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冻融作用对冻土区微生物生理和生态的影响 被引量:41
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作者 杨思忠 金会军 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2008年第10期5065-5074,共10页
不同时空尺度的冻融过程导致冻土温度变化及水的相变和迁移,改变着微生物生境的物理和化学性质。冻融过程可改变细胞内外渗透压平衡,且冰晶生长过程能损伤细胞膜和细胞器。限于营养、氧气等其它极端不利条件,不少细胞逐渐转入休眠状态... 不同时空尺度的冻融过程导致冻土温度变化及水的相变和迁移,改变着微生物生境的物理和化学性质。冻融过程可改变细胞内外渗透压平衡,且冰晶生长过程能损伤细胞膜和细胞器。限于营养、氧气等其它极端不利条件,不少细胞逐渐转入休眠状态以度过难关;微生物DNA、蛋白质的合成和能量代谢仅用于维持细胞生存。冻融作用通过改变细胞代谢模式而影响微生物参与的寒区碳氮元素的生物地球化学循环。多年冻土层保存了不同地质时期微生物种群的多样性,作为物理和生物地球化学屏障,可有效削弱地表过程和地壳本底辐射对微生物的影响。在长期的适应过程中,微生物发展了相应的耐受机制,从结构和功能方面,细胞和分子水平上应对冻土环境和冻融过程。这可为寻找地外寒冷星球上可能的生命形式提供一些线索。 展开更多
关键词 多年冻土 冻结-融化作用 微生物 生物地球化学
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冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究 被引量:36
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作者 路建国 张明义 +1 位作者 张熙胤 晏忠瑞 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第7期1803-1812,共10页
土体冻融过程中的未冻水含量是控制水分迁移及冻胀融沉的关键因素,而冻结温度是判断土体是否处于冻结状态的重要指标。基于频域反射法(FDR),测定不同初始体积含水率条件下青藏高原粉质黏土,冻融过程中的体积未冻水含量及温度变化,分析... 土体冻融过程中的未冻水含量是控制水分迁移及冻胀融沉的关键因素,而冻结温度是判断土体是否处于冻结状态的重要指标。基于频域反射法(FDR),测定不同初始体积含水率条件下青藏高原粉质黏土,冻融过程中的体积未冻水含量及温度变化,分析引起体积未冻水含量及冻结温度产生差异的主要原因。试验结果表明:初始含水率较高的土体,冻结过程中出现了很明显的过冷现象以及温度和体积未冻水含量的突变,而初始含水率较低的土体,这种现象并不明显。初始含水率较大的土体冻结先于初始含水率较小的土体,并且对温度突变的敏感性大于初始含水率较小的土体。对冻融过程体积未冻水含量的滞后分析发现,体积未冻水滞后度?θ和温度滞后度?T均是先增大后减小,体积未冻水滞后度?θ的峰值发生在相变区附近,其峰值随着初始含水率的增大而增大。当初始含水率等于或高于液限含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当初始含水率低于液限含水率时,冻结温度随含水率减小而降低。 展开更多
关键词 土力学 未冻水含量 冻结温度 冻融过程 界面自由能 粉质黏土
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冻融过程中未冻水含量对非饱和粉土抗剪强度的影响 被引量:22
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作者 晏长根 王婷 +5 位作者 贾海梁 徐伟 訾凡 陶悦 威巍 王亚冲 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第6期1252-1260,共9页
对含水率为18.3%的非饱和粉土进行了冻融过程中不同温度下的直剪试验,用核磁共振测定了冻融过程中孔隙水的相变过程,并分析了未冻水、孔隙冰对其力学性质的影响机制。试验结果表明:(1)非饱和粉土冻结可分为过冷段(>-1.15℃)、快速冻... 对含水率为18.3%的非饱和粉土进行了冻融过程中不同温度下的直剪试验,用核磁共振测定了冻融过程中孔隙水的相变过程,并分析了未冻水、孔隙冰对其力学性质的影响机制。试验结果表明:(1)非饱和粉土冻结可分为过冷段(>-1.15℃)、快速冻结阶段(-1.15℃^-2℃)和稳定冻结阶段(<-2℃),快速冻结阶段76%的孔隙水冻结,而稳定冻结阶段未冻水含量只减少7%;(2)冻融过程中黏聚力随温度发生显著变化,内摩擦角变化幅度很小;(3)冻结过程中抗剪强度的变化主要发生在稳定冻结阶段,快速冻结阶段黏聚力仅增大38.5%,内摩擦角基本无变化,而稳定冻结阶段黏聚力增大123.5%,内摩擦角降低12%。得到以下结论:(1)快速冻结阶段黏聚力增大主要是由于孔隙水冻结导致基质吸力增大,毛细黏聚作用增强;稳定冻结阶段黏聚力增大主要是由于冰对土颗粒胶结强度增大;(2)含冰量变化不大时,冻土抗剪强度主要受冰对土颗粒胶结强度的控制,而此胶结强度决定于未冻水膜的厚度;(3)稳定冻结阶段内摩擦角降低主要由孔隙中水冰相变发生体积膨胀时对土颗粒骨架的作用力导致。 展开更多
关键词 土力学 冻融过程 未冻水含量 非饱和粉土 抗剪强度
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The Impact of Soil Freezing/Thawing Processes on Water and Energy Balances 被引量:5
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作者 张霞 孙菽芬 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2011年第1期169-177,共9页
A frozen soil parameterization coupling of thermal and hydrological processes is used to investigate how frozen soil processes affect water and energy balances in seasonal frozen soil. Simulation results of soil liqui... A frozen soil parameterization coupling of thermal and hydrological processes is used to investigate how frozen soil processes affect water and energy balances in seasonal frozen soil. Simulation results of soil liquid water content and temperature using soil model with and without the inclusion of freezing and thawing processes are evaluated against observations at the Rosemount field station. By comparing the simulated water and heat fluxes of the two cases, the role of phase change processes in the water and energy balances is analyzed. Soil freezing induces upward water flow towards the freezing front and increases soil water content in the upper soil layer. In particular, soil ice obviously prevents and delays the infiltration during rain at Rosemount. In addition, soil freezingthawing processes alter the partitioning of surface energy fluxes and lead the soil to release more sensible heat into the atmosphere during freezing periods. 展开更多
