冻融作用

地质学术语

冻融作用，在寒冷气候条件下，土壤或岩层中冻结的冰在白天融化，晚上冻结，或者夏季融化，冬季冻结，这种融化、冻结的过程称为冻融作用。

冻融作用简介

它主要见于冰川作用区、高山区和冻土区。冻融作用使岩石遭受破坏，松散沉积物受到挠动与再分选，从而形成各种冻土地貌。随着季节的交替，冻融作用会反复发生。在此过程中，细小土粒和矿物的微裂隙中的水膜的楔开压力也随着发生变化，从而导致细小土粒和矿物的破坏，使粒径变小，这种作用称为冷生水化风化。它不同于通常所说的寒冻风化。后者是由岩石大裂隙和空隙中冰的楔开压力产生的。在非冻土区，石英的最终风化粒径比长石大。但在冻土区，由于冷生水化风化，石英的最终风化粒径(0.05～0.01毫米)比长石的最终风化粒径（0.1～0.05毫米）为小。反复冻融时发生的另一种物理－化学作用，是胶体和粘粒凝聚成微集合体，使土的粒径增大。上述两种不同方向的作用形成一个相同的结果，使遭受反复冻融作用的岩土的粉粒含量大为增加。同时，形成一系列特殊的冷生地貌，即冰缘地貌。冻融作用有冻融风化,冻融扰动和冻融泥流等三种表现形式.

表现形式

冻融风化

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

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

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，这种饱含水的土乘因具有可塑性，在中立作用下发生沿斜坡蠕动的现象。

对土壤的影响

土壤由固相、液相和气相三部分组成，冻融改变了土壤固相物质的构成．非冻结条件下，土壤固相以矿物成分为主，冻结条件下，固相则由矿物和固态冰组成；随着土温的变化，水会发生相态转移．冻融土壤的相变及其伴生现象必然引起土壤理化性质的改变，这主要取决于土壤自身含水量、容重和质地等理化性质对冻融速率、冻融温度、冻融交替次数的响应。

生物过程影响

土壤生物是土壤发生与发展的重要推动力，是土壤生态系统中最为活跃的组成部分，主要包括土壤微生物、土壤动物和土壤低等植物三个部分，其种类丰富、数量巨大，参与土壤有机质的分解与合成，养分的释放与固定等过程，与土壤团聚体的形成密切相关。

对植物的影响作用

在高寒环境下土的冻结和融化作用所塑造出的寒冻土壤、冷生植被群落以及与冻土有关的水热变化过程等及其在该环境下所形成的协同发展着的生态系统，就是高寒生态系统，或称为冻土生态系统。高寒草甸和高寒沼泽草甸生态系统与冻土环境关系密切，冻土的高含冰量和低地温条件为高寒草甸和高寒沼泽草甸提供发展基础，土壤冻融过程也明显受植被覆盖变化的影响．当冻土上限深度增加时，高寒草甸草地的覆盖度和生物生产量均显著减小，并且冻土退化将直接导致高寒草甸与高寒．在冻结过程中，由于水的热容量大于土壤的，高盖度土壤能够抑制土壤温度的降低幅度，因此，高盖度土壤具有较好的绝热功能，更利于冻土的保护。

对土壤微生物的影响

多年冻土中存储了大量的微生物．在全新世沉积物中发现了真核微生物，在上新世和更新世沉积物发现了原核微生物．微生物的多样性随着沉积物年限的增加而降低，因此主要以球菌和棒状杆菌为主。有研究表明，冻融循环能转变微生物的代谢群落，季节冻融作用使休耕期土壤中微生物种群和生命活动过程与生长季不同．Oztas等及Sharma等发现，微生物夏季以细菌为主，冬季却转为真菌为主．极地苔原微生物在多次单日尺度（白天2℃，9h；晚上－4℃，15h，18循环）冻融循环后，微生物的C/N降低．由于微生物群落中细菌比真菌的C/N低，微生物C/N的降低可能表明微生物群落优势种从真菌逐渐转向细菌。

对土壤酶活性的影响

冻融过程对土壤微生物、土壤酶与生物化学的影响主要是在土壤微生物区系、微生物量和活性等方面。冻融会破坏微生物细胞，使其释放碳、氮营养物质，提供给在冰冻过程中幸存的微生物固持、消耗利用，增加土壤微生物的活性．土壤冰晶的存在降低了土壤环境中微生物的死亡率．当土壤中无冰时，土壤温度变化幅度很大，一旦形成冰晶会缓冲温度变化带来的危害，防止新的冰晶的快速生成，保护生存下来的土壤微生物。而且，冻结温度、时间、次数和冻结前的土壤水分均影响冻结期土壤微生物活性及种群结构．较温和的冻融对土壤微生物量碳、氮影响不大，但强烈的冻融循环会影响土壤溶液中氮和有机碳的供应数量、形态和时间。

对土壤呼吸的影响

冻结的土壤在融化阶段会导致碳通量的增加．这可能是由于：1）冬季产生的CO2和CH4部分可能因冻结作用而固定于冻层中，融冻期这部分被释放出来；2）死亡微生物的分解释放，用14C标记微生物量发现65%的CO2来源于死亡微生物的分解，微生物的破裂导致溶解样品糖和氨基酸增加10～40倍，最终会增加存活微生物的活动导致融化后呼吸的增加；3）根的死亡，由于土壤冻结导致根的死亡和接下来的分解可能是影响融化阶段碳通量的一个因素；4）土壤结构的改变，冻融打破了团聚体的结构，使原来没有接触机会的底物暴露进而导致矿化速率增加；5）冻结条件下，扩散率和水平对流比较慢，导致融化后气体大量产生，但是尚缺乏直接的证据证明物理结构变化对碳通量的影响。

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