趙丹丹, 劉家福, 劉吉平*， 杜會(huì)石

(1.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院， 四平 136000; 2.吉林師范大學(xué)資源保護(hù)與利用研究所， 四平 136000)

多年凍土是高緯寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，通常指地表以下連續(xù)不低于兩年且溫度處于0 ℃以下的土層[1-2]，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)和生物演化與生態(tài)系統(tǒng)的其他組成部分協(xié)同互相作用發(fā)展的比較完整的自然生態(tài)體系[3]，北半球當(dāng)屬全球內(nèi)多年凍土分布最為廣泛的區(qū)域，26°N～84°N的格陵蘭島北部均有分布，約占全球整個(gè)陸地表面積的1/4[4-5]，中國(guó)高緯地區(qū)的多年凍土多集中在東北地區(qū)[6]，主要包括大片連續(xù)多年凍土、島狀多年凍土和稀疏島狀多年凍土等類型[7-8]。多年凍土對(duì)氣候變化響應(yīng)較為敏感[9]，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末高緯度地區(qū)的升溫幅度將達(dá)到中低緯度2倍[10]，尤其高緯度的多年凍土區(qū)升溫趨勢(shì)更為顯著，平均每年增溫0.037 ℃(1961—2007年)[11]。近年來(lái)受氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響，多年凍土呈不斷退化趨勢(shì)[12-14]。到2100年，加拿大北部地區(qū)相比1900年增溫趨勢(shì)將達(dá)到4～8 ℃，導(dǎo)致中部地區(qū)大面積不連續(xù)凍土消失[15]。中國(guó)東北多年凍土區(qū)在1991—2000年比1961—1970年溫度升高了0.9～2.2 ℃，導(dǎo)致多年凍土早已出現(xiàn)明顯退化[16]，且1961—2015年?yáng)|北北部區(qū)域以0.34 ℃/10 a的升溫率高于南部區(qū)域的0.26 ℃/10 a[17]。多年凍土退化除融化深度改變、面積萎縮，凍土厚度變化，還出現(xiàn)邊界的南緣北移、影響凍土區(qū)森林植被分布變化等現(xiàn)象[18]。多年凍土經(jīng)常被認(rèn)為是對(duì)氣候變化反應(yīng)比較敏感的“指示器”，多年凍土具有豐富的微生物和有機(jī)質(zhì)資源，多年凍土退化影響寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的植被、沼澤濕地、土壤生態(tài)系統(tǒng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的變化和發(fā)展，嚴(yán)重威脅東北多年凍土區(qū)自然環(huán)境及人類的生存發(fā)展[19-22]。因此理清東北多年凍土退化形式、凍土環(huán)境惡化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及對(duì)高緯寒區(qū)生態(tài)環(huán)境造成的影響等，對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有比較重要的理論價(jià)值和研究意義。

因此，現(xiàn)對(duì)東北多年凍土退化的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)的梳理，總結(jié)東北多年凍土退化的研究方法及退化形式，從氣候變化和人類活動(dòng)分析多年凍土區(qū)退化的驅(qū)動(dòng)因子，分析東北多年凍土退化對(duì)寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境的造成的影響，根據(jù)目前多年凍土退化研究狀況分析如何加強(qiáng)多年凍土退化研究或者凍土退化引發(fā)一系列變化的研究，保護(hù)東北寒區(qū)的凍土-森林-濕地生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境，為區(qū)域多年凍土環(huán)境的保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)基本概況

東北寒區(qū)多年凍土的地理位置處于歐亞大陸多年凍土區(qū)南部邊緣，跨越46°30′N～53°30′N[8]，多年凍土分布面積大致是38.6×104km2[23-24]，海拔100～2 000 m，整體地勢(shì)東西高中間略低，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，研究區(qū)氣溫的年較差大，多年平均氣溫相對(duì)較低，冬季寒冷且漫長(zhǎng)，夏季短暫且濕熱[18, 25-26]，降水與中國(guó)整體降水規(guī)律一致，由沿海地區(qū)逐漸向內(nèi)陸遞減，自然景觀主要包括針葉林、針闊混交林、森林草原及荒漠草原等[27-30]。東北多年凍土區(qū)主要在大、小興安嶺和松嫩平原北部，該地區(qū)較長(zhǎng)時(shí)間的低溫和相對(duì)較高的森林覆蓋率為多年凍土的存在提供了一定的冷濕環(huán)境[31]。多年凍土的厚度由幾米到上百米，在大興安嶺地區(qū)主要分布著不連續(xù)多年凍土和大片島狀多年凍土，而島狀以及稀疏島狀多年凍土主要分布在大、小興安嶺地區(qū)[32-33]。