关键词 frozen soil water and energy balances freezing/thawing processes surface flux
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Spatiotemporal characteristics of freezing and thawing of the active layer in the source areas of the Yellow River(SAYR) 被引量:6
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作者 Dongliang Luo Huijun Jin +1 位作者 Lanzhi Lü Qingbai Wu 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2014年第24期3034-3045,共12页
Based on the analysis of data on temperatures and moisture of soils in the active layer at four different permafrost sites in the source areas of the Yellow River(SAYR)in 2010–2012,the freeze–thaw processes of soils... Based on the analysis of data on temperatures and moisture of soils in the active layer at four different permafrost sites in the source areas of the Yellow River(SAYR)in 2010–2012,the freeze–thaw processes of soils in the active layer were compared and contrasted for understanding the spatiotemporal variations.At the four studied sites,the thickness and mean annual temperature of permafrost are different.The temperatures at the top of permafrost(TTOP),i.e.,the maximum depth(s)of seasonal frost and/or thaw penetration,are-1.9°C at the Chalaping site(CLP),-0.9°C at the site on the southern bank of the Zhaling Lake(ZLH),-0.4°C at the Maduo Town site(MDX),and 1.1°C at the site on the northern bank of the Eling Lake(ELH).Differences in the mean annual ground temperature of permafrost and TTOPs may be responsible for the differentiations in the freeze–thaw processes of soils in the active layer.With rising TTOPs,the ground thawing started earlier:CLP in early June,ZLH in late May,MDX in early May,and ELH in mid-April,while the freezing began later:CLP in early October,ZLH in early to midOctober,MDX in mid-October,and ELH in the mid-to late October.With increasing TTOPs,the freeze-up periods for permafrost sites were shortened:202 days at CLP,130 days at ZLH,100 days at MDX,and the period of complete thaw was 89 days at ELH.At the CLP and ZLH sites,the two-directional ground freezing(downwards from ground surfaces and upwards from the permafrost table)and thawing finished in the same year,but the ground freezing at the MDX continued to the end of the nextJanuary,with very slow freezing rates in the end.At the ELH site,ground freezing kept on until early May when thawing began on the surface,and upward and downward thawing became increasingly stable in late June to early July.At each site,with rising TTOPs,the downward freezing accelerated in comparison with the upward freezing,and with an increasing proportion of downward frozen depth,and with the larger ratios of freezing to thawing duration.In summary,the p 展开更多
关键词 冷冻速率 黄河源区 解冻期 活性层 时空特性 多年冻土 冻融过程 冻结深度
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冬季升温对高山生态系统碳氮循环过程的影响 被引量:6
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作者 宗宁 石培礼 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第9期3131-3143,共13页
