【地理专题】冻土、冻融、冻土地貌，森林是如何保持水土、涵养水源的？
冻土
凡处于零度及以下温度，并含有冰的各种土(岩)，统称为冻土。
01
分类
冻土按其时间的长短，可分为季节冻土和多年冻土两类。
季节冻土指冬季冻结、夏季全部融化的土层；
多年冻土指冻结持续多年，甚至可达数万年的土层。多年冻土在地球上主要分布在俄罗斯和加拿大。我国多年冻土面积主要分布在东北、北部山区、西北高山及青藏高原地区。
多年冻土可分为上下两层，上层为夏融冬冻的活动层，下层为多年冻结层。
02
特征
冻土层的温度是随着气温而变化的。地温变化的幅度以地表为最大，随着深度加大而减小，至某一深度，其值等于零。这个深度称为地温年变化深度。
03
分布规律
①冻土在地球上的分布具有明显的纬度地带性和垂直地带性。
多年冻土区与非多年冻土区之间的界线，在水平方向上称为多年冻土南界(北半球)，在垂直方向上称为多年冻土下界。随着多年冻土动态变化，南界和下界亦不断发生变化，并且在各种非地带性因素影响下，分界线也往往不是一条直线。
②自极地向低纬度方向，多年冻土分布厚度不断减小。年平均地温相应升高。
③中低纬度高山高原地区的冻土分布，主要受海拔高程的控制。一般来说，海拔愈高，厚度愈大，地温愈低。
全球冻土分布图
我国多年冻土分布在东北北部地区、西北高山区及青藏高原地区。
冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层）。
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冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。随着气候变暖，冻土在不断退化。
04
形成条件
1
气候
冻土分布区的环境条件存在差异。冰沼土分布区属苔原气候，大部分地面被雪原和冰川所覆盖，年平均温在0℃以下，一般都在-17℃至-10℃，冬季气温可低至-40℃，甚至-55℃，夏季温度也很低，7月份平均温度不超过10℃，全年结冰日长达240天以上。高山冻漠土年均温也很低，一般为-12℃至-4℃。冻土区降水很少，欧洲部分为200-300毫米，亚洲和北美洲北部在100毫米以下，西藏冻漠土区因地势高、远离海洋，降水更稀少，一般为60-80毫米，其北部更少，为20-50毫米，其中90%集中在5-9月。降水虽然少，但气温低，蒸发量小，长期冰冻，土壤湿度很大，经常处于水分饱和状态，夏季土壤——母质融化，砂土可达1-1.5米，土壤70-100厘米，泥炭土35-40厘米，以下即为永冻层，高山冻漠土在宽谷、湖盆永冻层深度80厘米，山坡上可达150厘米。
2
植被
由于冻土区气候严寒，植被是以苔藓、地衣为主组成的苔原植被，草本植物和灌木很少，常见的植物有：石楠属、北极蓝浆果、金凤花等开花植物，南缘有云杉、落叶松、桦、白杨、柳、山梣等，生长缓慢，矮小且畸形，各种植物的年生长量均不大，苔原地带每年有机质的增长量为400公斤/公顷，是世界各自然地带中最少的。高山冻漠土区植被为多年生和中旱生的草本植物、垫状植物和地衣，常见的有风毛菊属、葶苈属、桂竹香属、虎耳草属、点地梅属、银莲花属、金莲花属、红景天属等，一簇簇地生长在石隙之前，或在冰雪融水灌润的地方局部呈小片分布。五颜六色的粗糙蝶衣、地图黄绿衣、岩表黄绿衣等则着生于石块上面。
3
地形、母质
冻土发育的地区，因刚脱离冰川覆盖不久，冰川地形保持得相当完整。冻漠土分布区的地形主要是陡峭的山坡、角峰、刃脊、第四纪和近代冰川所形成的冰斗和冰碛垅堤，宽谷，湖盆的湖积平原等。成土母质的差异较大，加拿大、西伯利亚地盾区是前寒武系基岩。其他地区有古生代各种灰岩、石英砂岩、板岩、中生代的灰岩、红色钙质砂泥岩及近代石砾和冲积物，残积物，冰碛物，冰水沉积物等。
多年冻土：另一个潘多拉魔盒?
什么是多年冻土?
