第1章绪论
在气候变化和人类活动影响下，自然环境发生了很大的变化，冰冻圈各组分受到显著影响。随着多年冻土区人类活动的增强，自然环境的人为负荷越发沉重，导致现有的冻土生态系统的平衡被打破。多年冻土退化是气候系统的临界点之一（Lentonetal.，2023）。多年冻土区的生态环境十分脆弱，其景观对人类活动高度敏感，而高寒环境下的生态系统一旦受到破坏，恢复就极其缓慢甚至不可逆。
高纬度和高海拔多年冻土区的环境受到气候变暖和人类活动影响后，会对区域和全球的气候和生态环境产生影响，这些影响往往难以预测并且不可控制。因此，全球多年冻土退化对生态环境的复杂影响是地球系统科学亟待解决的重点问题。近年来冰冻圈科学产生了一个具有学科交叉性质的基础学科方向—冻土环境生态学。环境生态学是指以生态学的基本原理为理论基础，研究人为干扰下，生态系统内在的变化机理、规律和对人类的反效应，寻求受损生态系统恢复、重建和保护对策的科学，阐明人与环境间的相互作用及解决环境问题的生态途径。冻土环境生态学阐明气候变暖背景下全球冻土快速变化及其气候、生态和环境效应，是冰冻圈科学的重要分支，也是认识冻土变化及其影响的学科基础（秦大河，2018）。本书主要聚焦冻土的发育、变化及其生态环境效应。绪论部分主要阐述了冻土环境生态学的研究意义、研究内容和方法。
1.1冻土环境生态学研究意义
冻土是冰冻圈的重要组成部分，包括多年冻土和季节冻土，其中多年冻土约占北半球陆地面积的22%。冻土分布广泛且具有较为*特的水热特性，使它成为陆地表层环境过程中非常重要的气候和环境因子。冻土和气候系统之间的相互作用显著。一方面，冻土是气候变化的敏感指示器，气候变化将引起冻土地区环境显著变化，并对冻土工程安全和稳定性产生不利影响；另一方面，由于冻土所具有的水热特性及其广泛分布的地理区域特征，冻土的变化对气候系统的反馈作用显著。近年来气温升高导致冻土活动层加深，冻土生态系统各种要素，如植被群落结构、生物生产量以及生物多样性等发生了显著变化，同时冻土融化时释放大量温室气体，使区域水循环发生深刻变化，继而对整个气候系统将产生重要影响。
全球变暖导致的多年冻土退化会使其长期积累的有机碳分解释放，从而驱使多年冻土区生态系统可能由碳汇变为碳源，特别是冻土温度升高和水分的变化，将会导致微生物活动增强。多年冻土中储存的碳在微生物作用下以温室气体的形式释放到大气中，使得大气中温室气体的含量进一步增加，进而加剧全球变暖。多年冻土退化对全球变暖的正反馈效应，是目前全球变化研究领域极为关注的科学问题之一。开展多年冻土的生物地球化学循环研究，探讨各物质及其组分的迁移转化过程（特别是碳循环），对于揭示冻土环境对全球变化的响应特征，探究冻土变化与气候系统相互作用关系具有重要意义。
多年冻土退化引起土壤中的化学物质释放已受到国内外众多学者关注。当今正在执行的化学品禁/限用国际公约（如《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》《关于汞的水俣公约》等）所涉及的污染物均可以在全球冰冻圈中检测到其“踪影”，这些污染物大多具有半挥发性，极易沉降和积累于高寒的冰冻圈区域，且诸多证据均指明其来自人类活动的释放，并经过远距离传输沉降到冰冻圈。多年冻土退化会引起这些有害物质的释放，从而对人类产生危害。例如，汞在微生物作用下发生甲基化过程，生成毒性增强的甲基汞。甲基汞可以在生物体内富集，威胁营养级较高的动物甚至人类的健康。
冻土低温环境和冻融过程所影响的水分和温度变化为冻土中的化学过程提供了特殊的条件。因此，明确冻土退化速率和过程机制，阐明冻融过程中的生物地球化学过程，厘清冻土营养元素循环和调节机制，认识冻土环境中污染物的迁移转化，可为应对未来冻土区气候和环境变化提供科学支撑，开展冻土环境生态学的研究可以更好地预测和评估未来冰冻圈水资源和水质变化，为减缓有毒污染物对冰冻圈影响区的生态环境保护提供应对策略。