2 多年凍土退化的主要研究方法

東北多年凍土區(qū)是近百年來(lái)氣候變暖比較顯著的地區(qū)[34]，受氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響，凍土退化主要表現(xiàn)為地溫升高、凍結(jié)深度減小、凍土厚度減薄、凍結(jié)期縮短、融區(qū)擴(kuò)大、南界北移和多年凍土面積變化、局地凍土島消失和地表沉降等[35-37]。依據(jù)IPCC (Intergovernmental Panelon Climate Change) 第五次評(píng)估報(bào)告中增溫率計(jì)算，預(yù)計(jì)在2000年以后的40～50 a里大興安嶺地區(qū)的年平均氣溫可能會(huì)增加0.92～1.15 ℃[38]。東北地區(qū)最大凍土深度以6.15 cm/10 a的速率不斷減小[27]?；贏NSYS軟件預(yù)測(cè)研究表明凍土融化深度與溫度場(chǎng)變化存在一定的規(guī)律，30 a后高溫凍土退化較嚴(yán)重主要體現(xiàn)為凍土天然上限下移和南界北移[39]。東北地區(qū)自從20世紀(jì)70年代以來(lái)大、小興安嶺的多年凍土共減少約35%，小興安嶺在20世紀(jì)80年代很多凍土島消失[16,40-42]。通過(guò)熱紅外遙感反演地表溫度，研究東北高緯度凍土區(qū)北安至黑河高速公路的地表形變，區(qū)域形變整體與凍土分布規(guī)律相同，即該地區(qū)區(qū)域形變與凍土分布、退化密切相關(guān)[43]，東北地區(qū)多年凍土通過(guò)多種形式均呈現(xiàn)出不斷退化趨勢(shì)。東北多年凍土是興安嶺-貝加爾湖型多年凍土的一部分，同時(shí)也是高緯度和高海拔多年凍土的過(guò)度類型，目前已成為全球多年凍土退化的顯著區(qū)域之一，東北地區(qū)多年凍土面積從1950年的4.8×105km2退化到2010年的3.1×105km2，退化速率為3.6×105km2/10 a，且多年凍土表現(xiàn)出一定的緯度和高度地帶性特征，多年凍土南界北移0～1.1°N，平均海拔升高160.5 m[44]。此外，森林火災(zāi)后，除了使土層溫度升高和融化深度加大外，會(huì)促進(jìn)多年凍土上限的地下冰大量融化，形成一定的熱融現(xiàn)象及泥石流和碎屑坡等[45]。