所谓多年冻土（permafrost），是指持续多年冻结的土石层。一个典型的多年冻土见图1: 地表有一些覆盖物（土壤或一些植被），这一层一般会季节性的消融和冰冻，温度变化较为剧烈，所以叫活动层（图1，2）。在其之下是多年冰封的岩石或土壤（图1白灰色部分），即多年冻土，他们的温度较为稳定，维持在0摄氏度以下。所以一般人站在地上是看不到多年冻土层的。有多年冻土的区域大概占北半球陆地的24%，其不止是在极地区域，也分布在高山等海拔较高的区域（比如我国青藏高原地区）。
（左侧）一个典型的极地区域的多年冻土层（自挪威），图自JeffVanuga/Getty。（右侧）冬季和夏季时冻土层和活动层的垂向温度。
冻土是指在0℃以下并含有冰的各种岩土和土壤。温度在0℃以下不含冰的岩土和土壤称作寒土或冷土。按土的冻结状态保持时刻的长短，冻土一般可分为短时冻土、季节冻土及多年冻土三种类型。我国的自然地理环境决定多年冻土形成与存在。多年冻土分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土两种。多年冻土的形成是由纬度和海拔高度所决定的。冻土层的厚度从高纬到低纬逐渐减薄，以至完全消失。例如，北极的多年冻土厚达百米到千米（图2）。永冻层的顶面接近地面。逐渐向南，多年冻土厚度减到100m以下，永冻层的顶面埋藏变深。大致北纬48°附近是多年冻土的南界，冻土厚度仅1～2m。超过这一界限，就从连续冻土带过渡到不连续冻土带（图2）。后者由许多分散的冻土块体组成，这种分散的冻土块体称为岛状冻土块（图2）。
多年冻土层从高纬度（左）向低纬度（右）的变化示意图 全球变化下的多年冻土多年冻土近年来受到非常多的关注和警惕，首先是因为地表温度在北极和北半球高纬度陆地地区上升非常剧烈，这个现象一般被称作“北极放大”现象。从全球地表温度长期趋势图中（图3）可以非常明显的看到，全球气温上升最快的区域在北极地区和北半球陆地。平均而言北极气温变化趋势是全球平均趋势的2倍！为什么会发生“北极放大”现象依然是一个前沿的研究话题。但陆地变暖速率比海洋上变暖剧烈很好理解：陆地比热容比海洋小，在同样的太阳能量照射下，陆地升温更为剧烈。
1970-2018年全球地表温度上升幅度
全球地表温度上升最快的区域正是多年冻土主要分布的区域！受全球变暖驱动，冻土层也在不断变暖！图4为过去十年北极地区连续性冻土层、高山冻土层的温度变化。可以看到仅仅10年时间，北极冻土层温度上升了约0.4摄氏度；高山冻土层温度上升了约0.2摄氏度。相比而言，全球平均地表温度过去10年只上升了约0.15摄氏度。
过去十年北极地区连续性冻土层（上）以及高山冻土层（下）的温度变化。图自Biskabornet al. 2019。 多年冻土以及冰盖冰川等相当于地球的“冰箱”：就像家里的冰箱温度低所以食物等有机物质的储存时间较长，所以大量生物包括动物遗体、植物、微生物等被“冰封”到多年冻土里面。两极冰盖封存的东西反而少，因为很少有生物可以在极地生存，南北极地区域大部分区域都是无人、无生物区。可以想象，如果冻土融化，其中封存的东西将被释放出来！那么，这将打开一个“百宝箱”，还是一个“潘多拉的魔盒”呢？？很不幸，大概率是后者：1、释放温室气体，加剧全球变暖。很多多年冻土中富含有机物（长久以来上层动植物死亡后被埋在地底），冰冻可以减缓永冻层内的有机物分解（参照冰箱里的蔬菜和肉坏的慢）。2、破坏土地稳定性，破坏上层建筑和设施。在接近极地和中低纬度高山区域，很多设施比如公路、房屋等都建设在多年冻土之上。据估计，全球大约350万人生活在多年冻土或邻近区域。一旦多年冻土开始部分消融，上层土地开始变得非常不稳定，滑坡等地质灾害必然会加快，破坏建造在其上的设施。
多年冻土融化破坏其上的道路（加拿大）（图自Yellowknife.RyersonClark/iStock）。 释放出封存在其内的各种污染物、微生物。一最近发表在GRL的一个研究表明：北半球的多年冻土储存了超过150万加仑的汞：这个量是大气、海洋、其余土壤中全部汞含量的两倍（Schusteret al. 2018）！多年冻土的消融将导致这些汞的释放，威胁全球生物和人类，而过去几十年已经观测到了全球多年冻土在释放汞。
冻土主要影响因素
多年冻土的厚度虽然受纬度和高度的控制，但在同一纬度和同一高度处的冻土厚度还有差别，这和其他自然地理条件有关。
01
气候的影响
