杜二計(jì)， 楊 斌， 譚昌海， 肖 瑤， 劉廣岳， 鄒德富，趙擁華， 吳曉東， 吳通華， 趙 林， 胡國杰，周華云， 李智斌， 汪 易

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室藏北高原冰凍圈特殊環(huán)境與災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅蘭州730000； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心，四川成都610036；4.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044）

0 引言

在凍土學(xué)中，活動(dòng)層是指位于多年凍土層之上，冷季凍結(jié)暖季融化的土層，也可稱為季節(jié)融化層［1-2］。在野外調(diào)查與監(jiān)測(cè)中，通常把多年凍土層上覆巖土層的年內(nèi)最大融化深度視為活動(dòng)層厚度。活動(dòng)層雖然不屬于多年凍土，但其厚度及空間分布是多年凍土分布特征及其變化的重點(diǎn)研究對(duì)象。多年凍土與其他圈層之間的相互作用過程都與活動(dòng)層的凍融過程有關(guān)，如多年凍土區(qū)的陸-氣水熱交換過程、地表植被生長及生態(tài)演化過程、地表水分循環(huán)過程、生物地球化學(xué)循環(huán)過程及土壤成土過程等［3］，因此對(duì)多年凍土與其他圈層相互作用機(jī)理的研究在很大程度上可歸結(jié)為對(duì)活動(dòng)層凍融過程的研究?；顒?dòng)層通過凍融循環(huán)過程控制下伏多年凍土層與大氣圈的水熱交換過程［4-5］?；顒?dòng)層厚度較小的地區(qū)，深部巖土層受氣候波動(dòng)變化的影響也相對(duì)較小，多年凍土也相對(duì)容易保存。譬如在多年凍土分布下界或南界的島狀多年凍土區(qū)，多年凍土通常出現(xiàn)在活動(dòng)層厚度較薄的沼澤草甸區(qū)域。活動(dòng)層厚度分布及其凍融過程中凍融鋒面的變化控制著地表水文過程［6-7］、陸-氣水熱交換過程、土壤有機(jī)質(zhì)分解及溫室氣體排放［8-9］。有研究表明，青藏高原東部地區(qū)活動(dòng)層厚度是影響1～2 m 深度內(nèi)土壤有機(jī)碳和氮含量的主要控制因子之一［10］。青藏高原是中低緯度地區(qū)高海拔多年凍土分布面積最大的地貌單元，最新研究結(jié)果顯示其多年凍土區(qū)面積約為106×104km2，占青藏高原總面積的40%［11］。青藏高原由于地處中低緯度且平均海拔在4 000 m 以上，強(qiáng)烈的地表輻射導(dǎo)致多年凍土分布地帶的活動(dòng)層厚度普遍較厚。Luo 等［12］指出青康公路沿線活動(dòng)層厚度的變化范圍在1.33～4.88 m，Li 等［13］的研究結(jié)果顯示青藏公路沿線活動(dòng)層厚度變化范圍在1.00～3.20 m。青藏高原以高山為主的地貌特征，導(dǎo)致多年凍土區(qū)活動(dòng)層厚度存在很大空間差異，目前還缺乏全面、系統(tǒng)的研究成果。

