地球科学进展

地球科学进展 ›› 2025, Vol. 40 ›› Issue (1): 82 -98. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2025.007

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多年冻土区热喀斯特湖水—热—碳循环过程研究进展
陈梦佳1,2(), 白炜1,3, 张成铭2,4, 刘文艳2,4, 高泽永2()   
  1. 1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070
    2.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全国重点实验室，甘肃 兰州 730000
    3.寒旱地区水资源综合利用教育部 工程研究中心，甘肃 兰州 730070
    4.中国科学院大学，北京 100049
  • 收稿日期:2024-11-14 修回日期:2024-12-30 出版日期:2025-01-10
  • 通讯作者: 高泽永 E-mail:12231135@stu.lzjtu.edu.cn;gaozy@lzb.ac.cn
  • 基金资助:
    甘肃省杰出青年基金项目(25JRRA489);甘肃省教育厅高校科研创新平台重大培育项目(2024CXPT-14)

Advances in the Study of Water, Heat, and Carbon Cycling Dynamics in Thermokarst Lakes of Permafrost

Mengjia CHEN1,2(), Wei BAI1,3, Chengming ZHANG2,4, Wenyan LIU2,4, Zeyong GAO2()   

  1. 1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China
    2.State Key Laboratory of Cryospheric Science and Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
    3.Ministry of Education Engineering Research Center of Water Resource Comprehensive Utilization in Cold and Arid Regions, Lanzhou 730070, China
    4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2024-11-14 Revised:2024-12-30 Online:2025-01-10 Published:2025-03-24
  • Contact: Zeyong GAO E-mail:12231135@stu.lzjtu.edu.cn;gaozy@lzb.ac.cn
  • About author:CHEN Mengjia, research area includes cryosphere environment research. E-mail: 12231135@stu.lzjtu.edu.cn
  • Supported by:
    Science Fund for Distinguished Young Scholars of Gansu Province(25JRRA489);Department of Education of Gansu Province: Major Cultivation Project of Scientific Research Innovation Platform in University(2024CXPT-14)
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热喀斯特湖作为多年冻土响应气候变暖最显著的冰冻圈地貌之一，其形成演化过程深刻影响着生态环境变化、区域水文循环及生物地球化学过程，并危害冻土工程稳定性。通过综述北半球多年冻土区热喀斯特湖形成演化、水文循环、热量迁移及生态环境效应和工程影响的研究进展，发现在环北极不连续多年冻土区，多数区域的湖塘面积呈减少趋势；在连续多年冻土区，湖塘面积的增加和减少均有发生，而青藏高原区域气候暖湿化导致热喀斯特湖快速形成和扩张。同时，热喀斯特湖演化耦合水文循环过程及产生的热效应会改变周围土壤理化性质，影响高寒生态系统的水热过程，并降低毗邻冻土工程的稳定性。热喀斯特湖发育加速多年冻土碳库分解，释放CO2、CH4和N2O等温室气体，并反馈于气候变化系统。目前，热喀斯特湖“水—热—碳”循环过程及环境效应是国际冻土研究的热点议题之一。未来需综合考虑人类活动及气候变化的协同作用，并基于热喀斯特湖水—热—碳循环耦合过程，发展高精度陆面过程模型，研究变化环境下多年冻土区生态环境演替、水资源变化及碳循环等问题，推动冰冻圈科学发展。

关键词: 北半球, 热喀斯特湖, 多年冻土, 碳循环, 气候变化

As one of the most significant cryospheric landforms that respond to climate warming in permafrost regions, thermokarst lakes profoundly influence ecological changes, regional hydrological cycles, and biogeochemical processes while compromising the stability of permafrost engineering. This study reviews recent advances in the formation and evolution of thermokarst lakes, their hydrological cycles, heat transfer, ecological and environmental effects, and engineering impacts across northern hemisphere permafrost regions. Research indicates that in the discontinuous permafrost zones of the Arctic, lake and pond areas show a predominantly decreasing trend, whereas, in continuous permafrost zones, both expansion and shrinkage are observed. On the Qinghai-Tibet Plateau, climate warming and increased precipitation have led to the rapid formation and expansion of thermokarst lakes. The evolution of these lakes, coupled with hydrological cycling and thermal effects, alters the physicochemical properties of the surrounding soils, influences hydrothermal dynamics in alpine ecosystems, and reduces the stability of adjacent permafrost engineering structures. Furthermore, the development of thermokarst lakes accelerates the decomposition of permafrost carbon stocks, releasing greenhouse gases such as CO2, CH4, and N2O, which further feedback into the climate system. Currently, coupled water-heat-carbon cycling processes and their environmental implications represent a key research focus in permafrost science. Future studies should comprehensively consider the interactive effects of climate change and human activities and, based on coupled water-heat-carbon cycling processes, develop high-precision land surface process models to investigate ecological succession, water resource dynamics, and carbon cycling in permafrost regions under changing environmental conditions, thereby advancing cryospheric science.