大陆性半干旱气候较有利于冻土的形成，而温暖湿润的海洋性气候不利于冻土的发育。【在欧亚大陆内部的半干旱气候区的冻土南界（北纬47°）比受海洋性气候影响较大的北美冻土南界（北纬52°）要更南一些。另外，在纬度和高度相同的条件下，大陆性半干旱气候区的冻土厚度比海洋性气候区的要大。】
02
岩性的影响
砂土导热率较高，易透水，不利于冻土的形成。黏土导热率较低，不易透水，有利于冻土的形成。泥炭的导热率最低，最有利于冻土的发育。
03
坡向、坡度的影响
坡向和坡度直接影响地表接受太阳辐射的热量。阳坡日照时间长，受热多于阴坡，因而在同一高度、不同坡向冻土的深度、分布高度和地温状况都不同，冻土的厚度也不同。【根据观测，昆仑山西大滩不同坡向的山坡，在同一高度和同一深度的阴坡地温比阳坡地温要低2~3℃，阴坡冻土的厚度也要大一些，冻土分布下界高度较阳坡低100m。坡向对冻土发育的影响还随坡度减小而减弱，如大兴安岭当坡度为20~30°时，南北坡同一高度处的地温相差2~3℃，随着坡度减小，不同坡向的同一高度地温差减小，冻土厚度的差别也要小一些】
04
植被、雪盖的影响
冬季，植被和雪盖阻碍土壤热量散失。夏季，植被和雪盖减少地面受热。因此，在有雪盖和植被的地区，地面年温差减小。【例如大兴安岭落叶松、桦树林区和青藏高原的高山草甸地区，能使地表年温差比附近裸露地面降低4~5℃，永冻层顶面深度变浅，永冻层厚度相对增大，活动层厚度相对减小】
主要冻土地貌
多年冻土区的地貌形成与冻融作用直接相关。
冻融作用：是指冻土层中的水在气温周期性的正负变化影响下，不断发生相变和迁移，使土层反复冻结融化，导致土体或岩体的破坏、扰动和移动的过程。由冻融作用形成的各种地貌，称冻土地貌。
冻融风化是指土层或岩层裂缝中的水,在冬季或夜晚温度下降发生冻结时把岩石涨裂,并因冻结膨胀产生压力而把裂缝附近的岩石压碎成块石和更细的物质,它是冻土区一种最普遍的冻融作用形式。
冻融扰动是指在多年冻土活动层内发生的,因受冻涨挤压而引起的一种土层结构的塑性变形现象。
冻融泥流是指冻土层上部解冻时，融化的水使松散土层达到饱和状态，这种饱含水的土层因具有可塑性，在中立作用下发生沿斜坡蠕动的现象。
冻拔现象（可以拔石头、树木、桩基）：如冻拔树：在纬度高的寒冷地区，当土壤含水量过高时，由于土壤结冻膨胀而升起，连带植物抬起。至春季解冻时，土壤下沉而植物留在原位造成植物根部裸露死亡。
石海、石河和石冰川
01
石海：在寒冻风化作用下，岩石遭受寒冻崩解，形成巨石角砾，就地堆积在平坦的地面上。
形成条件：
①气温经常0℃上下波动，日温差较大，并有一定湿度，使岩石沿节理反复寒冻崩解。
②地形较平坦，地面坡度小于10°，可使寒冻崩解的岩块不易顺坡移动而保存在原地。
③坚硬而富有节理的块状岩石，如花岗岩、玄武岩和石英岩等，在寒冻作用下常崩解成大块岩块，得以保留在原地。
石海形成后，组成石海的大石块很少移动。同时，石海中又缺少细粒物质而水分较少，冻融分选难以进行，这样石海能长期保存下来。石海常在同一走向、同一岩性和一定高度的山坡上部发育，有一条平整的界限，称石海线。【例如昆仑山的石海线是4900m。石海线比同期雪线高度要低200~300m或400~500m。石海线可大致确定古雪线的高度，石海线是一条重要的气候地貌界线】
石河：在山坡上寒冻风化产生的大量碎屑滚落到沟谷里，堆积厚度逐渐加大，在冻融和重力作用下发生整体运动形成。
石河运动是石块沿着湿润的碎屑下垫面或永冻层的顶面在重力作用下移动，这里温度变化起着重要作用，它会引起碎屑空隙中水分的反复冻结和融解，导致碎屑的膨胀和收缩，促使石河向下运动。
石河运动速度较低，但中央部分流速比两侧流速要快。湿润气候区的石河流速比干燥气候区的要快，石河中的岩块经长期运动，可以搬运到山麓停积下来，形成石流扇。
石河停止运动是气候转暖的标志之一。【当石河不再移动时，角砾表面开始生长地衣苔藓，有时在石河上生长树木或堆积新沉积物。这些石河一般多分布在现在多年冻土的南界（北半球高纬地带）或高山冻土的下界附近】
石冰川：当冰川退缩后，聚集在冰斗和冰川槽谷中的冰破物，在冻融作用下顺谷地下移形成。
石冰川分布在高山森林线以上，由尖角岩屑组成，平面形状很像冰川舌。石冰川的纵剖面常呈上凸的弧形，横剖面中部突起。它的长度一般可达300~400m，宽100m左右。【阿拉斯加最大的石冰川长达3km，末端堤高60m。】
多边形构造土
02
