气候变暖背景下，冰川消融及水岩相互作用通过改变融水径流水化学成分和悬浮物输移，影响下游水生生态系统和元素生物地球化学循环过程。冰川区岩石化学风化过程通过吸收/释放二氧化碳，影响气候变化。然而，目前对于较长时间序列的冰川区化学风化速率变化趋势和影响机制认识仍存在不足。 近日，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈水文研究团队选取冰川径流监测时段较长的天山乌鲁木齐1号冰川为研究区，基于冰川径流水化学数据及历史文献数据总结，发现研究区冰川化学风化速率存在增加趋势。研究发现，随着气候变暖，融水径流中阳离子浓度上升，而SO42-浓度下降。研究时段内（2013，2014和2016年消融期）化学风化速率为12.34~19.04 t/km2/yr，比2006年和2007年高1~1.7倍，且该值高于亚洲部分冰川。结果表明，天山乌鲁木齐1号冰川流域的化学风化速率随着气候变暖而增加，且风化速率比青藏高原及周边的一些冰川区更高。该成果以Sources of hydrochemistry and chemical weathering rate at Urumqi Glacier No.1 catchment in central Asia为题发表在Journal of Hydrology: Regional Studies上，西北研究院博士研究生杨琴为论文第一作者，上官冬辉研究员为通讯作者。该研究成果获得国家自然科学基金项目和甘肃省科技计划项目联合资助。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581824004567图1. 乌鲁木齐1号冰川流量、气温、降水、TDS、EC、pH和主离子的年际及年内变化特征图2. 2013、2014和2016年乌鲁木齐1号冰川流域阳离子剥蚀率（CDR）日、月变化(a)及其与流量(b)、气温(c)和降水(d)的关系

北半球多年冻土面积约占陆地面积的22%；随着气候变化，全球范围内的多年冻土正经历不同程度的退化。位于环北极地区是高纬度多年冻土分布的主要区域，而青藏高原是中低纬度多年冻土分布面积最大的地区，北半球高纬度和高海拔多年冻土区对气候变化异常敏感，其增温速率明显高于其它地区。多年冻土的退化会对地下冰和有机碳的形成、存储环境，对多年冻土区地表的水、土、气、生等要素间的相互作用关系产生影响，进而影响所在区域的生态、水文过程和寒区工程基础设施。然而，以往的研究鲜有定量分析半球尺度多年冻土特征和退化过程区域差异的研究。为了揭示气候变化条件下多年冻土退化的时空特征，研究团队利用覆盖北半球不同时期和不同地区的观测数据，分析了不同多年冻土区冻融循环过程的差异，确定了不同地区和不同多年冻土类型活动层厚度、年平均地温特征和变化的区域差异，讨论了多年冻土退化过程中具有较大差异性的潜在原因。结果表明，环北极多年冻土区20 cm深度的土壤温度远低于青藏高原，环北极多年冻土区的融化期为114天，青藏高原的融化期为167天。多年冻土过渡区和零星多年冻土区活动层厚度最大，高纬度多年冻土区和连续多年冻土区活动层厚度相对较小；活动层厚度普遍呈上升趋势，北半球多年冻土区平均活动层厚度为1.7 m，每年增加趋势为3.6 cm。高海拔多年冻土区和岛状多年冻土区年平均地温最高，而高纬度多年冻土区和连续多年冻土区相对较低；年平均地温升温速率在高纬度地区最高，而在高海拔地区最低，从岛状多年冻土区到连续多年冻土区年平均地温逐渐增加，北半球多年冻土区年平均地温升温速率为0.3℃/10 a。该研究还定量揭示了环北极高纬度地区和青藏高原高海拔地区活动层厚度、年平均地温差异的程度，为深入理解气候变化下多年冻土退化的过程和机制提供了科学依据。该成果以Large variability in permafrost degradation over the Northern Hemisphere为题发表于国际期刊Catena，冰冻圈科学与冻土工程重点实验室胡国杰研究员为论文第一作者。北半球不同站点20cm土壤温度冻融循环过程变化特征（a）平均土壤温度空间特征；（b）冻结融化期变化特征北半球多年冻土区活动层厚度空间分布特征（a），不同多年冻土区变化特征（b）北半球多年冻土区年平均地温空间分布特征（a），不同多年冻土区变化特征（b）