1.2冻土环境生态学研究内容
冻土环境生态学的研究内容主要包括冻土变化及其与环境相互作用、冻土碳循环的生物化学过程、冻融过程的化学作用和冻土污染物的环境效应。这三个内容之间具有紧密关系。
（1）冻土变化及其与环境相互作用。研究多年冻土形成和发育的气候条件，多年冻土分布及其与气候、植被和积雪的相互作用机理，阐明多年冻土区气候和植被变化特征，明确多年冻土变化，如地温、活动层厚度和热喀斯特景观演变特征与规律，预估未来气候情景下多年冻土的变化趋势。
（2）冻土碳循环的生物化学过程。研究多年冻土退化，包括升温和快速崩塌影响下土壤有机碳的组分、分解和释放等过程以及碳分解过程中各种土壤酶促反应、化学变化与调节机制。在局地尺度、流域尺度和全球尺度系统阐释多年冻土碳过程对全球变化的响应机理，评估多年冻土碳与气候反馈效应。
（3）冻融过程的化学作用和冻土污染物的环境效应。冻融过程的化学作用研究冻土低温环境下水合物和结晶水合物的生成过程、未冻水影响下的溶胶凝结和胶体化合物的形成、冻土中氧化还原体系等。冻土污染物的环境效应研究冻土污染物性质和分布及其生物地球化学过程和影响，包括污染物在迁移、转化过程中的生物物理化学行为、反应机理、积累和归宿及其对环境的影响评估等。
1.3冻土环境生态学的发展与研究方法
1940年和1959年，苏联学者相继出版了《普通冻土学》和《冻土学原理》教材，显示出冻土学的发展达到了较高的深度和广度。2000年周幼吾先生等主编的《中国冻土》系统阐述了中国冻土形成条件及其主要特征，多年冻土分布、温度和厚度的空间变化规律等（周幼吾等，2000）。进入21世纪后，人类面临生存环境不断恶化和资源匮乏等问题，此时发展环境生态学应运而生，并成为解决环境问题和实施可持续发展战略的重要科学基础。我国系统的冻土研究是在20世纪60年代以后开展的，目前已在普通冻土学、工程冻土学、冻土物理力学、冻土物理化学方面取得了不少成果，形成较为完整的研究体系。鉴于近三四十年以来冻土学的理论基础和实践基础研究取得了巨大进展，产生了冻土环境生态学这一新兴的交叉学科。
21世纪以前，冻土环境方面的研究主要是通过测定土壤颗粒组成、含量和元素组分来分析冻土区土壤化学性质及其化学规律，这为冻土区土壤发生分类提供了重要基础。21世纪以来，分析技术从元素分析发展到结构分析，在低温条件下土壤有机质化学组成、有机矿质复合体类型、水合物和结晶水合物、氧化还原体系等方面都取得了不同程度的进展，构建了较完整的冻土环境科学研究体系。在全球变暖背景下，冻土碳氮等营养元素和污染物的气候环境效应引起广泛关注，利用同位素技术和原位监测方法研究痕量气体、污染物和碳氮等养分的生物地球化学过程及其源汇效应，充实了冻土环境生态学的理论基础和研究意义。随着遥感技术的发展和应用，多年冻土地下冰融化导致的热喀斯特景观演变及生态环境效应得到了快速发展。近年来，随着多年冻土对气候变化的响应机理认识逐渐深入，相关的陆面过程模型得到了重视，多种模型被广泛用于预估多年冻土热状态变化及其碳收支研究。
随着冻土学与水文学、环境科学和生态学等其他学科的交叉融合及分析方法的创新，冻土环境生态学的研究方法趋于多元化。冻土环境生态学的主要研究方法包括野外观测和样品采集、实验分析和模型模拟等。野外观测是利用测量仪器监测冻土区气象、水文、植被和碳氮等物质通量的指标参数。样品采集是利用钻探、坑探、静态箱等方法采集土样、水样及气体样品。实验分析主要测定样品中元素组成比例和含量、分子结构特征等，用于认识物质的化学结构和形态。实验分析从常量到微量，从组成到形态分析，从宏观组分到微观结构，不断探索发展。在综合野外观测和实验数据的基础上，利用地球系统模型和陆面过程模型进行模拟分析，可揭示冻土化学组分的生物地球化学规律及其气候和生态环境意义。
第2章多年冻土的形成和发育