在第四纪松散沉积物的平坦地面上，由冻融和冻胀作用，地面形成多边形裂隙，构成网状，称为多边形构造土。从地表平面看，裂隙组成多边形，从剖面上看，裂隙呈楔形。根据楔子内填充物的不同，又分为冰楔和砂楔。
冰楔：在多年冻土区，地表水周期性注入到裂隙中再冻结，使裂隙不断扩大并为冰体填充，剖面成为楔状，称为冰楔。
冰楔的形成先是地表形成裂隙，地表水注入再冻结而成脉冰，由于脉冰常深入到永冻层中，到温暖季节，上部活动层的脉冰融化消失，永冻层中的脉冰则仍然存在。到了寒冷季节冻土又发生体积不均衡膨胀，原有的裂隙不断扩大。到来年夏季又在裂隙中注入水分，冬季再冻结胀裂，如此反复作用，就形成冰楔。
冰楔形成示意图 冰楔形成的条件：
①有深入到永冻层中的裂隙，并为脉冰所填充。
②冰楔的围岩是可塑性的，水在裂隙中才能冻结、膨胀，围岩不断受挤压变形，冰楔不断展宽。谭老师地理工作室综合整理
③需要严寒的气候条件，年平均温度一般为-6~-3℃。
砂楔（古冰楔）
砂楔与冰楔形态相似，但裂隙中填充的不是脉冰，而是松散的砂土，叫砂楔。
砂楔可从冰楔演变而来，当冰楔内的脉冰完全融化后，砂土代替冰体填充于楔内，形成砂楔，所以又把砂楔看成古冰楔。
石环、石圈和石带
03
石环：是由细粒土和碎石为中心，周围由较大砾石为圆边的一种环状冻土地貌。【它们在极地、亚极地以及高山地区常有发育】
石环的直径一般为0.5~2.0m，在极地地区可达十余米。
石环示意图 石环是冻土中颗粒大小混杂的松散砂砾层，由于饱含水分，经频繁的冻融交替，产生物质分异形成的。
活动层中的大小混杂的砂砾，冬季，先从地面冻结，砂砾层孔隙中的水冻结膨胀，地面和砂砾层中的砾石一起被抬高，砾石的下部尚未冻结而出现空隙，砂土填入或水渗入形成冰透镜体。夏季，活动层上部解冻，由于砾石和砂土的导热率不同，砂土中的冰先融化，地面逐渐回降到原来位置，但砾石下部仍为冻结状态，这时一些大颗粒碎石或砾石却比周围含水砂土位置相对升高。等砾石下部冰开始融化时，砾石周围的砂土向砾石下部移动，填垫在砾石下部，当活动层全部融化后，砾石却相对抬升了一段距离，在这种冻融过程反复作用下，大的石块或砾石就逐渐被顶托到地面。
石圈：斜坡上发育的石环，在重力作用下常成椭圆形，它的前端由大石块构成石堤，这种石环又叫石圈。
石带：在较陡的山坡上，石圈前端常分开，经冻融分选的最大岩块，集中在纵长延伸的裂隙中，形成石带。
冰核丘
04
冻土层中常夹有未冻结层，未冻结层中的水分在地下慢慢凝结成冰体，使地面膨胀隆起，形成冰核丘。
冰核丘的平面呈圆形或椭圆形，顶部扁平，周边较陡，可达40~50°。冰核丘的顶部表面因地表隆起变形，产生许多方向不一的张裂隙而下陷。
冰核丘规模大小不等。一年生的冰核丘的规模较小，高只有数十厘米至数米；多年生的冰核丘规模较大，高可达十余米至数十米，直径从30m到70m不等。
冰核丘有时能产生爆炸。在夏季气温上升很快，上部冻结层迅速融化，冻结土层急剧变薄，这时如冰核丘内含有气体，承压力很高的地下水就可能发生喷水爆炸。
土溜阶坎
05
土溜阶坎：是多年冻土区坡地上的一种地貌现象。当融冰时地表过湿的松散沉积物沿坡向下流动，前端常成一陡坎，叫土溜阶坎。
土溜阶坎高约1m左右，宽4~5m，有的规模还要大一些。成因是多年冻土上部的活动层周期性融化，融化的水受下部永冻层的阻挡不能下渗，结果活动层的松散物质被水浸润，内摩擦减小，在重力作用下就缓缓沿坡向下滑动，如遇阻或坡度变缓，流动的速度减慢，前端就壅塞成一个坡坎。
热融塌陷洼地
06
热融塌陷洼地：是因温度升高，地下冰融化引起地面塌陷所形成的各种洼地。
这种塌陷过程类似喀斯特塌陷过程，而塌陷原因和温度有关，故又称热力喀斯特。
多年冻土上部的温度升高可能是气候周期性的转暖形成的，也可能是人为因素造成的。【如砍伐森林、开垦荒地和人工截流蓄水等都可以使地面温度增高】
热融塌陷洼地发育在斜坡上形成各种滑塌洼地，在平坦地面上形成漏斗状沉陷洼地，洼地内常积水成湖，称热融塌陷湖。
多年冻土发育的高原或平原地区，大大小小的热融塌陷湖星罗棋布。热融塌陷湖形成以后，湖水对湖底土层的传热作用，使底部土层增温，活动层的深度加大，地下冰融化速度加快，湖泊进一步沉陷，直到湖底地下冰全部融化后，湖泊才停止下沉和扩大。
【试题链接】
（材料）近年来，位于高纬的西伯利亚地区气候发生了明显变化，土地覆被也随之变化，平地上的耕地明显减少，洼地上的草地大量转化为湿地，越年积雪（积雪期超过一年）面积减少。据此完成下面小题。
