黑河流域冻土特征及其对生态—水文过程的影响

多年冻土及土壤季节冻融循环对地～气间热量交换，生态-水文过程，水资源，地-气间碳循环都起着至关重要的作用。黑河流域上游山区位于祁连山高寒带山地多年冻土区，我们对黑河流域冻土分布及其水文过程的了解非常有限。针对黑河流域"冻土变化过程及其流域水文效应的辨识"的科学问题，本课题将应用野外钻孔勘探，定期定点观测及数值模拟等方法，对黑河流域冻土过程及其流域水文效应进行全面系统研究；揭示黑河流域冻土演化特征及尺度效应；详细研究土壤季节冻融过程及其影响因素；编制大比例尺黑河流域冻土分布图；系统分析在气候变化条件下冻土演化过程及其对流域水文过程，水资源形成过程及生态环境效应；综合研究黑河流域冻土分布及其变化与水文过程，特别是与地表径流和地下水的相互关系。明晰冻土的水资源效益，分析人类活动及气候变化对流域水资源的影响。该课题的最终目的是为提高流域出口河流径流预报提供可靠的科学依据。

基于气象资料、冻土野外调查、定点观测及室内试验等，本项目详细研究了黑河流域内气候、土壤季节冻融过程的基本规律和变化趋势，基本摸清了流域多年冻土的基本特征，研究了在有氧和无氧条件下温度对活动层和多年冻土层中碳的分解速率的影响，开发出考虑相变的、基于钻孔温度反演过去气温变化的基本解方法。主要取得以下成果：1)1972/1980–2006年，0～20 cm年平均土壤温度以0.58～0.63℃/10a的速率升高。土壤的冻结始日每10a延迟2d，冻结终日提前4d，冻结历时则缩短6d。最大季节冻结深度以-4.0 cm/10a的速率减小。2)黑河源头西支的多年冻土下界为3 650～3 700 m。结合探地雷达和坑探的结果发现：在峨博岭南坡，已不存在多年冻土；在北坡，多年冻土发育的下界海拔约为3 400 m。根据2008年年平均气温与海拔高度的经验-统计模型，估计多年冻土区的面积约占流域面积的10.47%～11.00%。3)受高度地带性的控制，黑河西支的多年冻土年平均地温由在海拔4 132 m处的-1.78℃逐渐升高到海拔3 700 m处的-0.04℃，多年冻土厚度相应的由111.6 m减小至13.2 m；而活动层厚度由在海拔4 132 m的1.6 m增加至海拔3 700 m处的3.9 m。在峨博岭北坡，地表的微弱起伏，如冻胀草丘、低洼积水，也会使得活动层厚度相应的产生变化。4)通过室内培养实验发现，随着温度升高，CH4潜在释放位于多年冻土上限附近及深层土壤有机碳，CO2释放主要来自活动层和深层的土壤有机碳。5)在根据钻孔的温度梯度反演过去气候变化方面，验证和比较了奇异值分解方法、泛函空间反演方法、Tikhonov方法和基本解方法，最终开发出考虑相变的、基于钻孔温度反演过去气温变化的基本解方法。