祁连山木里矿区冻土资源分布特征及其环境效应

梁振新， 刘世明， 王伟超， 王 佟， 杨 成， 张占玉， 肖 龙

(1.青海煤炭地质局，青海西宁 810001； 2.青海煤炭地质勘查院，青海西宁 810001；3.青海煤炭地质一○五勘探队，青海西宁 810007； 4.中国煤炭地质总局，北京 100038)

0 引言

冻土是指温度在0℃或0℃以下含有冰的各种基岩和松散沉积物，常分布于高原高寒地区[1-3]。根据冻结时间的不同，冻土类型分为多年冻土(数年至数万年以上)、季节冻土(半月至数月)和瞬时冻土(数小时、数日至半月)[4-5]。祁连山属于高原高寒环境，分布着大面积的多年冻土，是祁连山生态安全屏障的重要保障[6]。然而，近些年气温持续升高和人类活动的综合影响下，祁连山部分地区多年冻土退化明显[7-8]，尤其是木里矿区受采矿活动影响，打破了原有的冻土平衡状态，对周边生态环境有一定的影响。

木里矿区以往矿业活动频繁，忽视了对生态环境的重视和保护，致使矿区内地貌景观、植被、地表水系、湿地草甸和冻土都遭到一定程度的破坏，水源涵养和水源输送功能下降，沼泽草甸退化[9]。作为青藏高原的重要组成部分，祁连山有着特殊的生态安全屏障功能，木里矿区位于祁连山腹地，其冻土研究对生态保护与建设有着重要的意义[10]。本文通过整理、分析以往资料，应用无人机热红外遥感技术和温度反演影像解译，厘清木里矿区冻土资源分布现状，并进一步探讨冻土对自然生态修复的意义。

1 木里矿区冻土类型与分布

木里矿区地处祁连山中南部腹地，大通河流域中上游区域，平均海拔在4 000m以上，区内多为草原/草甸谷地。矿区地处高原高寒地带，夏季短暂，昼夜温差大，全年气候寒冷，属典型的高原大陆性气候[9]。区内冻土(岩)发育厚度介于50～136m。受矿区内地形地貌、地下水条件、地质构造、地表水系、坡向等因素影响，多年冻土分布厚度及类型具有一定差异性。高含冰量多年冻土主要分布在山前缓坡和山间的宽缓地段、河流阶地和河漫滩等低洼地段。而靠近山坡上部地表干燥，植被覆盖率低，含冰量较低。多年冻土形态整体为连续分布。地表季节性冻土每年4月份开始融化，至9月份回冻，最大冻融深度不超过3.5m，冻融作用强烈，地表多见冻胀丘和热融湖塘，易造成地表沉陷、开裂变形等现象[11]。

木里矿区面积约150km2，共划分为9个井田(图1)，区内分布有亚稳定型多年冻土，冻土年平均地温在-1.5～-3.0℃；少量稳定型多年冻土，冻土年平均地温<-3.0℃。聚乎更3、4、7、8号井田主要处于山前缓坡高含冰量冻土区；5号井田中部处于基岩山区低含冰量冻土区，其东西部分处在缓坡高含冰量冻土区；9号井田主要处于基岩山区低含冰量冻土区[4,12]。

2 冻土发育及影响因素

2.1 冻土垂向变化

根据木里冻土常年监测钻孔ML-12测温资料显示，多年冻土地温整体在0℃以下，并呈“急剧变化”“相对恒定”和“稳定变化”三个显著变化的区段(图2)。

图1 木里煤田位置及聚乎更井田分布[9,13] Figure 1 Muri coalfieldposition and Juhugeng minefield distributions (after reference [9],[13])

图2 木里地区ML-12监测孔多年冻土地温曲线形态[14]Figure 2 Monitoring well ML-12 permafrost geotemperaturecurve pattern in Muri area (after reference [14])

对木里矿区聚乎更一号井以往天然气水合物钻孔进行72h拟稳态地温测井获得相关信息(表1)。其中，4-24钻孔位于一号井西部地势平坦、植被发育区；7-20钻孔位于地势相对较高、植被相对稀疏的山坡。4-24钻孔井温显示多年冻土顶界深度为21m，底界深度为78m，多年冻土厚度57m。7-20号钻孔测温曲线推测多年冻土顶界深度为3.5m，底界深度为99m，多年冻土厚度95.5m(图3)。

2.2 冻土分布特征

据木里矿区以往钻孔测温记录，该区多年冻土厚度整体呈不对称的U形，西部厚度大，中部厚度小，东部厚度又逐渐变大(图4)。多年冻土呈连续分布，厚度介于50～136m，冻土厚度变化主要与区内地形地貌、矿业活动等关系密切。

2.3 影响冻土发育的主要因素

冻土的形成环境具有独特性，其发育程度受自然地理环境、地质环境及人类活动等共同影响[3,15]。影响冻土发育包括外部因素和内部因素。外部因素指气候变化(气温、降水、辐射平衡)、地形地貌(海拔、坡向)、地表水文地质条件、第四纪构造运动及人类活动(采矿活动、物体建设)。内部因素指岩土性质、含水量、含冰量及年平均地温等。