1. 导致西伯利亚地区土地覆被变化的首要原因是（ ）
A. 气温升高
B. 气温降低
C. 降水增多
D. 降水减少
2. 湿地面积增加主要是因为当地（ ）
A. 洪水暴涨
B. 退耕还湿
C. 地面沉降
D. 冻土融化
3. 西伯利亚地区平地上减少的耕地主要转化为（ ）
A. 林地 B. 湿地
C. 草地 D. 寒漠
【答案】1. A 2. D 3. C
【解析】
本组题以高纬的西伯利亚地区气候的明显变化，土地覆被也随之变化为背景，考查影响区域植被变化的因素，气候变暖的影响。
1. 读材料可知，越年积雪（积雪期超过一年）面积减少，说明积雪融化增多，故首要原因是气温升高，A正确，B错误；降水增多会使越年积雪面积增大，C错误；材料中“洼地上的草地大量转化为湿地”说明洼地上有浅水出露地表，洼地积水增多，降水减少不合题意，D错误。故选A。
2. 由上题分析可知，气温升高会导致冻土融化，地表积水增多，湿地面积增加，D正确；材料中“洼地上的草地大量转化为湿地”说明湿地增加的主要原因不是洪水暴涨、退耕还湿和地面沉降引起，ABC错误。故选D。
3. 由（1）（2）题分析可知，气候变暖使冻土融化，地表水分增多，但平地上较洼地地势高，积水较少，不会有大量的浅水出露地表，减少的耕地主要不会转化为湿地，地表水分增加，适合草类植被生长，故主要转化为草地，B错误，C正确；题干中“高纬的西伯利亚地区”热量不足，难以形成林地植被，A错误；气候上升使冻土融化，地表水分增多，会使植被覆盖增多，不会转化为寒漠，D错误。故选C。
（材料） 阅读图文材料，完成下列要求。
多年冻土分为上下两层，上层为夏季融化，冬季冻结的活动层，下层为多年冻结层。我国的多年冻土分布主要分布于东北高纬度地区和青藏高原海拔地区。东北高纬地区多年冻土南界的年平均气温在-1°~1°，青藏高原多年冻土下界的年平均气温约为-3.5°~2°C。由我国自行设计、建设的青藏铁路格（尔木）拉（萨）段成功穿越了约550千米的连续多年冻土区，是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结，会危及示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布，其中西大滩至安多为连续多年冻土分布区。图b为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。热棒地上部分为冷凝段，地下部分为蒸发段，当冷凝段温度低于蒸发段温度时，蒸发段液态物质汽化上升，在冷凝段冷却成液态，回到蒸发段，循环反复。
（1）分析青藏高原形成多年冻土的年平均气温比东北高纬度地区低的原因。
（2）图a所示甲地比五道梁路基更不稳定，请说明原因。
（3）根据热棒的工作原理，判断热棒散热的工作季节（冬季或夏季）简述判断依据，分析热棒倾斜设置（图b）的原因。
【答案】
（1）青藏高原纬度低，海拔高，太阳辐射强；（东北高纬地区年平均气温低于—1℃～1℃，可以形成多年冻土。）青藏高原气温年较差小，当年平均气温同为—1℃～1℃时，冬季气温高，冻结厚度薄，夏季全部融化，不能形成多年冻土。
（2）甲地年平均气温更接近0℃，受气温变化的影响，活动层更频繁地冻融，（冻结时体积膨胀，融化时体积收缩，）危害路基；甲地年平均气温高于五道梁，夏季活动层厚度较大，冬季有时不能完全冻结，影响路基稳定性。
（3）冬季。依据：冬季气温低于地温，热棒蒸发段吸收冻土热量，（将液态物质汽化上升，与较冷的地上部分管壁接触，凝结，释放出潜热，）将冻土层中的热量传送至地上（大气）。热棒倾斜设置的原因：使热棒能深入铁轨正下方，保护铁轨下的路基（多年冻土）。
【解析】
（1）海拔高是导致青藏高原地区气温低的主要原因。和东北地区相比，青藏高原地区纬度较低，冬季获太阳辐射量多，冬季气温高，冻结厚度薄。夏季地表温度高，冻土层融化。青藏高原纬度低、海拔高，太阳辐射强；（东北高纬度地区年平均气温低于-1℃—1℃，可形成多年冻土。）青藏高原气温年较差小，当年平均气温同为-1℃—1℃时，冬季气温高，冻结厚度薄，夏季全部融化，不能形成多年冻土。