目前常用的多年凍土退化研究方法涉及挖坑探測(cè)、鉆孔探測(cè)、地球物理勘探、氣象資料或遙感航片、同位素標(biāo)記、野外調(diào)查法和凍土預(yù)報(bào)模型等[46-47]。相關(guān)研究在凍土地溫鉆孔安放測(cè)溫探頭，定期測(cè)量地溫發(fā)現(xiàn)大興安嶺嫩江源多年凍土呈退化趨勢(shì)[48]。通過(guò)地質(zhì)鉆探探測(cè)多年凍土的分布位置、地層分布等，結(jié)合土壤溫度傳感器和路基變形監(jiān)測(cè)等設(shè)備，研究小興安嶺北部多年凍土退化特征以及對(duì)公路路基穩(wěn)定性的影響[49]。由于單一物探方法進(jìn)行研究存在局限性，分析總結(jié)多種物探方法，提出多年凍土區(qū)綜合物探技術(shù)用來(lái)探測(cè)多年凍土上下限、季節(jié)凍土與多年凍土的分區(qū)界限及凍土退化問(wèn)題[50]?；谶b感手段，利用時(shí)間序列干涉合成孔徑雷達(dá)(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)技術(shù)對(duì)黑龍江黑河地區(qū)2007—2010年凍土變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析多年凍土變形及退化情況[46]，采用微波遙感結(jié)合面向?qū)ο蟮亩鄷r(shí)相合成孔徑雷達(dá)影像，對(duì)凍土景觀進(jìn)行分類[51]，可用于進(jìn)一步研究?jī)鐾镣嘶潭?；利用東北多年凍土區(qū)生長(zhǎng)季歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)的時(shí)空變化特征，并分析了1981—2014年NDVI與地表溫度(ground surface temperatures, GST)的相關(guān)性，結(jié)果表明雖然地表溫度的升高在短期導(dǎo)致植被覆蓋的增加和多年凍土退化增加，但從長(zhǎng)期來(lái)看，多年凍土的退化或消失可能會(huì)削弱甚至阻礙植被活動(dòng)[52]。利用沉積序列、多年凍土遺跡、古動(dòng)植物記錄和年代資料，分析和重建了晚更新世以來(lái)的多年凍土演化，研究結(jié)果表明近年來(lái)東北地區(qū)多年凍土頻繁而大規(guī)模的擴(kuò)張和退縮對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的環(huán)境產(chǎn)生了重大影響[53]。通過(guò)測(cè)定北方森林凍土區(qū)落葉松樹(shù)芯的年輪寬度計(jì)算基礎(chǔ)面積增量和年際敏感性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍土的凍結(jié)深度導(dǎo)致植被對(duì)凍土退化產(chǎn)生過(guò)多的水浸響應(yīng)不同[54]。通過(guò)同位素標(biāo)記法對(duì)大興安嶺不同退化程度的土壤及植被進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，凍土退化影響土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和植被生長(zhǎng)[55]。由于植被與多年凍土之間的生態(tài)平衡和依存關(guān)系，部分植物可以作為土壤凍結(jié)的指示物，指示多年凍土的類型以及空間分布，但這種方法具有一定的局域性[45]。如落葉松-偃松、落葉松-杜香林常作為指示大興安嶺地區(qū)多年凍土的典型植物群落，大興安嶺地區(qū)多年凍土是否存在也可以用莎草科植物、叢樺以及“老頭樹(shù)”進(jìn)行判斷[45,47,56]。通過(guò)樣點(diǎn)調(diào)查分析法發(fā)現(xiàn)植物組成和群落結(jié)構(gòu)反映了北方森林凍土帶南緣的凍土分布特征，草本層的修氏苔草和灰脈苔草及灌木層的柴樺是特定的近地表多年凍土濕地指示植物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)層厚度與苔蘚厚度和灌木蓋度呈負(fù)相關(guān)[57]。凍土預(yù)報(bào)模型主要包含以熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ)的物理模型和以觀測(cè)數(shù)據(jù)分析的凍土經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，凍土物理模型，例如凍土頂板溫?top temper of permafrost, TTOP)模型和GIPL(the geophysical institute permafrost lab, GIPL)模型均可模擬多年凍土層厚度，但應(yīng)用于東北多年凍土區(qū)較少[58]。凍結(jié)融化指數(shù)模型作為凍土經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊环N，根據(jù)氣候變化在應(yīng)對(duì)凍融指數(shù)變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同的反應(yīng)而建立的，利用該模型對(duì)東北地區(qū)凍土分布進(jìn)行制圖[58-59]，雪底溫度模型(bottom temperature of the snow cover, BTS)主要通過(guò)雪底溫度概率判斷凍土是否存在，目前由于模型所需參數(shù)條件限制即積雪厚度至少80 cm，在中國(guó)應(yīng)用不廣泛[47]。