全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于... 全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于休眠状态,这会直接影响土壤中有效氮的吸收与损失,引起土壤有效氮可利用性的变化。然而,关于冬季增温对后续生长季节植物活动、土壤碳氮循环过程的影响等方面的研究仍存在诸多不确定。综述了冬季升温对积雪覆盖与冻融交替循环改变对高山生态系统物质循环的影响,以及冬季升温对土壤碳氮循环、微生物与酶活性的影响,并由此引起的植物物候期、群落结构、生产与养分循环与凋落物分解等生理、生态过程方面的研究进展。在未来的研究中,应针对不同生态系统特点选择合适的冬季增温方式,加强非极地苔原地区关于冬季升温的研究,注重关注冬季升温对植物⁃土壤微生物之间反馈作用的影响,重点关注冬季升温对生态系统的延滞效应。 展开更多
关键词 冬季升温 冻融交替 土壤碳氮循环 植物生理活动 生态过程
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大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析 被引量:3
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作者 冯晓琳 张艳林 常晓丽 《冰川冻土》 CSCD 北大核心 2021年第5期1468-1479,共12页
大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭... 大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭湿地多年冻土活动层的水热特征进行了分析。结果表明:湿地多年冻土活动层内地温的变幅随深度减小,且具有滞后性。融化期地表温度高于深层地温,冻结期相反。2012年、2013年、2019年和2020年的平均融化速率分别为0.49、0.61、0.47和0.56 cm·d^(-1),向上平均冻结速率分别为1.34、2.12、2.58和1.65 cm·d^(-1)。向下平均冻结速率分别为1.69、1.02、3.32和1.00 cm·d^(-1),最大融化深度分别为78.73、85.65、66.22和74.94 cm。2012年5月—2013年5月期间,土壤未冻水含量随地温变化的拟合关系较好,相关系数大于0.90,且深层拟合效果优于表层。融化期土壤水分变化幅度大,与地温的相关性差,随深度增加相关性减弱。湿地充足的水分为多年冻土的双向冻结提供了条件。研究成果可为大兴安岭湿地多年冻土区的冻融循环、水热耦合机理和模拟研究提供数据基础和理论依据。 展开更多
关键词 大兴安岭森林生态站 多年冻土活动层 土壤温度 土壤含水量 冻融过程
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Ground temperature variation and its response to climate change on the northern Tibetan Plateau
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作者 GuoNing Wan MeiXue Yang XueJia Wang 《Research in Cold and Arid Regions》 CSCD 2021年第4期299-313,共15页
Ground temperature plays a significant role in the interaction between the land surface and atmosphere on the Tibetan Plateau(TP).Under the background of temperature warming,the TP has witnessed an accelerated warming... Ground temperature plays a significant role in the interaction between the land surface and atmosphere on the Tibetan Plateau(TP).Under the background of temperature warming,the TP has witnessed an accelerated warming trend in frozen ground temperature,an increasing active layer thickness,and the melting of underground ice.Based on high-resolution ground temperature data observed from 1997 to 2012 on the northern TP,the trend of ground temperature at each observation site and its response to climate change were analyzed.The results showed that while the ground temperature at different soil depths showed a strong warming trend over the observation period,the warming in winter is more significant than that in summer.The warming rate of daily minimum ground temperature was greater than that of daily maximum ground temperature at the TTH and MS3608 sites.During the study period,thawing occurred earlier,whereas freezing happened later,resulting in shortened freezing season and a thinner frozen layer at the BJ site.And a zero-curtain effect develops when the soil begins to thaw or freeze in spring and autumn.From 1997 to 2012,the average summer air temperature and precipitation in summer and winter from six meteorological stations along the Qinghai-Tibet highway also demonstrated an increasing trend,with a more significant temperature increase in winter than in summer.The ground temperature showed an obvious response to air temperature warming,but the trend varied significantly with soil depths due to soil heterogeneity. 展开更多
关键词 ground temperature soil freezing-thawing processes the Tibetan Plateau climate change
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土壤在冻融过程中水-热-盐耦合运移数学模型之初探 被引量:20
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作者 岳汉森 《冰川冻土》 CSCD 北大核心 1994年第4期308-313,共6页
在土壤溶液冻结温度与其含量和溶盐离子组成的关系约束下,土壤中水分、热流和溶盐运移的基本方程、初始条件和边界条件构成了土壤在冻融过程中水-热-盐耦合运移的数学模型。随着专项研究的深入,模型尚需进一步修正与完善。
关键词 冻融过程 耦合运移 数学模型 土壤 水-热-盐