（2）观察图中甲地与五道梁地区的温度和纬度差异。甲地年均温高于五道梁地区，甲地冻土层厚度变化大，永久冻土厚度较小，地基土频繁的冻融不稳。甲地年平均气温更接近0℃，受气温变化的影响，活动层更容易频繁的冻融（冻结时体积膨胀，融化时体积收缩），危害路基；甲地年平均气温高于五道梁，夏季活动层厚度较大，冬季有时不能完全冻结，影响中期稳定性。
（3）热棒散热的工作季节为冬季。冬季高原面上气温低，冷凝段温度低于路基温度，蒸发段将液态物质汽化上升，气态物质在此段冷凝转化成液态流回蒸发段。冬季气温低于低温，热棒蒸发段吸收冻土热量（将液态物质汽化上升，与较冷的地上部分管壁接触，凝结释放出潜热），将冻土层中的热量传送至地上（大气）。倾斜设置可增加热棒与地层的接触面积，使热棒能深入铁轨正下方，对地层温度的调节作用更强。使热棒能深入铁轨正下方，保护铁轨下的路基（多年冻土）。
森林的生态环境效益：
森林具有涵养水源、调节气候、
保持水土、防风固沙、净化空气、
吸烟除尘、保护生物多样性、
美化环境等功能，
森林也称之为“地球之肺”。
森林保持水土、涵养水源的作用层次主要是林冠和林下植被层（灌木和草本植物）、枯枝落叶层、根系土壤层，通过这三个层次对降水进行调节，并提高土壤的抗蚀抗冲性能。
01林冠和林下植被层
①植被截留
林冠和林下植被层就像一把伞，削减了雨滴势，也拦截了部分降水。植物截留量可视为两部分组成，其一，降水过程中从枝叶表面蒸发的水量；其二，降水终止时枝叶上存留的水量，这部分最终也消耗于蒸发。
截留后，阻止了雨滴击溅表土，避免了土壤颗粒被击碎；另一方面，大大减少了落到地面的降雨量，从而减少了地表径流量，也从而减少了土壤侵蚀量。
林冠越低，郁闭度越大，林下植被越茂密，这个作用就越强。在中纬度条件下，一个基本郁闭的森林生态系统，大约可截留当年降水量的15%—30%。其中乔木冠层对降水有较强的截持能力。
同时，林冠可减少太阳短波辐射，降低风速和气温，减小林地空气饱和水气压差等，从而降低土壤水分蒸发量。
02枯枝落叶层
①截蓄降水
当林冠和林下植被层的承雨能力达到饱和后，从树冠和植冠上落下的水滴对地面土壤具有更大的冲击力。此时森林的枯落物所形成的枯枝落叶层就构成了第二道屏障。
森林每年产生的枯落物很多，其中数量最多、作用最大的是乔木树种的叶子，约占60%—80%。与林冠层相比，枯枝落叶层覆盖在地面，防止雨滴击溅土壤的效果更为明显。这些枯落物具有很大的孔隙度，可以吸收和渗透降水，具有很强的水源涵养性能，最大持水率均在136.56%以上，最大持水量在9.32t/hm²以上。
②改善土壤性质
枯枝落叶层腐烂后，形成腐殖质和有机质，参与土壤团粒结构的形成，特别是还能组合粗粒土壤和增加粘重土壤的孔隙度，使前者持水量增加，使后者易于通气透水，促进雨水的迅速下渗，从而减少了地表径流对土壤的冲刷。
③阻延径流，防洪减灾
当降水强度超过林冠截留和森林枯落物与土壤的临界持水能力时，就会产生坡面径流。由于枯枝落叶层的存在，径流在其中的流动速度因受阻而减缓。
另外，枯枝落叶层自身抵抗水流冲刷的能力，以及通过影响林地土壤结构和植物根系含量，均能增强土壤的抗冲效应。在坡度为25°，冲刷流量达到常见暴雨雨强，对覆盖有不同枯落物厚度的林地土壤进行抗冲刷试验的结果表明，覆盖有1cm厚枯落物时，可减少土壤冲刷量47.1％—89.8％，覆盖2cm时即可基本或完全防止冲刷发生。由于径流不能在短时间内过量集中，因而能减免土壤侵蚀、 洪灾和地质灾害的发生。
④抑制土壤蒸发
林下土壤表面覆盖枯落物后，阻碍了土壤表面蒸发水分，土壤蒸发量减少。
综上，枯枝落叶层是森林保持水土、 涵养水源的核心层次，保持枯枝落叶层不被破坏，对防止水土流失具有决定性的意义。
03根系土壤层
①固土护坡
植物根系对土壤抗冲性能具有明显的增强作用，且随根密度的增加而增强，但根的密度达到60—80个以后，强化作用趋于最大。乔木树种树体坚挺，根系深广，有很强的固土和阻挡作用。
②涵蓄降水
在土层厚度一定时，林地的水源涵养性能主要取决于土壤的孔隙特性，孔隙度尤其是非毛管孔隙大的土壤，入渗性能强，从而减小地表径流。
由于森林的枯枝落叶层对土壤的改良和林木根系对土壤结构的改良(穿插切割、细根死亡、根系分泌物)等，林地表层和深层土壤的孔隙度，特别是非毛管孔隙度均较高，因此具有很强的蓄水保水能力。
土壤层含蓄的这部分水，在较长时间内能作为渗流补给河流、水库，增加河流枯水期流量。因此说植被有“削峰补枯”的效益。
【参考文献】
[1]李传文.森林保持水土涵养水源的效应及评价[J].山西水土保持科技,2006(02):1-3.