針對(duì)凍土退化的不同研究方法適用性存在差異。前人所利用的挖坑和鉆孔探測(cè)方法比較原始和直接，地球物理探測(cè)是多年凍土研究調(diào)查比較重要的手段，由于凍土在空間分布上具有多變性的特征、且地下冰分布比較復(fù)雜，物探多解性仍存在一定的難題[50]。野外調(diào)查法和同位素標(biāo)記法一般多適用于中小尺度的研究且具有一定的季節(jié)要求，如Che等[55]以東北地區(qū)的興安嶺為研究區(qū)域，選取典型的沼澤區(qū)，分析了不同程度凍土層退化時(shí)活動(dòng)層和季節(jié)性凍土的厚度，從不同深度的葉、根和莖中采集植物的碳、氮穩(wěn)定同位素，以測(cè)定土壤和植物的碳、氮穩(wěn)定同位素含量，采用方差分析和多元線性回歸分析方法研究了凍土退化對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)和植被生長(zhǎng)的影響。相比之下，遙感手段更加適合區(qū)域大尺度長(zhǎng)時(shí)間序列的凍土退化研究，干涉合成孔徑雷達(dá)使用衛(wèi)星或飛機(jī)搭載的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)獲取高分辨率地面反射復(fù)數(shù)影像，可用于大范圍的自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)，如Wang等[60]利用小基線子集InSAR技術(shù)，分析了2016年9月—2018年4月凍土區(qū)典型景觀的干涉性相干時(shí)間序列，揭示了其融化沉降曲線。此外，Serban等[61]利用Landsat遙感影像通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和面向?qū)ο蠓诸惙椒▽?duì)東北Hola盆地近46 a(1973—2019年)多年凍土景觀變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明在氣候明顯變暖的背景下，人口快速增長(zhǎng)、資源開(kāi)發(fā)、農(nóng)業(yè)集約化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和森林火災(zāi)頻發(fā)加速了永久凍土的退化，引發(fā)自然災(zāi)害，生態(tài)環(huán)境惡化。隨著遙感的不斷發(fā)展，微波遙感雖已發(fā)展較好，受大氣因素影響較小，但應(yīng)用于東北林區(qū)的多年凍土探測(cè)研究還是存在一定的困難。物理模型一般需要用微分方程求解計(jì)算量較大，且不能進(jìn)行空間分布模擬，單純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t側(cè)重預(yù)測(cè)凍土存在的概率，對(duì)于輪廓的預(yù)測(cè)存在難度[47]，但耦合半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢詫?shí)現(xiàn)凍土退化趨勢(shì)分析，如Zhang等[62]利用DEM數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及調(diào)查數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型和經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)1980—2010年的興安嶺多年凍土進(jìn)行了分析，結(jié)果表明凍土退化趨勢(shì)由低海拔區(qū)向高海拔區(qū)轉(zhuǎn)變，由連續(xù)區(qū)向不連續(xù)區(qū)轉(zhuǎn)變。未來(lái)多年凍土退化研究如能充分利用實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)、同位素標(biāo)記、野外調(diào)查、遙感及地理信息技術(shù)和模型進(jìn)行耦合，可能更加有利于多年凍土的時(shí)空分布研究及退化趨勢(shì)分析，為東北多年凍土區(qū)提出預(yù)警和適當(dāng)?shù)膶?duì)策。

3 東北寒區(qū)多年凍土退化的主要影響因子

3.1 氣候變化

多年凍土是地球內(nèi)部、地殼表層及大氣圈之間通過(guò)一定的相互作用而形成的，東北多年凍土?xí)殡S氣候環(huán)境的冷暖變化而產(chǎn)生凍土擴(kuò)張或退化的現(xiàn)象，利用東北地區(qū)1971—2016年的氣象資料，采用趨勢(shì)分析法得到東北地區(qū)氣溫在不斷升高，尤其在過(guò)去50多年(1960—2012年)以來(lái),東北地區(qū)氣溫呈現(xiàn)變暖趨勢(shì),平均每10年上升0.37 ℃；東北地區(qū)的凍結(jié)指數(shù)呈明顯的下降趨勢(shì)，整體下降率為66.63 (℃·d)/10 a[63]。氣候變化直接改變了的氣溫、降水及積雪時(shí)段等條件，多年凍土的形成、發(fā)展以及貯存很大程度上受氣候因子的影響[64]，氣候變暖使東北地區(qū)地溫不斷升高，導(dǎo)致凍土凍結(jié)深度不斷減小、凍結(jié)期也隨之不斷縮短，在多年凍土區(qū)表現(xiàn)得較為明顯[36]。氣候變化背景下，東北地區(qū)凍土面積在1950s—2010s期間從4.8×105km2減少到3.1×105km2，凍土退化主要以連續(xù)多年凍土為主，不連續(xù)和島狀多年凍土比稀疏島狀多年凍土退化更加明顯[65]。多年凍土退化會(huì)釋放大量的溫室氣體，對(duì)氣候產(chǎn)生正反饋效應(yīng)，加速了氣候變暖[66]。近百年來(lái)，導(dǎo)致大、小興安嶺多年凍土退化的根本原因主要是氣候變暖以及森林采伐，此外人類活動(dòng)在一定程度上也加速了多年凍土退化[16,67]。