唐古拉山脈是青藏高原中部東西走向最大的山脈，主體山脈海拔在6 000 m 以上，南北兩側(cè)是海拔4 600～4 800 m 的山麓平原。唐古拉山脈是青藏高原南北降水分界線，南部降水受印度季風(fēng)影響，北部降水與西風(fēng)帶相關(guān)聯(lián)［14］。最高峰各拉丹冬海拔6 621 m，是唐古拉山脈現(xiàn)代山地冰川、多年凍土最為發(fā)育的地區(qū)之一。各拉丹冬南坡是西藏面積最大的湖泊色林錯(cuò)的主要補(bǔ)給河流扎加藏布的發(fā)源地，而北坡是長江源頭沱沱河的發(fā)源地。為了調(diào)查上述兩個(gè)區(qū)域內(nèi)多年凍土的分布特征，包括多年凍土分布邊界、多年凍土地溫、地下冰及活動(dòng)層厚度分布，并評(píng)估多年凍土分布及其變化對(duì)區(qū)域水資源的影響，第二次青藏高原綜合科學(xué)考察項(xiàng)目“多年凍土對(duì)亞洲水塔的影響”專題項(xiàng)目組分別于2019年和2020年的10月至11月對(duì)扎加藏布上游和沱沱河源區(qū)進(jìn)行了多年凍土分布特征的綜合野外考察。本文利用上述兩個(gè)區(qū)域野外調(diào)查數(shù)據(jù)研究了唐古拉地區(qū)活動(dòng)層厚度分布特征，同時(shí)分析討論活動(dòng)層厚度空間分布的主要影響因素。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本研究涉及的區(qū)域?yàn)樘乒爬矫}中段的南、北坡兩個(gè)區(qū)域。南坡區(qū)域位于色林錯(cuò)主要補(bǔ)給河流扎加藏布海拔4 700 m 以上的上游地區(qū)，北坡區(qū)域位于長江源沱沱河海拔4 600 m 以上的上游地區(qū)（圖1）。南坡區(qū)域地表植被主要為高寒草原或高寒荒漠，沼澤草甸呈現(xiàn)零星分布狀態(tài)，集中在山體坡腳及河流兩側(cè)的匯水洼地區(qū)域。區(qū)域內(nèi)多年凍土基本連續(xù)分布，在海拔4 800～4 900 m 附近河流兩側(cè)局部范圍內(nèi)為季節(jié)凍土區(qū)［11］。2020 年鉆孔測(cè)溫結(jié)果顯示，調(diào)查區(qū)海拔5 000 m 以下多年凍土厚度在70 m 以內(nèi)。北坡區(qū)域主要為高寒草甸及高寒草原，沼澤草甸呈現(xiàn)零星分布狀態(tài)，集中在山體坡腳地帶。整體上，北坡植被發(fā)育要好于南坡。此外，北坡區(qū)域內(nèi)多年凍土基本連續(xù)分布，在雁石坪鎮(zhèn)、唐古拉山鎮(zhèn)周邊及沱沱河河床周邊局部區(qū)域無多年凍土分布［11］。野外鉆孔巖心資料顯示，在海拔4 900 m附近的沱沱河河床地帶無多年凍土分布，海拔4 700 m 以下出現(xiàn)季節(jié)凍土，多年凍分布的最低海拔為4 654 m，據(jù)此推斷唐古拉山脈中段北坡多年凍土分布下界海拔大致在4 600～4 700 m 之間。位于山前沖洪積扇地帶海拔5 000 m 附近的鉆孔巖心記錄顯示，多年凍土厚度在70 m 以內(nèi)，與南坡色林錯(cuò)上游地區(qū)的最大多年凍土厚度相近。

根據(jù)南坡安多、北坡沱沱河及唐古拉埡口三個(gè)氣象站（場(chǎng)）2005—2017 年的降水、氣溫監(jiān)測(cè)資料，調(diào)查區(qū)整體的氣溫、降水分布規(guī)律表現(xiàn)為唐古拉南坡氣溫較北坡高，降水較北坡多。此外，氣溫隨海拔增加而明顯降低，降水隨海拔增加有增多的趨勢(shì)（表1）。

表1 唐古拉地區(qū)三個(gè)氣象站（場(chǎng)）的氣溫和降水對(duì)比Table 1 Comparison of air temperature and precipitation at three meteorological stations in Tanggula area

1.2 活動(dòng)層厚度及水分?jǐn)?shù)據(jù)

活動(dòng)層厚度利用探地雷達(dá)（GPR）探測(cè)獲取。GPR 系統(tǒng)為MALA ProEx，探測(cè)天線為中心頻率100 MHz分離式非屏蔽天線。具體探測(cè)方式是在每個(gè)調(diào)查點(diǎn)布設(shè)50 m 長度的剖面，根據(jù)地表植被及土壤水分條件特征，選取1 m、2 m、3 m、4 m 等不同天線間距，以步長0.2 m 的等天線距法探測(cè)活動(dòng)層凍融界面的傳播時(shí)間。對(duì)傳播時(shí)間無明顯變化的探測(cè)剖面，采用往復(fù)寬角法獲取電磁波傳播速度；對(duì)傳播時(shí)間有明顯變化的探測(cè)剖面，利用多天線距法計(jì)算電磁波傳播速度［15］。最后，利用傳播時(shí)間GPR解譯剖面與傳播速度數(shù)據(jù)計(jì)算獲取活動(dòng)層厚度。每個(gè)調(diào)查點(diǎn)活動(dòng)層厚度是50 m 長探測(cè)剖面的平均值。研究區(qū)GPR 探測(cè)剖面分布如圖1 所示，共布設(shè)GPR 剖面72 條，海拔覆蓋范圍在4 600～5 200 m 之間。其中16 個(gè)調(diào)查剖面位于唐古拉南坡扎加藏布上游流域及其邊緣的青藏鐵路沿線地區(qū)，其余56個(gè)剖面位于唐古拉北坡的沱沱河上游流域及其邊緣的青藏公路沿線。