[2]张萍,曾信波.植被蓄水保土功能研究[J].山地农业生物学报,1999(05):300-304.
【地理试题中的森林】
（2018年新课标全国卷Ⅱ）地处黄土高原的汾川河流域多年来植被覆盖率大幅度提高。2013年7月，汾川河流域降水异常增多，表1为当月6次降水过程的时长、降水量和汾川河洪峰情况。第5次降水形成的洪水含沙量低，第6次降水形成的洪水含沙量极高。据此完成1—3题。表1
降水序号
降水历时（天）
降水量/mm
汾川河洪峰情况
1
2
53．0
无明显洪峰
2
4
80．3
无明显洪峰
3
5
100．1
无明显洪峰
4
2
73．2
无明显洪峰
5
2
90．7
洪峰流量346m3/s
6
2
54．4
洪峰流量1750m3/s
1.汾川河流域植被覆盖率大幅度提高能够
A.减小降水变率 B．减少河水含沙量
C.增加降水量 D．加大河流径流量
2.第5次降水产生洪峰的原因是此次降水
①历时长 ②强度大 ③下渗少 ④植被截流少
A．①② B．②③ C．③④ D．①④
3.第6次降水产生的洪水含沙量极高，其泥沙主要源于
A．河床 B．沟谷
C．裸露坡面 D．植被覆盖坡面
【答案】1.B 2.B 3.D
【解析】
1.我国降水变率的大小与植被覆盖率无关，A项错误；植被覆盖率高，保持水土能力强，可以减少河水含沙量，B项正确；植被覆盖率提高能够提高区域降水量，但提高幅度不大，C项错误；植被覆盖率高，涵养水源能力高，河流径流量会有所减小，D项错误。
2.第5次只有两天，历时不长，①错；第5次降水，时间较短，但降水量在几次降水中接近降水最多的第3次，降水强度大，②对；前面连续的几次降水，导致地下水含量增加，达到饱和，大量降水以地表径流形势汇入河流，形成洪峰，③对；植被对径流汇聚的作用每次降水都相同，④错。B项正确，A、C、D项错误。
3.河流形成洪峰冲刷河床和沟谷的泥沙，能够提高河流含沙量。第5次降水形成洪峰，但含沙量小，说明河床和沟谷的含沙量较小，A、B项错误。裸露坡面植被覆盖率低，每次降水都会出现水土流失，导致河流含沙量增大，前5次降水河流含沙量都比较小，说明该流域裸露坡面少，C项错误；经过连续的多次降水，形成的坡面径流将植被覆盖坡面植株之间的堆积物冲走，导致土壤裸露，第6次降水形成的坡面径流冲刷这些土壤，引起水土流失，增加河流的含沙量，故D选项正确。
蓄水能力是评价土壤水源涵养、调节水循环能力的主要指标之一。林地土壤蓄洪作用主要反映在毛管孔隙水的贮存能力上。土壤持水量饱和后会产生地表和地下径流。表1为四川盆地东部海拔350米～951米某山不同林地土壤孔隙度和持水性资料。据此完成4—6题。
林地类型
孔隙度(%)
有机质含量（%)
饱和持水量（吨公顷）
总孔隙
非毛管孔
毛管孔
针阔混交林
59
17
45
4.62
503
常绿阔叶林
63
16
47
3.18
648
楠竹林
52
12
40
2.08
312
灌木林
73
17
56
7.79
1833
4.最不适合该山地作为水土保持林的林地类型是
A.针阔混交林 B.楠竹林 C.常绿阔叶林 D.灌木林
5.不考虑其他因素，在相同降水条件和相同前期土壤湿度条件下，产生径流时间最长的是
A.针阔混交林 B.楠竹林 C.常绿阔叶林 D.灌木林
6.当地灌木林有机质含量高，与其关联度最小的是
A.植物种类多 B.枯枝落叶多
C.地表径流大 D.年均温较高
答案：4.B 5.D 6.C
解析：
4.从材料可知：林地土壤蓄洪作用主要反映在毛管孔隙水的贮存能力上，表中数据显示楠竹林毛管孔隙水数字40最小，因此楠竹林的蓄洪能力最差；
5.材料可知：土壤持水量饱和后会产生地表和地下径流，表中数据显示灌木林的饱和持水量1833吨公顷最大，所以从降水到产生地表径流间隔的时间最长；
6.从材料给的信息我们得知该地位于四川低海拔山区，因此灌木林的植物的种类和枯枝落叶数量多，年平均气温高不利于有机质的积累，加上灌木林的蓄洪能力强且饱和持水量大所以地表径流小。
下图表示黄土高原地区降水、植被与侵蚀之间的关系。完成7—8题。
7.降雨侵蚀力急剧增大，而森林的水土保持作用仍较小的年降水量范围是
A．300mm—450mm B．300mm—530mm