3.2 森林火災(zāi)

多年凍土分布受地形、溫度、土壤以及植被等諸多因素共同影響。森林火災(zāi)導(dǎo)致凍土環(huán)境不斷被破壞，擾亂了凍土-植被間的動(dòng)態(tài)平衡，東北多年凍土區(qū)林火后凍土融深、水熱狀況、化學(xué)元素及釋放氣體通量規(guī)律均會(huì)改變[68-69]。森林植被火燒后使下墊面的性質(zhì)發(fā)生改變，蒸散發(fā)減少，土壤濕度出現(xiàn)不同程度的變化，地表裸露反射率降低，土壤溫度升高，使凍土融化且活動(dòng)層不斷加深[70]。在氣候變暖的背景下，森林火災(zāi)使大興安嶺地區(qū)凍土出現(xiàn)退化，植被開(kāi)始更新和演替，同時(shí)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)功能造成一定影響，如水文、氣候及凈化的環(huán)境效益等均有所損失[71]。森林火災(zāi)可能導(dǎo)致多年凍土進(jìn)行不可逆的退化，導(dǎo)致森林迅速演替，土壤碳儲(chǔ)量的損失，以及冰緣危險(xiǎn)地形的增加，森林火災(zāi)后土壤溫度上升，凍土活動(dòng)層的厚度不斷增加，同時(shí)土壤碳、氮釋放量也在不斷增多[72]。

3.3 人類活動(dòng)干擾

近百年來(lái)東北地區(qū)以城鎮(zhèn)化為代表的人類活動(dòng)的基礎(chǔ)建設(shè)，包括修建鐵路、居民建筑和放牧、過(guò)度的森林砍伐等破壞地表土地覆被變化。例如，1850年清政府開(kāi)禁政策以前人類活動(dòng)較小，20世紀(jì)三四十年代開(kāi)始掠奪性開(kāi)發(fā)，到50年代國(guó)家建設(shè)需要采伐不斷增加，城鎮(zhèn)建設(shè)不斷擴(kuò)張，到20世紀(jì)60年代末，鐵路的開(kāi)通導(dǎo)致采伐持續(xù)增加，人口的迅速增多，中小城鎮(zhèn)建設(shè)加快，出現(xiàn)城鎮(zhèn)化，“熱島效應(yīng)”愈加明顯，隨之出現(xiàn)的密集型林業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，過(guò)牧、礦產(chǎn)和水資源掠奪性開(kāi)采，均對(duì)東北地區(qū)的凍土環(huán)境造成一定的影響[16,73]。例如森林面積減少但耕地面積擴(kuò)張，多年凍土地溫有所增加，影響地下跟大氣兩者熱量的交換，加速了多年凍土退化[74-76]。放牧活動(dòng)對(duì)大興安嶺東坡新林林區(qū)多年凍土活動(dòng)層的厚度產(chǎn)生較大影響，放牧活動(dòng)比較劇烈的區(qū)域?qū)?yīng)活動(dòng)層的厚度可達(dá)2.5 m[77]。部分凍土濕地被開(kāi)墾為農(nóng)田，尤其在多年凍土的南界，致使原以針葉林為主導(dǎo)的冷濕生態(tài)環(huán)境被破壞，導(dǎo)致土壤水分含量下降，導(dǎo)熱率逐漸增加，使多年凍土地溫呈上升趨勢(shì)，造成多年凍土不斷退化[18,73]，諸多人類活動(dòng)直接或間接地破壞了東北地區(qū)的多年凍土環(huán)境，尤其現(xiàn)在交通線路的開(kāi)通，已經(jīng)從點(diǎn)、線及面逐漸演化成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，人類活動(dòng)的干擾不斷加速了東北地區(qū)多年凍土退化。

4 東北寒區(qū)多年凍土退化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)及鐵路環(huán)境的影響

森林、濕地及凍土是東北寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境比較重要的三大組成部分，近幾十年來(lái)，多年凍土退化對(duì)森林、濕地水文、土壤等均產(chǎn)生較大影響[69,78-79]。