圖1 研究區(qū)域Fig. 1 Map showing the study area

活動(dòng)層土壤含水率（θ）利用介電常數(shù)計(jì)算獲取。土壤介電常數(shù)與GPR 波速存在如下關(guān)系［式（1）］。利用適用于青藏高原多年凍土區(qū)活動(dòng)層土壤體積含水率與介電常數(shù)關(guān)系校準(zhǔn)曲線［式（2）］，計(jì)算獲取活動(dòng)層土壤體積含水率［15］。

式中：c為真空中的電磁波速（0.3 m·ns-1）；v為活動(dòng)層內(nèi)的GPR波速（m·ns-1）；ε為介電常數(shù)。

1.3 地面溫度數(shù)據(jù)

地面溫度原始數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局（NASA）發(fā) 布 的1 km 空 間 分 辨 率MOD11A2 和MYD11A2 無云條件下的陸面溫度處理產(chǎn)品（Version 5）（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。該數(shù)據(jù)集為Terra 衛(wèi)星和Aqua 衛(wèi)星上搭載的MODIS 傳感器獲取的熱紅外遙感數(shù)據(jù)經(jīng)處理后每日4次、8 天合成的陸面溫度產(chǎn)品，利用HANTS 算法［16-17］插補(bǔ)缺失日期數(shù)據(jù)。由于植被、積雪的影響，紅外遙感獲取的陸面溫度與0～5 cm 實(shí)際地面溫度存在偏差。因此，利用唐古拉、五道梁、西大灘三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 cm深度地面溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建其與每日4次MODIS 陸面溫度的多元線性回歸方程，計(jì)算獲取5 cm 深度地面溫度日均值產(chǎn)品序列［11，18］。本研究中采用的地面溫度數(shù)據(jù)為2003—2012 年的平均值正積溫?cái)?shù)據(jù)，即每年溫度大于0 ℃地面溫度的累加值。

2 活動(dòng)層厚度的空間分布特征

活動(dòng)層厚度的整體變化范圍在1.2～5.6 m 之間。最小活動(dòng)層厚度出現(xiàn)在唐古拉山埡口附近的沼澤草甸地區(qū)，最大活動(dòng)層厚度出現(xiàn)在河流一級(jí)階地的邊緣地帶。野外調(diào)查的72 個(gè)樣點(diǎn)中，有9 個(gè)調(diào)查點(diǎn)的活動(dòng)層厚度小于等于2.0 m，主要位于沼澤草甸地區(qū)，其中有一個(gè)調(diào)查點(diǎn)位于礫石層分布的典型高寒荒漠地帶，活動(dòng)層厚度為1.6 m［圖2（c）］。野外調(diào)查獲取的最小活動(dòng)層厚度為1.2 m，位于北坡沼澤草甸區(qū)［圖2（a）］；沼澤草甸區(qū)探測(cè)獲取的最大活動(dòng)層厚度為3.4 m，位于南坡［圖2（b）］。有10個(gè)調(diào)查點(diǎn)活動(dòng)層厚度大于等于4.0 m，主要位于河床及河流一級(jí)階地、河床的高寒草原及高寒荒漠地帶。研究區(qū)探測(cè)得到的最大活動(dòng)層厚度為5.6 m，位于北坡河流一級(jí)階地的高寒草原區(qū)［圖2（d）］。

圖2 典型GPR剖面圖（共天線距GPR剖面中紅色標(biāo)記線代表活動(dòng)層解譯深度，GPR測(cè)速剖面中黑色拋物線頂點(diǎn)代表活動(dòng)層解譯深度）Fig. 2 Typical GPR profiles：common offset GPR profiles for minimum and maximum active layer thickness on swamp meadow（a，b），GPR velocity profile for the minimum active layer thickness on alpine desert（c）and GPR velocity profile for the maximum active layer thickness on alpine steppe（d）（The red mark line in common offset GPR profiles and the vertex of the black parabola in GPR velocity profiles represent the interpretation depth of the active layer，respectively）