近40年，青藏高原年平均气温上升了0.3～0.4℃，且以冬季升温为主。气温升高导致多年冻土层厚度整体减薄5～7 m，多年冻土底界明显上移[5,16]。木里矿区近10年冻土地温监测显示多年冻土地温一般在0 ～ -1.2℃，冻土的地温曲线主要表现为正温型地温曲线，并且随着时间的推移，多年冻土温度呈增加趋势，表明多年冻土下限在逐步上移，多年冻土向着退化的方向发展。另外，近10年，木里矿区多年冻土上限呈下移趋势，下降速率为0～20 cm/a(图5)。

木里矿区西部高山峻岭，中东部山间盆地，冻土厚度西部最厚，中部最薄。宏观冻土厚度变化与地形地貌特征密切相关。局部区域的冻土厚度变化受地表水文地质单元及岩土性质等影响。

表1 木里矿区聚乎更一号井天然气水合物钻孔拟稳态测温信息

图3 木里矿区聚乎更一号井4-24和7-20号钻孔拟稳态测温Figure 3 Quasi-steady state thermometry in borehole Nos.4-24 and 7-20 in Juhugeng coalmine No.1, Muri mining area

图4 阳康至默勒沿线冻土分布[12]Figure 4 Permafrost distributions along Yangkang to Mur line (after reference [12])

图5 木里矿区ML-4井多年冻土演化 [14]Figure 5 Permafrost evolutions in well ML-4 in Murimining area (after reference [14])

3 冻土的生态环境效应

3.1 水源涵养及水土保持作用

多年冻土层具有良好的水源涵养功能和水土保持作用[6,17-18]，由于祁连山木里矿区冻土资源的广泛发育，孕育了大面积的高山草甸和湿地。地表水资源丰富、季节性河流发育，是大通河上游的重要支流；夏季冻土融化活动层中有泉水出露，但流量较小，主要为大气降水补给。

3.2 生物平衡及多样性保护作用

祁连山地区具有独特的生物群落及其平衡性，高寒气候孕育了特有的高寒草甸，植被构成以耐寒、短根茎的嵩草和苔草为主，具有植株低矮密丛、贴地面生长等耐寒特征，层次分化不明显[19-20]。高寒草原主要发育于河流阶地及谷地，不同的自然环境与丰富多样的植被类型相互融合，为生物多样性提供了天然庇护场所。矿区内脊椎动物种类多样，有野牦牛、黄羊、狼等国家保护动物20余种及家畜10余种。然而，由于冻土退化， 导致矿区内水土流失，植物由原来的蒿草退化为披碱草。植物种类相应减少，盖度降低，啮齿类动物随之潜入，加速了草场退化。受草场退化影响，动物种类也随之发生了变化，原有的生物平衡被打破，植物和动物的多样性遭受到极大的挑战。

3.3 固/汇碳作用

由于草原湿地的广泛发育，一直以来，青藏高原发挥着极为重要的生态汇碳功能[6,21-22]。青藏高原是全球中低纬度地区面积最大的多年冻土分布区，在其0～3 m的土壤中储存了约36.6 Pg (1 Pg = 1015g)的碳[23-24]。多年冻土层对青藏高原草原湿地水分涵养起着决定性的作用。冻土的衰退或破坏，会造成草原湿地的大面积荒漠化，随之土壤中大量的有机碳经微生物分解后将以二氧化碳和甲烷形式释放到大气中。另外，多年冻土层作为天然气水合物、煤层气形成的重要盖层和温压条件创造者，同时也有效地延缓或阻止了气体的逸散作用[25]。因此，多年冻土区对碳固持、汇聚功能具有重要的作用和意义。为了实现碳达峰、碳中和重大战略目标，要更加珍惜和保护冻土资源，维护好青藏高原的生态安全屏障。

4 矿业活动对冻土的影响

虽然影响冻土发育的因素众多，但露天采矿活动是最直接、破坏力最强的因素。冻土遭受破坏后，其生态功能丧失，对祁连山生态安全屏障保护与建设造成一定的影响。

木里矿区自然条件严酷，生态系统较为脆弱，矿业活动造成的直接影响主要体现在采矿对多年冻土活动层和多年冻土的直接性破坏、渣山对多年冻土的影响、矿山自燃、次生灾害的冻土扰动等。由于多年冻土遭受破坏或扰动，地表活动层增厚，水力沟通联系加强，矿区内表层土壤中有机质、有效磷、速效钾和水溶性氮都发生了不同程度的流失(表2)。

表2 木里矿区土壤样品测试结果

5 结论

以祁连山木里矿区冻土为研究对象，系统总结了矿区内冻土分布特征、类型及发育的影响因素，探讨了冻土的生态环境属性，初步获得以下结论：

1)木里矿区冻土类型受地形地貌约束，主要类型有山前缓坡高含冰量冻土和基岩山区低含冰量冻土。

2)研究区多年冻土分布整体呈不对称的U形，矿区西部多年冻土厚度平均超过200m，中部厚度最小，至东部厚度又逐渐增大。

3)多年冻土的隔水作用形成了良好的水源涵养功能，为矿区内植物的生长发育提供了必要条件；多年冻土层直接或间接的作为重要的汇碳/储碳区。

4)影响冻土发育的因素以气候变化和采矿活动为主，青藏高原气候持续变暖，造成多年冻土层不同程度的退化，生态环境也随之发生了显著改变；矿区露天采矿活动对冻土层直接进行了破坏，短期内对生态环境影响很大。