4.1 多年凍土退化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響

多年凍土退化影響植被的更新和演替，研究表明森林凈初級(jí)生產(chǎn)力和森林地表溫度變化趨勢(shì)一致，多年不連續(xù)凍土區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)與凍土退化程度密切相關(guān)[80-81]，東北多年凍土區(qū)植被NPP受凍土退化的影響程度會(huì)隨環(huán)境差異而不同，植被的NPP與年最大凍土深度具有負(fù)相關(guān)性，而與年平均地溫具有顯著的正相關(guān)性[81]。凍土退化在部分連續(xù)多年凍土區(qū)和不連續(xù)多年凍土區(qū)會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)有一定積極作用，但長(zhǎng)期角度看會(huì)阻礙植被生長(zhǎng)[26]。東北大興安嶺地區(qū)的森林傾倒也可能導(dǎo)致凍土退化多年凍土退化[82]，因?yàn)閮鐾练植际怪脖桓迪蛳螺^淺，興安落葉松利用季節(jié)性凍結(jié)區(qū)在充氣帶上部?jī)鼋Y(jié)層中聚積的地下水進(jìn)行生長(zhǎng)，凍土退化使土壤融化深度不斷加劇，導(dǎo)致大面積森林不斷傾倒并逐漸死亡，對(duì)東北多年凍土區(qū)森林資源造成極大損失[75]。多年凍土退化不僅導(dǎo)致森林傾倒還使森林樹(shù)種和結(jié)構(gòu)改變，其中具有優(yōu)勢(shì)的興安落葉松天然林覆蓋會(huì)逐漸地減少，且林帶不斷向北轉(zhuǎn)移，林緣向北移動(dòng)約140 km[35,83]，位于大興安嶺大楊樹(shù)地區(qū)的興安落葉松林減少顯著，逐漸被楊樺次生林進(jìn)行代替[75]，且凍土對(duì)落葉松的生長(zhǎng)起促進(jìn)和脅迫作用[84]。北方森林對(duì)氣候變化比較敏感和脆弱，多年凍土凍融產(chǎn)生的過(guò)剩水分導(dǎo)致不同深度的土壤內(nèi)澇，導(dǎo)致植被的群落結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)發(fā)生變化[85]。凍土退化伴隨著活動(dòng)層厚度不斷增加，大興安嶺北坡多年凍土區(qū)退化，整體群落植物組成結(jié)構(gòu)從濕生植物逐漸向中生植物轉(zhuǎn)變[86]，隨著凍土融化深度由淺變深，群落組由柴樺+狹葉杜香-苔草群叢不斷向柴樺-苔草群叢組和柴樺+細(xì)葉沼柳-苔草群叢組過(guò)渡[45,87]。整體來(lái)看，多年凍土退化會(huì)導(dǎo)致森林出現(xiàn)傾倒死亡、林帶轉(zhuǎn)移、群落結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力等發(fā)生變化，嚴(yán)重影響多年凍土區(qū)的森林生態(tài)環(huán)境。

4.2 多年凍土退化對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響

多年凍土的寒冷環(huán)境導(dǎo)致地表水難以下滲，蘊(yùn)含的大面積沼澤濕地，作為下覆凍土界面層的沼澤體所特有的構(gòu)造及熱物理性質(zhì)，具有隔熱和蓄水功能，減弱冷儲(chǔ)耗散，阻止了多年凍土活動(dòng)層與大氣的能量交換，減緩了多年凍土退化，使多年凍土得到一定的保護(hù)[88-89]。但氣候持續(xù)變暖和毀林開(kāi)墾等人類活動(dòng)的雙重干擾，已導(dǎo)致多年凍土區(qū)沼澤濕地面積從20世紀(jì)50年代開(kāi)始50年間萎縮了42.4%[83,90]，在多年凍土南部邊界被開(kāi)墾的農(nóng)田已經(jīng)替代了大部分濕地，致使原有的針葉林寒冷濕潤(rùn)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田交錯(cuò)區(qū)，土壤水減少而地溫升高，出現(xiàn)土層的隔水功能降低等現(xiàn)象，多年凍土表層的蓄水功能變?nèi)?，沼澤濕地逐漸退化為草甸，失去對(duì)多年凍土的保護(hù)和增生作用[35]。目前國(guó)家已經(jīng)在東北地區(qū)實(shí)行森林保護(hù)政策不斷的恢復(fù)林地。森林覆蓋率的降低可能降低流域內(nèi)森林的徑流調(diào)節(jié)能力，而森林覆蓋率的提高能夠加強(qiáng)對(duì)濕地水的調(diào)節(jié)，對(duì)森林的水源涵養(yǎng)功能具有積極作用[91]。