C．450mm—530mm D．≥450mm
8.关于该地区降水、植被与侵蚀之间关系的叙述，正确的是
A．降雨侵蚀力随着森林的覆盖率提高而变强
B．年降雨量超过 450mm 后，森林对水土保持作用明显增加
C．森林的覆盖率决定降雨侵蚀力的大小
D．当年降雨量超过 300mm 后树木才迅速生长
【答案】7.A 8.B
【解析】
7.读图，根据图中曲线判断，在降水量300mm以下时，降雨侵蚀力和森林覆盖率关系稳定。降雨量大于450mm时，二者关系也稳定。在降水量300mm—450mm之间时，降雨侵蚀力迅速增加，森林覆盖率稳定，森林的水土保持作用仍较小，A对。故本题选择A。
8.降雨侵蚀力是伴随森林的覆盖率提高而减弱，A错。年降水量超过 450mm后，森林对水土保持作用明显增加，B对。森林的覆盖率影响降雨侵蚀力的大小，不是决定，C错。当年降水量超过 450mm后树木才迅速生长，覆盖率迅速提高，D错。故本题选择B。
9.阅读图文资料，完成下列问题。
原产澳大利亚东北部热带雨林中的几种高大桉树，主根深扎地下，能大量吸收地下水。这几种桉树适应性强，生长迅速，3～5年即可成材，统称“速生桉”。我国西南地区某地引种速生桉作为造纸原料。下图中a、b分别示意该地速生桉种植前、后的变化。
(1)读图a，分析当地沼泽获得稳定水源的原因及过程。
(2)读图b，分析种植速生桉后当地其他植被的变化及原因。
(3)简述我国西南地区引种速生桉发展造纸业的理由。
(4)就降水条件简述我国西南地区不适宜大面积种植速生桉的原因。
【参考答案】
(1)原因：山坡上的天然次生林和灌丛能涵养水源。
过程：截留大气降水，减缓地表径流，增加雨水下渗，(在山地形成水分蓄积地带，)(通过地表径流和地下水)为沼泽提供稳定的水源。
(2)植被变化：天然次生林和灌丛退化；沼泽萎缩。
原因：速生桉大量消耗地下水，地下水水位下降。
(3)速生桉适应性强，成材快，是良好的造纸原料。发展造纸业能增加就业，创造产值，带动相关产业发展。
(4)(我国西南地区属亚热带、热带季风气候，)年降水量低于热带雨林区；(有旱、雨季之分，)旱季时间较长，降水较少。
10.阅读材料，完成下列各题。
材料一 东南亚是世界上最大的天然橡胶生产地，云南西双版纳是我国最适宜的橡胶造林区。
材料二 在水汽充足、微风及大气层稳定的情况下，如果接近地面的空气冷却至某程度时，空气中的水汽便会凝结成细微的水滴悬浮于空中，使近地面水平能见度下降，这种天气现象称为雾。云南西双版纳的原始森林砍伐后种橡胶林，导致当地雾日比以往减少很多。
材料三 图1为2010年西双版纳天然橡胶种植面积变化图，图2为原始森林和橡胶林的结构图。
（1）试推测西双版纳的气候特点。
（2）西双版纳原始森林砍伐后种橡胶林，导致雾日比以往减少很多，简析该地雾日减少的原因。
（3）该地原始森林砍伐后种橡胶林，导致土地生产力下降，简析其原因。
（4）说明该地天然橡胶种植面积变化的主要社会经济原因。
【答案】
（1）全年高温；明显地分为旱雨两季，降水丰沛。
（2）原始森林砍伐后种橡胶林，群落结构单一，地表植被覆盖率降低；林间空间增大，风力增强；植物蒸腾作用减弱，水汽变少；地面获得的太阳辐射增加，温度升高，水汽不易凝结。
（3）地表植被覆盖率下降，雨季淋溶作用增强，土壤养分流失较快；枯枝落叶减少，为土壤提供的有机质减少；地面径流增加，水土流失加剧；农业化肥的施用，土壤受到污染。
（4）天然橡胶种植技术水平的提高；天然橡胶的市场需求增加；单位面积产值高，经济效益较高；政策支持。
11.（2017全国II卷）我国南方红壤丘陵地区因受人为干扰，地表植被遭到破坏，土壤侵蚀严重，出现“红色荒漠”（图8）。为治理这一环境问题，20世纪80年代，当地采用人工种植松树和自然恢复等方式造林育林，形成了不同的植被景观。
图8 分析自然恢复的次生林比人工松林防止水土流失效果更好的原因。
答案：
天然次生林与当地的自然环境协调更好，植被种类多（丰富），密度大，覆盖率高，生态结构好，拦截径流和保护土壤的效果好。人工松林的结构单一，比较稀疏，扎入土层较浅，拦截径流和保护土壤的效果较差。
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