吧迪透气的不良 导体.热传导性能羞（绚.在厚沙层漠i 温孔，夏半年.地表气41为正值且高 于地温.沙层阻掛首地表热试向地下 传递，因此厚沙层测温孔地温明显 低于天然地我测温孔地温.活动尼降 温最明显.随君深度的増加.由于有 来自地下的热传递.降温幅度域小： 冬

12、半年，地袈气温为负值且远低于地 温，沙层同样也RI挡老地表冷源向下 传递，甘致活动层地温在负值上鬲于 天然地表.岀现年较筮减小的热状况. 这与Wang等人I绚在育嚴烏凉楚马尔 河（199679的年）的爛测结果相似.在 薄沙底测温孔地农.由于只KITO.lm 的薄沙.夏李热阻拦作用絞小，冬季 冷阻挡作用也较小，与厚沙层相比, 薄沙层表面夏寺热殳、冬手冷源传递 到活动层都相对容易所以.在活动 层，薄沙层测温孔地诅与天然地表差 别不明砂，在地下有来自地球内秤的 热凤，加之薄沙层的影响有限导致 地温与天然地表测温孔儿乎没有差别. 丽在边界层受地表利地卜的热影响都 较小.使薄沙层测温孔地温全年都出 现上

13、限附近降温明显.而以上的活动 层及以F的多年冻土层地温差别逐步 缩小的热状况.在肓藏高原沙谟冻土区.与天然 地表相比片沙层下冻土地混以上I 附近为界，以F的多年冻土宏全年都 降温、其帕度约为0.2P.以上的活动 层则因季节而不同.夏半年降逛.冬 半年在负值上堆温.地温年较差缩小. 4和10月为过渡薄沙层下冻土地温 在上限附近全年都降温.而以上的活 动层和以下的多年冻土层地温差别逐 步端小总体上，育裁高原沙漠化对 冻土起保护作用.沙层下冻土地温改变的 主要原因是沙层的反射率以及热传导 性能与天然地表存在差异.沙宏反射 率大，热传导性能差，所以.沙层越厚. 对热传导的R1掛作用越强.总之.通过20

14、10-2011年I整年 的连续观测可以初步认为，在背藏髙 原沙濃冻土区，地表沙辰对F伏&年 冻土能起到保护作用.尽符冬半年厚 沙层测温孔沽动层她温住负值上高于 相应的大然地表，但是冬半年自地表 以下整个冻土层仍处于冻结状怎.不 存在冻土融化问0L并不彬响苴侏护 作用的实际效果.育藏為原多年冻上 乎节融化迅速发展期发生在覆半年的 6月上旬9月上旬而这一时期恰 好是厚沙丿丄对下伏多年冻土保护作用 效果最佳的时期因此.从总体11来 看，厚沙层对多年冻土的保护作用略 优于薄沙层.在动压力较小或者静压 力情况下.不会便地表建筑物或构建 物的地菇变形.今后可以考虑把徂沙 方法应用到前述动、静压力条件下多

15、年冻土保护的实践中.这为青藏高原 多年冻土区工程建设的冻土保护提供 了一种月平萨爲2.85弋120 cm沙层天然地舉10cm沙展SCC)2.0304050竝討CC)3456789 10 11*8月ms rc)12345678fiasrc)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1268101214161820月平：9气温5 15C120 cm沙思天渕辭10 cm :pE晌9)45678月平勺气总8 529 120 cm沙层-天然19叢怕5沙辰468101214161820 b i b A bkb b b b b月平均P7 769120 cm :；淀天然嫌10 cm沙Q!3&B (C)七-5Y 3-2-11 儿、7.三：匚卄月冃率玛P -999eC120 cm沙艺