2024年9月20日，甘肃省人民政府公布了《关于2023年度甘肃省科学技术奖励的决定》（甘政发〔2024〕50号），表彰2023年度为全省科学技术进步、经济社会发展作出突出贡献的先进集体和个人。中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室李双洋团队主持完成的项目“黄河上游复杂环境下路隧工程全生命期服役性能调控关键技术”、祁元团队主持完成的项目“国家西部生态安全屏障区生态环境遥感监测及典型示范应用”获甘肃省科技进步一等奖，罗栋梁团队等主持完成的项目“气候暖湿化驱动下江河源区冻土的响应机制及其环境效应”获甘肃省自然科学二等奖。这批获奖成果将进一步激发实验室广大职工的创新动力，推动加快产出关键性、原创性、引领性重大科技成果，为抢占寒旱区生态环境资源工程领域科技制高点再立新功。 ; ;获奖证书

过去数十年来，全球多年冻土均以不同的速率呈现升温趋势。近年来，极端高温和热浪事件的频率和强度不断增加，一些研究已经证实极端事件会通过改变活动层水热状况、削弱斜坡稳定性并引发滑塌等对冻土环境产生显著影响。然而，当前对于短期极端事件对活动层和多年冻土的影响过程和机制仍不清楚。中国科学院西北生态环境资源研究院藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站吴通华研究员团队使用长序列的气象、活动层水热和多年冻土监测数据，发现青藏高原中部多年冻土区在2022年夏季经历了明显的极端热浪影响。研究发现，2022年青藏高原中部多年冻土区夏季平均气温达到6.5°C，是1961-2022年期间的最高纪录，比1961-1990年基准期的气温高出3.2°C。2022年的融化指数（DDT）达到715°C·day，1961-2021年的平均值仅为 450.6°C·day。 2022年夏季，青藏公路沿线6个活动层土壤温度和3个多年冻土钻孔地温均高于历史观测记录。China06、QT01、QT06和QT09四个活动层监测点在2022年的活动层厚度均达到观测时段内的最大值（平均值：207.7cm），比2000-2021年的平均活动层厚度（平均值：175.9cm）高出20%。QTB01、QTB06和QTB09三个多年冻土钻孔监测到的2022年的年平均地面温度（MAGT）也是最高的，比前期数十年的平均值高出10%。极端高温热浪对活动层融化深度的贡献介于6.6%至13.6%，最大贡献率出现在2022年。所得结果有助于更清晰地认识极端事件对活动层和多年冻土的影响过程和机制。该成果以Summer heat wave in 2022 led to rapid warming of permafrost in the central Qinghai-Tibet Plateau为题发表在npj Climate and Atmospheric Science期刊，并获中国科学院“西部之光”重点实验室交叉团队项目、国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等项目的资助。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41612-024-00765-4图1 研究区冻土分布及站点位置图2 2000-2022年研究区6个活动层监测点的活动层厚度的时间变化

土壤冻融过程作为气候变化的敏感指示器，是由于昼夜或季节热量变化在表土及以下一定深度形成的反复冻结和融化的过程，其在高海拔和高纬度冻土区极为常见。过去几十年来，受气候变暖影响，冻融格局已发生剧烈变化，显著影响土壤生态系统结构与功能。然而，以往研究集中于室内模拟实验，但原位观测研究的报道很少。为此，中国科学院西北生态环境资源研究院科研团队以疏勒河源冰冻圈与生态环境综合监测研究站多年冻土区高寒草甸生态系统长期定位综合观测场为研究对象，并结合自主研发的冻融强度新算法和“一种气筒式土壤剖面气体采集器”装置开展研究。研究发现，活动层微生物群落稳定性在冻融阶段（包括融化过程期和冻结过程期）相较于非冻融阶段（含完全融化期和完全冻结期）更高，表现出更低的网络复杂性和更高的鲁棒性（图1）以及更多的核心类群。此外，微生物多样性与土壤多功能性的关系仅在冻融阶段呈现显著正相关（图2），且这种关系主要受微生物稳定性所驱动（图3）。值得关注的是，尽管冻融强度增大会显著加剧温室效应，但因微生物多样性-土壤多功能性关系的加强而被缓解（图3）。该研究揭示了季节冻融过程下微生物介导的土壤多功能性变化机制，为多年冻土温室气体排放的微生物调控提供了新见解，也为未来变暖情景下冻融格局变化所带来的生态后果预测打下了基础。研究成果于2024年10月10日以Freeze-thaw strength increases microbial stability to enhance diversity-soil multifunctionality relationship为题在线发表于Nature旗下期刊Communications Earth & Environment。兰州大学、西北农林科技大学、云南大学和青岛华大基因研究院共同参与了该项工作。该研究得到国家重点研发计划项目、中国科学院“西部之光”交叉团队项目和国家自然科学基金项目等联合资助。文章链接：https://www.nature.com/articles/s43247-024-01765-1图1 微生物群落共现网络及稳定性图2 微生物多样性与土壤多功能性的关系图3 微生物稳定性、多样性-土壤多功能性关系及温室效应之间的关联