多年冻土区*特的下垫面特征、活动层强烈的冻融过程和多年冻土的弱透水性、高有机碳含量及大量发育的地下冰显著影响着地气能水交换过程、地表和地下产汇流过程以及植被和土壤的生物地球化学循环过程，使其在气候、水文和生物乃至人类等各圈层中发挥着重要作用。因此，多年冻土的形成和发育条件是冻土与环境变化研究的基础和前提。本章阐释了多年冻土形成与发育的条件，目前冻土制图的进展及主要地区分布特征；阐明了冻土分布与生态植被之间的关系，梳理了积雪与冻土之间的关系。
2.1多年冻土形成与发育条件
冻土通常被视为气候的产物（Shur and Jorgenson，2007），在全球或区域尺度上，冻土的形成与分布主要由气候因素，如气温、降水的地带性变化控制，表现出随海拔、*****的三向变化。但冻土与气候之间的联系是复杂的，冻土的热状况通常直接受到相互关联的生态系统成分，如地形、地表水、地下水、土壤特性、植被和雪的影响（Heijmans et al.，2022；Jorgenson et al.，2010）。
根据国际冻土协会（International Permafrost Association，IPA）的定义，多年冻土是温度在0℃或低于0℃至少连续存在两年的岩土层。覆盖于多年冻土之上的夏季融化、冬季冻结的土层称为活动层，它具有夏季单向融化、冬季双向冻结的特征。多年冻土是特定气候条件下岩石圈—土壤—大气圈物质和能量交换的产物，自然界中参与物质能量交换过程的许多环境因素都会影响多年冻土的形成与发展，其中气候对多年冻土形成有重要作用。气候是某一区域多年天气的平均状态，其本身与太阳活动、地表各圈层的水热状况有着密不可分的关系。陆地气候系统的区域差异是导致冻土分布区域差异的主要原因。多年冻土的形成与地表辐射-热量变换有关。辐射平衡决定地表能量收支、气温和地温变化，且与太阳总辐射量、地面反射率、有效辐射有关。土壤冻结发生在有效辐射大于吸收辐射期间，即辐射平衡具有稳定负值的时期，地面温度在此期间得以降至0℃以下。活动层热交换量是连接大气与多年冻土热状况的纽带，土壤热交换量年内正负值的差值很小，但在长时间内（地质尺度）土壤热交换量年际正负值不断变化，在岩石圈表层逐渐积累，足以形成或融化几百米厚的冻土层。
年平均气温是体现一个地区大气环流、地表辐射-热量变换的特征变量，是导致地温变
化的主要原因，是判别多年冻土是否存在的指标之一。年平均气温随纬度、海拔的升高而逐渐降低，当年平均气温降低到一定程度时，多年冻土开始逐渐发育。因此，年平均气温的空间分布格局，基本决定了多年冻土的分布格局，全球的多年冻土分布区也因此被划分为受控于纬度气候带的高纬度多年冻土和受控于海拔气候带的高海拔多年冻土两大类。
多年冻土与降水的关系比较复杂，降水量、降水时间、降水频率、降水形式等差异都会引起地气之间能量交换变化。例如，不同区域年降水量增大，可能伴随冬春降雪增多或夏秋降雨增大。在冬春降雪增多的情况下，如果积雪深度较厚、持续时间较长，由于积雪的低热导率性质，对下伏土壤具有一定的保温作用，对土壤的冻结有抑制作用，不利于冻土的形成。夏秋降雨增大对冻土活动层有冷却作用，有助于冻土的保存。而同一地区降水量的长期增加，会改变地表能量与水分平衡过程，可能导致地表温度降低、地面蒸发增大，同时土壤内部水热运移分量受影响，水分下渗，导致土层中热流、土层水热参数发生变化，进而改变地表的热通量，影响多年冻土的发育。
云量和日照决定了地面接收的太阳辐射强度，并通过辐射平衡影响地面和土层的温度。北半球高纬度地区以及我国多年冻土分布区夏季云量多，降水相应也较多，日照少、蒸散发大，从而减弱了地面的受热程度；而冬季云量较少，相对日照多，但北半球受太阳高度角的影响，太阳总辐射量较弱，且冬季植被覆盖度差、积雪覆盖增多，使得地表反照率增大，辐射平衡出现负值，有利于地面冷却和土壤冻结。
积雪的高反射率效应和水文效应通过改变地表能量平衡、水循环以及大
展开
