多年冻土区不同高寒草地地表沉降差异分析及影响机制研究

As the permafrost degradation, thaw slump has been one of the primary reasons to destruct engineering, construction and ecological environment of permafrost. Accurate monitoring the process of surface subsidence, which is derived from permafrost warming in Qinghai-Tibetan Plateau (QTP), are the core issue in the research of volume changes with freezing and thawing cycle in permafrost surface soil, also are the important content of moisture, temperature and stress coupling determination. The primary plants in the QTP permafrost regions are alpine vegetation. With different fractional vegetation coverages and patch fragmentations, different alpine vegetation types have different effects in hydrothermal condition of permafrost soil. Current studies of surface deformation differences in different alpine grasslands are very limited. In this study observation fields are deployed in the areas with different alpine grasslands. With remote sensing images, aerial photographs and data of permafrost, meteorology and hydro-thermal, SBAS-InSAR, Hurst analysis of stable trend and multiple statistical methods are applied to reveal different characteristics of surface deformation in various alpine grasslands. Consideration soil parameters and environmental variables, the dominant factors of surface deformations are exploited, and the influencing mechanism of surface deformations are clarified also. The areas with thaw settlement need to be studied furtherly, which is forecasted by the Hurst analysis. In this way, the importance of exploration surface deformations in different alpine grassland will be proposed. The findings of our study may have significant implications for protecting engineering, construction and permafrost environment.

冻土退化会诱发热融滑塌，严重危害寒区工程和冻土环境。准确监测高原冻土受热引发的地表沉降过程，是研究多年冻土表层土壤体积冻融循环变化的核心问题，也是确定冻土水、热、力三场耦合的重要内容。高寒植被是青藏高原多年冻土区的主要植物，高寒草地通过不同的植被覆盖度和斑块破碎度对土层中的水、热环境产生不同影响。当前对不同高寒草地地表形变差异的认识非常有限，本项目依托部署在包含多种高寒草地类型的高原综合观测场，以遥感影像、航拍相片和冻土、大气、水热资料为基础，通过InSAR方法、Hurst稳定趋势分析法、差异分析和主成份分析等多种方法，揭示高原冻土区不同草地地表形变的差异特征；考虑土壤内在因子和外在环境条件，提取形变发生的主导因素，探讨其影响机制；并重点探索在预测稳定性之后，发生热融沉降的区域。基于以上研究，深入认知不同高寒草地地表沉降监测的重要性，为寒区工程建筑和冻土环境的长期延续提供预警方法和技术。

作为气候变化“指示器”的青藏高原多年冻土区，近几十年来受到越来越多学者关注。但是已有冻土区地表形变的研究，多单纯针对地表抬升和沉降量进行分析，鲜有针对不同高寒草地类型进行深入挖掘的。随着全球气候变暖趋势的日益严峻，多年冻土出现大面积退化现象。冻土退化和人类活动共同作用进一步引起对冻土环境稳定性的破坏，该过程会诱发多年冻土热融作用，严重威胁到寒区工程建筑和冻土生态环境。因此，急需建立妥善的策略和措施以应对高原冻土热融过程日益加剧的问题。其中，冻土区地表沉降动态监测是研究高原冻土环境活动层体积变化的关键，该研究不仅能够促进冰冻圈其他学科的发展，也是加强对冰冻圈土壤表层环境认知和预测的重要一步。在本项目资助下，项目组研究人员完成了SBAS-InSAR技术反演地表形变特征、无人机技术提取地表植被特征信息、机器学习方法预测未来青藏高原多年冻土区植被类型分布模拟等研究，最终完成对青藏高原的不同高寒草地类型条件的地表形变差异特征研究。虽然大区域尺度的气候变化研究耗时、耗力，但是我们已经解决了许多重要的机理性问题，更加复杂的大规模理论研究需要后续的进一步资助。本项目研究得到的初步结论是高寒草地整体表现地表下沉的现象，而且高寒草原的地表沉降现象明显强于高寒草甸地区。针对不同高寒草地类型，其地表形变的主导因子存在差异。高寒草甸的地表形变有可能更多的受限于温度变化，而高寒草原的地表形变则可能更多的受水分条件所制约。以上研究说明青藏高原多年冻土区植被类型条件越好，地表沉降量越小。因此今后的相关研究和政策开发需要对植被类型条件差的区域增加更多的关注，因为这些地区易发生地表沉降，导致其生态稳定性较为脆弱。