冰是水的常见形态，由水分子规则排列形成，其结构与核化生长特性在材料科学、大气科学、生物科学、低温制冷、食品工程、土木工程等众多领域至关重要。经过近一百年的研究和探索，迄今已经发现了冰的18种晶相（三维冰相），其中自然界最常见的冰相为六角结构冰。自20世纪80年代，各种新冰相预测引起了研究者的普遍关注。预测新冰相需要模拟极端条件，即超高压、高温、高外电场、强负压或纳米尺度约束。在过去的二十年中，通过实验室计算证实了大量低维冰相的存在，促进了低维冰相预测的发展。纳米尺度约束被视为一个可调变量，可以影响水分子在冻结相变过程中氢键网状结构的形成。2020年，我国科研人员首次证实了冰在二维极限下可以稳定存在。尽管二维冰的形成需要纳米尺度限制，但在非受限条件下二维双层冰与三维冰共存的物理机制仍未被充分揭示。中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室，联合重庆交通大学未来土木科技研究院、澳大利亚悉尼科技大学、西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室等多家单位科研人员对二维双层冰与三维冰共存的现象进行了探索研究。研究人员探索了通过调整固-液界面的相互作用控制低维冰与高维冰形成的可能性，确定了一个关键的表面能参数，当该参数超过临界值时，二维冰与三维冰可以在表面共存。研究人员通过捕捉亚稳态边缘结构冰晶的生长与融合过程，揭示了二维冰的生长机制，并预测了温度、压力与能量参数之间的相图，以区分液态水、二维冰和三维冰。此外，研究表明，共存冰的除冰特性表明，冰的粘附强度与冰-表面相互作用与温度的比值呈线性关系。对于气-固相转变，预测了温度与能量参数的相图，以区分气相水、液态水、二维冰和三维冰。本研究从分子层面揭示了二维冰与三维冰在非受限条件下共存的形成机理和除冰特性，为理解纳米尺度下冰晶的独特结构和动态演化提供了全新视角，并有望推动未来实现低维冰与高维冰稳定共存的实验研究。研究成果以 Two-dimensional bilayer ice in coexistence with three-dimensional ice without confinement 为题，于2024年7月9日发表于国际期刊《自然-通讯》（Nature Communications） 。西北研究院博士后蒋静为论文第一作者，西北研究院/重庆交通大学赖远明院士为通讯作者，悉尼科技大学盛岱超院士、西安交通大学唐桂华教授、西北研究院张明义研究员、大连海事大学牛东副教授、西北研究院余帆研究员为共同作者。该研究获国家自然科学基金项目与中国科学院前沿科学重点研究项目共同资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50187-2二维冰与三维冰共存生长特性