植被是活動(dòng)層厚度空間分布差異最易識(shí)別的地表標(biāo)志。在水分、土壤質(zhì)地相同的條件下，地表植被發(fā)育較好的地區(qū)通常也是活動(dòng)層較薄的區(qū)域，反之亦然。如圖3 所示，沼澤草甸調(diào)查樣點(diǎn)中存在兩個(gè)活動(dòng)層厚度異常高值點(diǎn)，分別為2.6 m、3.4 m，存在一個(gè)活動(dòng)層厚度異常低值點(diǎn)，其值為1.2 m。排除三個(gè)異常點(diǎn)后，沼澤草甸區(qū)活動(dòng)層厚度變化范圍在1.8～2.1 m 之間，均值及中值為1.9 m。高寒草甸地區(qū)活動(dòng)層厚度變化范圍在2.1～3.5 m 之間，均值和中值分別為2.6 m 和2.5 m。高寒草原地區(qū)活動(dòng)層厚度變化范圍在1.9～5.6 m 之間，均值及中值為3.7 m。高寒荒漠地區(qū)存在一個(gè)活動(dòng)層厚度異常低值點(diǎn)，其活動(dòng)層厚度為1.6 m。排除異常點(diǎn)后，高寒荒漠區(qū)活動(dòng)層厚度變化范圍在2.3～4.4 m 之間，均值和中值分別為3.2 m和3.1 m。箱線統(tǒng)計(jì)圖顯示，沼澤草甸、高寒草原及高寒荒漠樣點(diǎn)基本呈正態(tài)分布，高寒草甸區(qū)樣點(diǎn)分布下偏（正態(tài)分布里表現(xiàn)為左偏），從而導(dǎo)致其均值的區(qū)域代表性有偏大的可能。以不同植被類型區(qū)活動(dòng)層的平均厚度為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，其變化趨勢(shì)為：沼澤草甸（2.1 m）＜高寒草甸（2.6 m）＜高寒荒漠（3.2 m）＜高寒草原（3.7 m）。

圖3 不同植被類型活動(dòng)層厚度分布箱線圖（菱形代表異常值，三角形代表平均值，箱體內(nèi)陷處橫線代表中值線，箱體上下兩側(cè)須線分別代表除異常值外的上限與下限范圍）Fig. 3 Box diagram of active layer thickness under different vegetation types（Diamonds represent outliers，triangles represent the average number，the horizontal line at box sunk part represents median number，and the whiskers on the upper and lower sides of the box represent the upper and lower limits except for outliers）

以唐古拉山脈為分界線，分別統(tǒng)計(jì)南坡、北坡兩個(gè)區(qū)域內(nèi)沼澤草甸及高寒荒漠植被類型區(qū)活動(dòng)層厚度分布差異（表2）。南坡沼澤草甸活動(dòng)層厚度變化范圍在2.0～3.4 m 之間，平均活動(dòng)層厚度為2.3 m，北坡沼澤草甸活動(dòng)層厚度變化范圍在1.2～2.6 m 之間，平均活動(dòng)層厚度為1.9 m；南坡高寒荒漠活動(dòng)層厚度變化范圍在2.5～4.1 m 之間，平均活動(dòng)層厚度為3.3 m，北坡高寒荒漠活動(dòng)層厚度變化范圍在2.3～4.4 m 之間，平均活動(dòng)層厚度為3.1 m。整體來看，南坡活動(dòng)層厚度較北坡偏大。此外統(tǒng)計(jì)分析南、北坡活動(dòng)層厚度隨海拔高度的變化規(guī)律，北坡活動(dòng)層厚度隨海拔降低，活動(dòng)層厚度有略微增厚趨勢(shì)，而南坡活動(dòng)層厚度隨海拔無明顯相關(guān)性。羅棟梁等［19］在巴顏喀拉山的調(diào)查結(jié)果顯示，北坡活動(dòng)層厚度隨海拔降低增厚，而南坡二者無相關(guān)性，且認(rèn)為是南坡地帶活動(dòng)層厚度的空間分布受局地地理因素的影響較為顯著所致。