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基于水热变化的青藏高原土壤冻融过程研究进展 被引量:16
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作者 陈瑞 杨梅学 +1 位作者 万国宁 王学佳 《地理科学进展》 CSSCI CSCD 北大核心 2020年第11期1944-1958,共15页
青藏高原近地层土壤冻融过程是高原地表最显著的陆面特征之一,也是判断冻土发育、存在以及反映气候变化的重要指标。近地层土壤昼夜、季节性的冻结、融化会导致青藏高原陆—气间能水平衡的变化甚至异常,从而显著影响高原地表水文过程、... 青藏高原近地层土壤冻融过程是高原地表最显著的陆面特征之一,也是判断冻土发育、存在以及反映气候变化的重要指标。近地层土壤昼夜、季节性的冻结、融化会导致青藏高原陆—气间能水平衡的变化甚至异常,从而显著影响高原地表水文过程、生态环境、碳氮循环以及高原及其周边区域的天气和气候系统。论文从观测、模拟以及对气候的影响3个角度来探讨1990年以来青藏高原土壤冻融过程的最新研究进展。结果表明:①在一个完整的年冻融循环过程中,近地表各层土壤大体都经历了夏季融化期、春秋季融化—冻结期、冬季冻结期4个阶段。受局地因素的影响,不同站点的冻结或消融起止时间、速率、类型均有差异。②多年冻土区和季节冻土区的日冻融循环过程差异较大,主要体现在日冻融循环持续时间上。③不同陆面模式都可以很好地抓住冻融过程中物理量的时空变化,但都需要针对高原陆面过程的特点进行参数化改进。④规避不稳定的迭代计算并根据热力学平衡方程确定冻融临界温度可以改进不合理的冻融参数化方案。基于已有研究回顾,发现增加高质量的观测站,利用卫星遥感等多种手段来反演高原土壤冻融过程以及加强陆面模式与区域气候模式和全球气候模式的耦合,并立足于高原冻融过程的特点发展相适应的参数化方案以及模拟结构的调整,能够有助于高原冻融过程的模拟。 展开更多
关键词 土壤冻融过程 陆面模式 模式适应性 参数化方案改进 青藏高原
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How freezing and thawing processes affect black-soil aggregate stability in northeastern China 被引量:7
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作者 FengWang XiaoZeng Han +1 位作者 LiangHao Li KeQiang Zhang 《Research in Cold and Arid Regions》 2010年第1期67-72,共6页
Laboratory experiments were carried out to investigate the effect of freezing and thawing processes on wet aggregate stability (WAS) of black soil. Wet aggregate stability was determined by different aggregate size ... Laboratory experiments were carried out to investigate the effect of freezing and thawing processes on wet aggregate stability (WAS) of black soil. Wet aggregate stability was determined by different aggregate size groups, different water contents, various freeze-thaw cycles, and various freezing temperatures. The results showed that, when at suitable water content, aggregate stability was enhanced, aggregate sta-bility will be disrupted when moisture content is too high or too low, especially higher water content. Temperature also had a significant ef-fect, but moisture content determined the suitable freezing temperatures for a given soil. Water-stable aggregate (WSA〉0.5), the total aggre-gate content, and mean weight diameter decreasing with the freeze-thaw cycles increase, reached to 5 percent significance level. The reason for crumbing aggregates is the water and air conflict, thus raising the hypothesis that water content affects the aggregate stability in the process of freezing and thawing. 展开更多
关键词 freezing and thawing processes black soil water-stable aggregates mean weight diameter
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青藏高原土壤冻融参数化改进及其在BCC_CSM气候模式中的效果对比 被引量:2
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作者 杨凡 吕世华 +3 位作者 张少波 徐悦 胥朋飞 游辉奇 《高原气象》 CSCD 北大核心 2023年第5期1093-1106,共14页
考虑到冻融过程对于陆气相互作用的重要影响,本文将改进后的冻融参数化方案耦合到BCC_CSM2_MR模式中并进行了为期一年的模拟实验,根据土壤层的年变化将模拟时段划分为开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融四个阶段,分析了土壤温度、... 考虑到冻融过程对于陆气相互作用的重要影响,本文将改进后的冻融参数化方案耦合到BCC_CSM2_MR模式中并进行了为期一年的模拟实验,根据土壤层的年变化将模拟时段划分为开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融四个阶段,分析了土壤温度、土壤温度、高原近地面风场和降水这几个气象要素。结果表明,对于浅层和深层的土壤温度,四个冻融阶段新方案的模拟都有良好的改进效果,尤其是在高原中部模拟更加准确。优化后的冻融参数化方案对土壤湿度的模拟效果改善是十分显著的,在这四个冻融时段,新方案的均方根误差和偏差在青藏高原全域都有明显的降低,主要表现在青藏高原中部地区。青藏高原上整体呈现为西风,冻结过程阶段新方案模拟结果在高原北部以及中部地区风速偏差有所减小,与对比资料更为接近;完全冻结阶段、消融过程阶段以及完全消融阶段新方案在高原北部的风速偏差减小较为明显;在冻融过程的四个阶段的降水模拟,新方案的均方根误差比原方案减小,相关系数都有提升。研究结果显示改进之后的土壤冻融参数化方案相比与原方案BCC_CSM中的模拟效果有提升,对于主要环流系统的模拟有改善。 展开更多
关键词 青藏高原 BCC_CSM模式 土壤冻融过程 土壤温湿度
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