多年冻土区储存了地球陆地生态系统中约一半的碳。青藏高原是全球中低纬地区面积最大、范围最广的多年冻土区，占中国冻土面积的70%，在水源涵养、土壤保持、碳固定和生物多样性保护等方面发挥着重要作用，是我国乃至亚洲重要的生态安全屏障区和全球生物多样性保护的关键区域。现有研究表明，在青藏高原多年冻土区，当外界水热条件发生改变时，植物群落会迅速通过调节物种结构，如多样性、丰度，以及个体器官如花朵数量、叶片大小、根的深度等，来适应外界环境的变化，相关过程必然会导致整个群落地上生物量和地下生物量之比（η）的显著变化，进而对整个生态系统的碳、氮循环和平衡产生重大影响。然而，我们目前对于η的变化幅度以及控制因素知之甚少。中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室科研团队，联合丹麦哥本哈根大学、法国原子能与替代能源委员会气候与环境科学实验室、瑞士苏黎世联邦理工大学和美国劳伦斯伯克利国家实验室等多家单位对过去30年青藏高原多年冻土区三种典型高寒生态系统中3013个样地和26337个植物个体水平的η值应用广义加性混合模型（GAMMs）进行了时空变化分析。结果表明，在较湿润高寒湿地中，植物更倾向于将生物量分配到地上部分，η增加了17%，而在土壤水分较低的高寒草甸和干旱的高寒草原中，植物更愿意将生物量分配到地下，η分别降低了26%和48%。进一步的收敛交叉映射和多元回归分析表明，上述变化趋势主要是由气候变暖引起的植物生长偏好所驱动的，而不是由植物群落种类组成的变化引起的，特别是在干旱条件下，这种气候变暖对植物生物量的分配控制能力随着气候变暖增温速率的增加而变得更强。然而，目前在冻土生态系统中应用的主流模型（TEM, LPJ─GUESS, Coup Model和ORCHIDEE）对于上述变化信息无法进行有效的捕捉，这对于全球多年冻土区冻土生态系统碳储量估算以及未来碳轨迹的变化预测都带来很大的不确定性和挑战。上述研究成果以Changes in above- versus belowground biomass distribution in permafrost regions in response to climate warming为题，在线发表于2024年6月10日的美国科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , PNAS），西北研究院贠汉伯博士为论文第一作者，Constantin M. Zohner教授（瑞士联邦理工学院），吴青柏研究员，Bo Elberling教授（丹麦哥本哈根大学） 并列为论文通讯作者。该研究得到冻土工程国家重点实验室自主项目、中国国家自然基金重点基金、丹麦国家研究基金和丹麦-欧盟Villum青年基金等项目资助。 论文链接：http://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2314036121

黑碳气溶胶是化石燃料和生物质不完全燃烧的产物，具有强烈的吸光性，是仅次于二氧化碳的大气升温气候强迫因子。黑碳沉降到雪冰表面会导致反照率降低，从而加速冰川和积雪的消融，进而改变区域的水文过程以及水资源变化。青藏高原是我国冰冻圈最为发育的区域，在全球变暖背景下，青藏高原多数区域的冰川处于加速萎缩中，其中，黑碳等吸光性杂质的影响不可忽视。青藏高原毗邻的南亚和东南亚是目前全球黑碳高排放区之一，模式与地球化学证据均显示，该区域排放的黑碳气溶胶能够跨越喜马拉雅山脉输送到青藏高原内陆地区，其对青藏高原黑碳气溶胶的贡献达到60%以上，并主要影响高原的南部和中部地区。然而，现有研究对青藏高原冰川区黑碳气溶胶的在线监测相对不足，且与模式模拟的结合研究亟待加强。中国科学院西北生态环境资源研究院科研团队对梅里雪山明永冰川区的黑碳气溶胶进行了强化监测，并结合区域气候化学耦合模式WRF-Chem对黑碳气溶胶的来源和气候效应进行了量化分析。研究发现，明永冰川区黑碳气溶胶的年均浓度远高于青藏高原内陆（415 ± 372 ng m-3），且呈现明显的季节变化特征，在四月份达到最高值（月均：930 ± 484 ng m-3）。黑碳气溶胶呈现双峰值日变化模式，春季变化幅度最为剧烈，说明黑碳气溶胶来源、传输及边界层厚度受气候条件的影响较大。在370 nm时，颗粒物的总吸光系数（babs）最高，但多数babs值小于20 Mm-1，其中，棕碳（BrC）对babs的贡献显著，年均为25.2% ± 12.8%。南亚和东南亚是研究区黑碳气溶胶的主要贡献源区（年均：51.1%），在春季贡献最高（65.6%），夏季贡献为20.2%，表明其他区域的贡献也不容忽视。南亚和东南亚排放的黑碳在研究区大气层中产生正的辐射强迫（RF）。而在近地面，RF表现出显著的季节性变化，较大的RF值出现在冬季和夏季。本研究加深了对青藏高原典型冰川区黑碳气溶胶含量、变化、来源和影响等的认识，为进一步探讨黑碳等吸光性杂质的气候效应及国际间的黑碳减排合作提供有益参考。该成果以South and Southeast Asia controls black carbon characteristics of Meili Snow Mountains in southeast Tibetan Plateau为题发表于Science of the Total Environment.西北研究院陈鹏飞副研究员为论文第一作者，康世昌研究员为论文通讯作者。该研究获第二次青藏高原综合科学考察研究项目和冰冻圈科学国家重点实验室自主课题等联合资助。