表2 唐古拉地區(qū)南、北坡不同植被類型區(qū)的活動(dòng)層厚度Table 2 Active layer thickness of different vegetation types on the south and north slopes of Tanggula area

3 活動(dòng)層厚度的影響因素

基于一維熱傳導(dǎo)方程的Stefan解析解是常用的活動(dòng)層厚度計(jì)算方法［20-22］。以下利用Stefan 方程［式（3）］對(duì)唐古拉地區(qū)活動(dòng)層厚度空間分布的主要影響因素進(jìn)行分析。

式中：d為活動(dòng)層厚度（m）；λ為融土熱導(dǎo)率（W·m-1·℃-1）；F為地表融化指數(shù)（℃·d），即地表日均溫的正積溫；L為冰水相變潛熱（L=3.34×108J·m-3）；θ為 土 壤 體 積 含 水 率（m3·m-3）。由 于1 ℃·d=86 400 ℃·s，因此式（3）在實(shí)際計(jì)算中的表達(dá)式如式（4）所示。

式中：a為常數(shù)項(xiàng)（a≈0.02275）。對(duì)式（4）中λ、F及θ分別求偏導(dǎo)數(shù)，得到式（5）～（7）。

根據(jù)MODIS 地面溫度日均值數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算唐古拉地區(qū)活動(dòng)層調(diào)查點(diǎn)的地表融化指數(shù)變化范圍在800～1 500 ℃·d 之間；活動(dòng)層深度內(nèi)土壤平均體積含水率變化范圍在0.03～0.50 m3·m-3之間；利用《凍土物理學(xué)》中不同土壤類型、土壤體積含水率及容重條件下融土實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率值，獲取融土的熱導(dǎo)率變化范圍在0.13～2.18 W·m-1·℃-1之間［20］。以上述各參數(shù)變化范圍為基準(zhǔn)，通過式（5）～（7）計(jì)算活動(dòng)層厚度（d）隨土壤體積含水率（θ）、土壤熱導(dǎo)率（λ）、地表融化指數(shù)（F）變化的變化速率來分析三個(gè)參數(shù)對(duì)活動(dòng)層厚度變化的影響。從圖4 可以看出，活動(dòng)層厚度的變化速率隨土壤體積含水率的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隨熱導(dǎo)率及地表融化指數(shù)的變化。從活動(dòng)層厚度隨三個(gè)參數(shù)變化的變化率大小分析，土壤水分的變化對(duì)活動(dòng)層厚度的空間分異影響最大，其次為土壤熱導(dǎo)率，而地表融化指數(shù)的影響最小。

圖4 活動(dòng)層厚度變化速率與土壤含水率（θ）、熱導(dǎo)率（λ）及地表融化指數(shù)（F）的關(guān)系Fig. 4 Relationship between changing rate of active layer thickness and soil moisture（θ）（a），thermal conductivity（λ）（b）and surface thawing index（F）（c）

3.1 水分及溫度的影響

統(tǒng)計(jì)唐古拉地區(qū)實(shí)測(cè)活動(dòng)層厚度與土壤含水率（θ）的相關(guān)性結(jié)果顯示，隨著土壤體積含水率的增加，活動(dòng)層厚度顯著減小。唐古拉地區(qū)不同調(diào)查點(diǎn)活動(dòng)層土壤體積含水率的變化范圍在0.03～0.50 m3·m-3之間，土壤體積含水率空間差異導(dǎo)致活動(dòng)層厚度空間分布差異很大。統(tǒng)計(jì)沼澤草甸、高寒草甸、高寒草原及高寒荒漠四種植被類型區(qū)活動(dòng)層土壤含水率的平均值分別為0.348 m3·m-3、0.194 m3·m-3、0.134 m3·m-3及0.174 m3·m-3，對(duì)比圖3 四種植被類型活動(dòng)層厚度的分布趨勢(shì)可以看出，由于高寒荒漠的土壤體積含水率大于高寒草原區(qū)，因此導(dǎo)致高寒荒漠區(qū)的活動(dòng)層厚度整體上要小于高寒草原區(qū)。利用式（4）的冪函數(shù)形式進(jìn)行擬合，擬合公式雖然高度顯著（P＜0.0001），但其相關(guān)系數(shù)較?。≧2=0.3）［圖5（a）］。說明土壤體積含水率雖然顯著地影響了活動(dòng)層厚度的變化，但并不是唯一的控制因素。統(tǒng)計(jì)活動(dòng)層厚度與地表融化指數(shù)的相關(guān)性結(jié)果顯示，二者無明顯相關(guān)性［圖5（b）］。從Stefan 公式可得，假設(shè)土壤含水率、熱導(dǎo)率不變的情況下，活動(dòng)層厚度隨著地表融化指數(shù)的增加而增加，即二者為正相關(guān)的關(guān)系。但在自然條件下，活動(dòng)層厚度同時(shí)受到土壤含水率、熱導(dǎo)率及地表融化指數(shù)的影響。由圖4可知，三個(gè)因子中，地表融化指數(shù)對(duì)活動(dòng)層厚度變化的敏感性最小，從而導(dǎo)致地表融化指數(shù)與活動(dòng)層厚度之間未能表現(xiàn)出顯著相關(guān)。同時(shí)也說明土壤含水率的空間變化顯著影響了活動(dòng)層厚度的空間分異，而地表溫度或者地表融化指數(shù)的空間變化并非唐古拉地區(qū)活動(dòng)層厚度空間分異的主要影響因素。