多年凍土作為隔水層影響雨水和雪融水下滲，具有調(diào)節(jié)地表徑流和陸地水文循環(huán)的重要作用，凍土退化對(duì)東北多年凍土區(qū)的濕地水循環(huán)產(chǎn)生較大影響[92]。根據(jù)多年凍土退化產(chǎn)生的融水以及冬季的基流進(jìn)行計(jì)算，得到凍土退化對(duì)對(duì)森林采伐時(shí)期的平均徑流量的貢獻(xiàn)程度為15.8%，而對(duì)于森林恢復(fù)時(shí)期則為-3.3%[91]，凍土退化對(duì)高寒多年凍土區(qū)森林濕地水文過(guò)程具有較大影響。

4.3 多年凍土退化對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響

在全球氣候變化背景下，凍土退化改變了凍土的連續(xù)性，影響土壤表面水熱動(dòng)態(tài)、理化性質(zhì)和生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[93-96]，多年凍土退化使土壤中可利用水快速蒸發(fā)，土壤水分可能成為干擾東北多年凍土區(qū)植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子，導(dǎo)致寒區(qū)的生態(tài)環(huán)境不斷惡化[6,97]。多年凍土區(qū)沼澤的植被類型會(huì)因多年凍土退化而變化，由喬木等為主的植被類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘Σ莺蜕菘浦参餅橹鱗98]，植被類型的這種變化間接增加了土壤呼吸速率潛能，加快了土壤呼吸速率[98]。凍土退化會(huì)釋放較多溫室氣體，溫室效應(yīng)增強(qiáng)，對(duì)氣候變暖起到正反饋的作用[66]。土壤活動(dòng)層深度會(huì)因凍土退化而加深，凍土退化也會(huì)導(dǎo)致植被類型發(fā)生變化，由中生植物向濕生植物轉(zhuǎn)變，均有可能會(huì)增大凍土區(qū)濕地CH4排放量[5]。大興安嶺多年凍土區(qū)凍土退化程度越劇烈，土壤中CO2和N2O排放通量越高[99]，影響凍土區(qū)土壤碳儲(chǔ)量和碳循環(huán)[72,100-102]。因此多年凍土退化會(huì)導(dǎo)致土壤水分、呼吸速率以及土壤溫度等條件，間接影響了植被生長(zhǎng)以及土壤微生物活動(dòng)等。

4.4 多年凍土及其退化對(duì)鐵路環(huán)境的影響

多年凍土及其退化導(dǎo)致中國(guó)東北部分地區(qū)鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施損壞，如部分鐵路沿線路基夏季融沉、冬季凍脹、山體滑坡及邊坡涎流冰等[103]。學(xué)者們通過(guò)環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)勘查、地溫觀測(cè)及試樣分析等方法，對(duì)鐵路沿線多年凍土環(huán)境進(jìn)行了研究[43,104-108]。定期監(jiān)測(cè)東北地區(qū)沿北安至黑河的高速公路沿路基下的地下電阻率變化，發(fā)現(xiàn)凍土區(qū)地溫?cái)?shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)呈較一致的規(guī)律，不連續(xù)性凍土呈退化趨勢(shì)且未來(lái)可能消失[109]。通過(guò)借助地表變形檢測(cè)揭示凍土分布、退化與地表形變的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)北安至黑河高速公路形變較大的位置分布在低海拔區(qū)，形變與凍土分布密切相關(guān)[43]。為解決多年凍土退化導(dǎo)致的地基沉降問(wèn)題，已有研究通過(guò)數(shù)值模擬揭示漠河北極村公路在施工不同階段溫度場(chǎng)及變形場(chǎng)的演化規(guī)律[110]。此外，公路建設(shè)加劇了多年凍土退化，同時(shí)多年凍土退化使道路的部分構(gòu)筑物穩(wěn)定性變差，例如路基不均勻沉降、邊坡失去穩(wěn)定性[111]，嚴(yán)重威脅了東北多年凍土區(qū)的環(huán)境安全。