多年冻土区和季冻区边坡、路堤、地基等服役工况处于复杂三维应力状态下，研究三维应力状态冻土体在地震和车辆等动力荷载下的稳定性对寒区工程设施的运营维护和灾害防治具有重大实际意义。冻土的各向异性动力学特征受原生组构各向异性和次生三维应力路径、状态共同影响，在循环荷载下冻土的变形行为和疲劳破坏特性对其所处的三维应力环境具有强烈的依赖性。而传统的冻土力学研究设备无法模拟复杂三维应力环境，使得处于复杂三维应力状态下冻土动力稳定性研究停滞不前。 基于上述科学问题，中国科学院西北生态环境资源研究院科研团队采用冻土空心圆柱设备模拟主应力偏转角、中主应力系数和大主应力幅值恒定的循环应力状态（图1），系统研究了-6 条件下三维应力参数（主应力偏转角和中主应力系数）对冻结青藏粉质粘土变形行为（图2）、应力应变特征（图3）、损伤演化发展规律及疲劳破坏特性的影响。研究结果表明，三维应力参数对冻土的变形行为具有极为显著地影响，并对冻土的疲劳破坏进程具有明显的加速作用（图4）。传统的冻土动力学研究方法所获取的测试结果往往会高估复杂三维应力状态下的冻土抵抗变形和疲劳破坏的能力。该研究成果有助于提升对高路堤边坡下的冻土地基、冻土基坑、边坡，以及在地下工程施工中遇到的人工冻结体等处于复杂三维应力状态下的冻土在地震及车辆等荷载扰动下稳定性的认识。 该成果以The damage and fatigue behaviors of frozen soil under combined cyclic compression (tensile)-shear conditions为题发表在期刊International Journal of Fatigue上。西北研究院刘富荣助理研究员为论文第一作者，周志伟研究员为论文通讯作者，马巍研究员等为论文共同作者。该研究获国家自然科学地区联合基金、国家自然科学青年基金，中国科学院西部之光等项目共同资助。

2022 年全球经历了前所未有的酷暑，这场“影响范围广、持续时间长、极端性强”的高温热浪事件引发了广泛关注。高温热浪事件对全球冰川消融产生了巨大影响。乌鲁木齐河源 1 号冰川（以下简称“乌源 1 号冰川”）是中国观测时间最长、观测最为连续的冰川。尤其在新冠疫情期间的持续观测实验室所属的新疆天山冰川国家野外科学观测研究站记录了这次高温事件对中国冰川物质损失，揭示了高温热浪事件对山地冰川消融产生重要影响的机理。研究发现，2022 年乌源 1 号冰川的年物质平衡为-1251mm，略高于 2010 年的历史最低值，但其夏季物质平衡达到了观测记录以来的最低值，为-1503 mm，表明2022年夏季是乌源1号冰川有记录以来物质亏损量最大的一年。研究表明，乌源 1 号冰川附近的大西沟气象站观测到的 2022 年夏季气温为 6.4 C，是有观测记录以来（1958-2022 年）的最高值，其产生的高温热浪造成了乌源 1 号冰川强烈的物质损失。该成果发表在国际冰川学主流期刊 Journal of Glaciology 上。实验室徐春海博士为论文第一作者，王飞腾研究员为通讯作者。该研究获第三次新疆综合科学考察项目、国家自然科学基金项目和冰冻圈科学国家重点实验室项目等共同资助。

土地利用/覆被（Land use / land cover, LULC）是生态环境的主要塑造者，利用遥感技术对 LULC 进行动态监测，定量提取 LULC 变化信息，是应对全球气候变化、维护地球系统能量平衡的重要研究内容。实验室科研团队开展像元内在关系的研究，发现利用像元间的关联信息建立不同的组合体可以消除集成分类过程中对于多模型的依赖。科研人员提出了一种无需多模型的集成分类方法—“双子”集成分类框架（Doublet-Based Ensemble Classification Framework，DBECF）。该方法能够有效提升不同类型遥感影像的分类精度，与现有的基于单像素的集成分类模式相比，在精度和效率方面均有明显的优势。另外，DBECF 克服了当前集成分类模式耗时的缺点，为深度学习和集成学习的结合提供了一个崭新视角，对于提取高质量 LULC 用以支持大范围长时序的地学研究有着重要的理论参考和实用价值。该成果以 Remote sensing image classification using an ensemble framework without multiple classifiers 为题发表在 ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 上，实验室窦鹏为第一作者，黄春林研究员为通讯作者。该研究获国家自然科学基金重点项目，国家自然科学青年基金项目和甘肃省自然科学基金面上项目共同支持。