圖5 活動(dòng)層厚度與土壤含水率（a）及地表融化指數(shù)（b）的關(guān)系Fig. 5 Relationship between active layer thickness and soil moisture（a）and surface thawing index（b）

3.2 熱導(dǎo)率的影響

多年凍土分布區(qū)活動(dòng)層指覆蓋于多年凍土之上，夏季融化、冬季凍結(jié)的土層。它具有夏季從上至下單向融化的特征?；顒?dòng)層厚度通常指夏季的最大融化深度?；顒?dòng)層厚度除了受地面溫度和土壤水分的影響外，同時(shí)還受已融化土層熱導(dǎo)率的影響。熱導(dǎo)率表征了土層傳遞熱量的能力。熱導(dǎo)率越大的土層，相同地面溫度及土壤含水率條件下，從地表傳到土層凍融界面處的熱量越多，下伏凍土層的融化速率也越高，相應(yīng)會(huì)導(dǎo)致行程更厚的活動(dòng)層，反之亦然。

融土的熱導(dǎo)率主要受土壤體積含水率及土壤質(zhì)地的影響。杜宜臻等［23］的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，土壤質(zhì)地越粗，風(fēng)干土的熱導(dǎo)率越大，其中泥炭土熱導(dǎo)率最小，壤土次之，粗砂土最大。同時(shí)砂土的熱導(dǎo)率受水分變化的影響最為顯著，飽和含水率狀態(tài)下，砂土的熱導(dǎo)率是風(fēng)干狀態(tài)下的9 倍。Kojima等［24］的模擬計(jì)算表明，砂壤土（sandy loam）的容重越大，其熱導(dǎo)率隨土壤含水率的增加而增加的幅度越大。李毅等［25］對(duì)粉質(zhì)壤土、砂質(zhì)壤土及砂土三種類型土壤的熱導(dǎo)率與土壤體積含水率關(guān)系的測(cè)試結(jié)果表明，砂土熱導(dǎo)率最大，且其隨土壤含水率增加而增加的幅度也最大。