目前針對(duì)東北多年凍土對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境的影響研究較多，但大多研究?jī)?nèi)容側(cè)重于凍土退化對(duì)森林、濕地、土壤以及社會(huì)環(huán)境的影響，東北多年凍土是目前凍土退化最顯著的區(qū)域之一，因此要加強(qiáng)凍土退化對(duì)于整個(gè)東北地區(qū)區(qū)域的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響研究。

5 結(jié)論與展望

多年凍土是東北寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是響應(yīng)氣候變化的重要指示器。近年來(lái)受氣候變化、森林火災(zāi)和人類活動(dòng)等干擾，多年凍土依然呈現(xiàn)逐漸退化趨勢(shì)。通過(guò)野外調(diào)查、鉆探、物探、氣象、遙感以及預(yù)測(cè)模型等方法研究發(fā)現(xiàn)東北多年凍土上限下降、南界北移、面積萎縮、凍融深度變化等。多年凍土的退化引起寒區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境不斷發(fā)生變化，如森林傾倒、林帶轉(zhuǎn)移、植物群落更新和演替等；濕地萎縮、凍土區(qū)地表徑流等水文過(guò)程變化；土壤水熱、理化性質(zhì)以及生物地球化學(xué)循環(huán)等都將被改變。

目前有關(guān)多年凍土退化的形式及對(duì)區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施的影響研究較多，但對(duì)于多年凍土退化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)理以及對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境的影響尚有不足。尤其多年凍土是北方森林-濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有豐富的碳，多年凍土退化引起的凍土、森林、濕地之間的相互聯(lián)系以及對(duì)區(qū)域氣候環(huán)境的影響研究不夠深入。多年凍土退化將會(huì)對(duì)東北寒區(qū)生態(tài)環(huán)境安全造成惡劣影響，未來(lái)需加強(qiáng)以下研究。

(1)在氣候變化背景下，通過(guò)耦合地球物理勘探、氣象資料、遙感航片、同位素標(biāo)記、野外調(diào)查法和凍土預(yù)報(bào)模型等方法，重點(diǎn)加強(qiáng)關(guān)注專題系列衛(wèi)星資料，如利用碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取相關(guān)CO2分布狀況。加強(qiáng)多途徑、多尺度的交叉融合，利用多種方法耦合從多角度多尺度探討多年凍土退化，加強(qiáng)寒區(qū)凍土退化對(duì)植被、濕地水文、土壤、生物多樣性等過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究。

(2)結(jié)合東北寒區(qū)具有泥炭地豐富、凍土發(fā)育、森林沼澤和蘚類沼澤濕地廣布等區(qū)域特征，同時(shí)蘊(yùn)含大量的碳，東北寒區(qū)是氣候變化的敏感區(qū)，凍土中的碳在碳循環(huán)過(guò)程中具有重要角色，因此應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)東北寒區(qū)凍土退化對(duì)凍土區(qū)碳源/匯的時(shí)空分布、碳循環(huán)過(guò)程以及碳儲(chǔ)量的影響研究，同時(shí)關(guān)注凍土退化對(duì)于整個(gè)寒區(qū)凍土-森林-濕地生態(tài)系統(tǒng)影響的互相反饋機(jī)理，加強(qiáng)凍土退化對(duì)寒區(qū)凍土 生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)的影響研究。

(3)難點(diǎn)在于東北寒區(qū)凍土退化涉及水文、植被和土壤熱狀況的復(fù)雜作用，使得該地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程比較復(fù)雜。結(jié)合多年凍土退化對(duì)寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的影響，開(kāi)發(fā)能夠長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的寒區(qū)凍土野外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(例如，加強(qiáng)建立遙感和地面相結(jié)合的“地-空”綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò))，拓展新的研究方法與技術(shù)體系監(jiān)測(cè)凍土退化狀況，深入研究寒區(qū)凍土退化影響的碳循環(huán)機(jī)制，同時(shí)加強(qiáng)建立多種模型耦合及多學(xué)科交叉的模型方法預(yù)測(cè)多年凍土對(duì)氣候變化響應(yīng)趨勢(shì)，提出東北地區(qū)多年凍土保護(hù)與適應(yīng)氣候變化的對(duì)策。