Key words: Northern Hemisphere, Thermokarst lakes, Permafrost, Carbon cycle, Climate change

中图分类号: 

图1 以“热喀斯特湖”为主题的文献发文量年际变化（a）及关键词共现（b）
Fig. 1 Yearly variation in the publication volume on “thermokarst lakes” （a） and keyword co-occurrence analysis （b）
图2 21世纪末青藏高原冻土面积预测［30］
（a）SSP126模式下冻土面积预测图；（b）SSP245模式下冻土面积预测图；（c）SSP370模式下冻土面积预测图；（d）SSP585模式下冻土面积预测图
Fig. 2 Prediction maps of permafrost area on the Qinghai-Tibet Plateau at the end of 21th century［30］
（a） Projection map of permafrost area under the SSP126 scenario； （b） Projection map of permafrost area under the SSP245 scenario； （c） Projection map of permafrost area under the SSP370 scenario； （d） Projection map of permafrost area under the SSP585 scenario
图3 北半球多年冻土区热喀斯特湖分布
（a）北半球热喀斯特湖及多年冻土分布，多年冻土数据引自参考文献［10］，热喀斯特湖数据引自湖泊湿地数据集；（b）西伯利亚雅库茨克地区典型热喀斯特湖；（c）青藏高原热喀斯特湖分布，冻土分布数据引自参考文献［24］，湖泊分布数据引自参考文献［11］；（d）青藏高原北麓河流域典型热喀斯特湖
Fig. 3 Distribution of thermokarst lakes in permafrost regions of the Northern Hemisphere
（a） Distribution of thermokarst lakes and permafrost in the northern hemisphere， the permafrost data are from reference ［10］， and the thermokarst lake data are from global lakes and wetlands database； （b） Typical thermokarst lakes in the Yakutsk region of Siberia； （c） Distribution of thermokarst lakes on the Qinghai-Tibet Plateau， with permafrost distribution data sourced from reference ［24］， and lake distribution data from reference ［11］； （d） Typical thermokarst lakes in the Beiluhe basin of the Qinghai-Tibet Plateau
图4 热喀斯特湖形成过程示意图［38］
（a）~（d）冰楔融化形成热喀斯特湖；（e）~（h）厚层地下冰融化形成热喀斯特湖。（a）原始多年冻土地貌（冰楔广泛分布）；（b）冰楔开始融化，地面沉陷积水；（c）冰楔持续融化，热喀斯特湖加速发育；（d）冰楔完全融化，热喀斯特湖发育趋于稳定；（e）原始多年冻土地貌（富含地下冰）；（f）多年冻土逐渐融化，地面沉陷积水；（g）融区逐渐扩大，热喀斯特湖加速形成；（h）热喀斯特湖形成趋于稳定
Fig. 4 Schematic diagram of thermokarst lake formation processes［38］
（a）~（d） Thermokarst lakes formed by the melting of ice wedges； （e）~（h） Thermokarst lakes formed by the melting of thick buried ice. （a） Original permafrost landform with widespread ice wedges； （b） Ice wedges begin to melt， causing ground subsidence and water accumulation； （c） Continued melting of ice wedges accelerates the development of thermokarst lakes； （d） Complete melting of ice wedges leads to stable development of thermokarst lakes； （e） Original permafrost landform rich in buried ice； （f） Gradual thawing of permafrost results in ground subsidence and water accumulation； （g） Expansion of the melting zone accelerates the formation of thermokarst lakes； （h） Thermokarst lakes reaches stability
图5 热喀斯特湖热量迁移过程［56］
Fig. 5 Heat transfer processes in thermokarst lakes［56］
图6 热喀斯特湖水文循环过程
（a）夏季热喀斯特湖水文循环；（b）冬季冰盖期热喀斯特湖水文循环
Fig. 6 Hydrological cycle in thermokarst lakes
（a） and （b） represent the hydrological cycle of thermokarst lakes during summer and winter ice cover period， respectively
图7 热喀斯特湖的温室气体排放示意图［109］
Fig. 7 Schematic diagram of greenhouse gas emissions from thermokarst lakes［109］
图8 热喀斯特湖对冻土路基的影响
Fig. 8 Impact of thermokarst lakes on permafrost roadbed
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