為了分析土壤熱導(dǎo)率對(duì)活動(dòng)層厚度分布的影響，選取研究區(qū)TA65 和TA45 兩個(gè)調(diào)查點(diǎn)的探坑剖面進(jìn)行對(duì)比分析。TA65 位于風(fēng)化殘丘頂部，海拔4 936 m，地表植被為典型的高寒荒漠，活動(dòng)層厚度為1.6 m；TA45位于山前沖積扇位置，海拔4 910 m，地表植被為典型的高寒草甸，活動(dòng)層厚度2.4 m。兩個(gè)點(diǎn)利用GPR 雷達(dá)波速計(jì)算獲取的活動(dòng)層土壤含水率同為0.183 m3·m-3，但其活動(dòng)層厚度相差0.8 m。利用MODIS 地面溫度產(chǎn)品提取TA65 和TA45 所在像元（空間分辨率為1 km）的正積溫分別為1 126 ℃·d 和925 ℃·d，TA45 點(diǎn)地面溫度要明顯低于TA65點(diǎn)，兩點(diǎn)的正積溫相差約200 ℃·d。若單從地面溫度與土壤水分的角度考慮，TA45 點(diǎn)的活動(dòng)層厚度應(yīng)該小于TA65。從兩個(gè)探坑剖面照片可以看出，TA45 以棕色的細(xì)顆粒土壤為主［圖6（a）］，而TA65主要為灰色的礫石層［圖6（b）］。探坑剖面記錄TA45 主要為含礫石的粉砂土，TA65 主要為大粒徑的砂礫石層。利用Stefan 方程計(jì)算TA45 活動(dòng)層熱導(dǎo)率值為2.20 W·m-1·℃-1，TA65 活動(dòng)層熱導(dǎo)率為0.80 W·m-1·℃-1，兩點(diǎn)的熱導(dǎo)率相差1.40 W·m-1·℃-1。利用式（5）估算，在土壤體積含水率為0.183 m3·m-3，地表正積溫在925～1 126 ℃·d 范圍內(nèi)，1.40 W·m-1·℃-1的熱導(dǎo)率變化導(dǎo)致至少約0.77 m的活動(dòng)層厚度變化；同樣利用式（6）估算，在土壤體積含水率為0.183 m3·m-3，土壤熱導(dǎo)率在0.80～2.20 W·m-1·℃-1范圍內(nèi)，200 ℃·d 的正積溫變化導(dǎo)致的活動(dòng)層厚度變化最大值僅為0.28 m。因此認(rèn)為，活動(dòng)層厚度的空間分布除受土壤水分的影響外，另一個(gè)主要影響因素為土壤熱導(dǎo)率。

圖6 TA45（a）和TA65（b）探坑剖面活動(dòng)層的土壤特征Fig. 6 Soil characteristics in active layer profile of TA45（a）and TA65（b）test pits

前文對(duì)比分析了唐古拉南、北坡活動(dòng)層厚度分布趨勢(shì)，整體上南坡活動(dòng)層厚度要大于北坡地區(qū)，這與南坡氣溫大于北坡的整體趨勢(shì)一致。如表3所示，統(tǒng)計(jì)南、北坡不同植被類型區(qū)的地表融化指數(shù)、土壤含水率及熱導(dǎo)率后發(fā)現(xiàn)，在沼澤草甸區(qū)，南坡的地表融化指數(shù)明顯大于北坡，其他植被類型區(qū)南北坡地表融化指數(shù)并無明顯差異；此外南坡地區(qū)的土壤含水率和熱導(dǎo)率整體上呈現(xiàn)南坡大于北坡的趨勢(shì)。因此，南坡活動(dòng)層厚度大于北坡的主要原因是南坡地區(qū)土壤熱導(dǎo)率普遍大于北坡。

表3 唐古拉地區(qū)南、北坡不同植被類型區(qū)的地表融化指數(shù)（F）、土壤含水率（θ）及熱導(dǎo)率（λ）Table 3 Surface thawing index（F），soil moisture（θ）and thermal conductivity（λ）of different vegetation types on the south and north slopes of Tanggula area

3.3 活動(dòng)層厚度的模擬計(jì)算

由于影響活動(dòng)層厚度的分布最為敏感的參數(shù)為土壤體積含水率及熱導(dǎo)率，因此在模擬計(jì)算活動(dòng)層厚度分布時(shí)，獲取準(zhǔn)確的土壤體積含水率及熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)至關(guān)重要。土壤熱導(dǎo)率同時(shí)受土壤體積含水率及土壤質(zhì)地的雙重影響，且活動(dòng)層分布深度內(nèi)土壤層的平均熱導(dǎo)率很難直接觀測(cè)。根據(jù)土壤類型，通過土壤體積含水率、容重與熱導(dǎo)率的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式是熱導(dǎo)率估算的常用方法。

本研究區(qū)38 個(gè)鉆孔巖心土樣的顆粒度測(cè)試結(jié)果顯示，平均礫石（粒徑≥2 mm）含量為55.7%，沙土（0.02 mm≤粒徑＜2 mm）含量為19.5%，粉土（0.002 mm≤粒徑＜0.02 mm）含量為19.4%，黏土（粒徑＜0.002 mm）含量為5.4%。由此可見該區(qū)域的土壤質(zhì)地為高礫石含量的砂壤土為主。本研究區(qū)10 個(gè)活動(dòng)層調(diào)查點(diǎn)探坑土壤樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其烘干容重（ρ）變化范圍為1.629～2.251 g·cm-3。根據(jù)土樣的顆分及容重分布情況，把10個(gè)探坑土壤類型初步劃分為砂礫土。利用《凍土物理學(xué)》提供的關(guān)于砂礫土熱導(dǎo)率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［20］，統(tǒng)計(jì)構(gòu)建如下公式。

式中：θ為土壤體積含水率（m3·m-3）；ρ為土壤干容重（g·cm-3）。

活動(dòng)層探坑土壤熱導(dǎo)率（λ）計(jì)算結(jié)果見表4。利用實(shí)測(cè)θ及計(jì)算獲取的λ，通過Stefan 公式計(jì)算獲取的活動(dòng)層厚度（ALT_S）與實(shí)測(cè)值（ALT）基本一致，其殘差變化范圍為±0.5 m，均值為0，相對(duì)誤差最大值為26%，平均相對(duì)誤差小于10%。由此可見，當(dāng)能夠獲取較為準(zhǔn)確的土壤體積含水率、熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，即使利用1 km 分辨率MODIS 地面溫度數(shù)據(jù)，也不會(huì)對(duì)活動(dòng)層厚度的空間分布計(jì)算產(chǎn)生很大誤差。在未來的活動(dòng)層厚度空間分布模擬計(jì)算中，需要重點(diǎn)研究土壤體積含水率、土壤熱導(dǎo)率兩個(gè)重要影響因子的空間分布計(jì)算及模擬問題。

表4 探坑熱導(dǎo)率及活動(dòng)層厚度的計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of thermal conductivity and active layer thickness of test pits

4 結(jié)論

本文利用青藏高原唐古拉江湖源區(qū)多年凍土區(qū)活動(dòng)層厚度野外實(shí)測(cè)資料，分析研究了該區(qū)域內(nèi)活動(dòng)層厚度分布的整體分布特征及其主要影響因素。調(diào)查區(qū)活動(dòng)層厚度存在很大的空間變化，厚度變化范圍在1.2～5.6 m之間，整體表現(xiàn)為沼澤草甸＜高寒草甸＜高寒荒漠＜高寒草原。對(duì)比唐古拉地區(qū)南、北坡差異發(fā)現(xiàn)，南坡活動(dòng)層厚度要略微高于北坡地區(qū)。

利用活動(dòng)層凍融深度計(jì)算的Stefan方程中活動(dòng)層厚度變化速率與土壤體積含水率、熱導(dǎo)率、地表融化指數(shù)的關(guān)系分析結(jié)果表明，土壤體積含水率、熱導(dǎo)率的變化對(duì)活動(dòng)層厚度的計(jì)算最為敏感。唐古拉地區(qū)實(shí)測(cè)土壤體積含水率與活動(dòng)層厚度的相關(guān)分析結(jié)果顯示，隨土壤體積含水率增加，活動(dòng)層厚度顯著減小，地表融化指數(shù)與活動(dòng)層厚度不存在明顯的相關(guān)性變化規(guī)律。在相同土壤體積含水率條件下，熱導(dǎo)率與地表融化指數(shù)對(duì)活動(dòng)層厚度變化的影響結(jié)果表明，熱導(dǎo)率的影響要顯著高于地表融化指數(shù)或地面溫度的影響。10 個(gè)探坑的活動(dòng)層厚度模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)提供較為準(zhǔn)確的土壤水分、熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)時(shí)，利用MODIS 1 km 空間分辨率的地面溫度數(shù)據(jù)計(jì)算獲取的活動(dòng)層厚度與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

致謝：本研究使用的野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)主要來源于第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目支持下的2019 年色林錯(cuò)上游和2020 年沱沱河源頭多年凍土綜合野外考察，期間受到項(xiàng)目組科考辦、西藏自治區(qū)科技廳、林業(yè)和草原局的鼎力支持，在此表示衷心感謝。2020 年沱沱河源區(qū)考察是與中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心聯(lián)合完成的，在此對(duì)該中心野外期間的工作支持表示感謝。感謝中科院西北研究院盛煜老師對(duì)野外考察的科學(xué)規(guī)劃與指導(dǎo)。本文初稿撰寫過程中，中科院西北研究院王少昆老師給予了大量有益的修改意見，在此表示衷心感謝。