地球科学进展

地球科学进展 ›› 2025, Vol. 40 ›› Issue (8): 767 -777. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2025.058

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气候变化下冰椎演化及其水文生态与灾害效应
罗栋梁1(), 刘佳1,2, 李晓英1, 杜柯飞1,3, 金会军4, 陈方方1,2, OLGA Makarieva5, 王青志6   
  1. 1. 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
    2. 中国科学院大学，北京 100049
    3. 兰州交通大学 测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730070
    4. 东北林业大学 生态学院，黑龙江 哈尔滨 150040
    5. Melnikov Permafrost Institute，Yakutsk 677010，Russia
    6. 青海大学 土木水利学院土木工程系，青海 西宁 810016
  • 收稿日期:2025-02-07 修回日期:2025-07-15 出版日期:2025-08-10

Evolution of Icings Under Climate Change: Hydro-ecological Effects and Associated Geohazards

Dongliang LUO1(), Jia LIU1,2, Xiaoying LI1, Kefei DU1,3, Huijun JIN4, Fangfang CHEN1,2, Makarieva OLGA5, Qingzhi WANG6   

  1. 1. State Key Laboratory of Cryospheric Science and Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
    2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    3. School of Surveying and Geo-informatics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China
    4. School of Ecology, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
    5. Melnikov Permafrost Institute, Yakutsk 677010, Russia
    6. Department of Civil Engineering, School of Civil Engineering and Water Resources, Qinghai University, Xining 810016, China
  • Received:2025-02-07 Revised:2025-07-15 Online:2025-08-10 Published:2025-07-29
  • Supported by:
    Western Young Scholars Project of the Chinese Academy of Sciences
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冰椎不仅是高寒冻土区特有的一种水文地貌景观，通过在冬季冻结并储存大量基流而形成固体水库，还为冷生鱼类等提供越冬地，其形成与演化也会对冻土区的道路、桥梁、隧道和涵洞等构筑物的安全运营产生影响。实地勘查与遥感观测均揭示，冰椎在全球变暖背景下正经历以面积萎缩、融化提前和多年生冰体破碎化等为表征的退化，但关于其形成与演化机制及其对高寒冻土区生态水文过程的影响尚不明晰。通过整合相关文献，系统回顾了冰椎的分布与影响因素、从野外勘查到遥感技术与地球物理探测相结合的研究方法的演进及其水文、生态与灾害效应，并对未来研究方向进行了展望。当前河冰椎研究的重点正从北极亚北极宽阔河道向地形复杂的高亚洲等研究薄弱区拓展，未来应融合多源数据与人工智能技术，加强对其从平面分布到三维冰体特征的定量反演与动态预测，通过深化认识其形成与演化机制，发展适用于寒区水资源管理和灾害防治的预测模型，量化冰椎退化对冻土地貌和水文生态系统的影响，以促进高寒冻土区可持续发展。

关键词: 冰椎, 气候变化, 空间分布, 遥感监测, 地质灾害, 地下水

Aufeis (icings) are unique cryohydrological features in frozen ground regions, acting as critical solid-water reservoirs by freezing and storing a substantial portion (up to 40%) of the winter baseflow in some basins. Ecologically, they also serve as keystone habitats that provide crucial unfrozen overwintering refugia for cryophilic fish and other aquatic organisms. Concurrently, their formation and evolution pose significant geohazards to engineering infrastructure such as roads, bridges, tunnels, and culverts. In the context of global warming, a synthesis of both long-term in-situ and remote sensing observations confirms that icings are undergoing significant degradation, characterized by shrinking areas, accelerated melt rates, and fragmentation of perennial ice bodies. However, the mechanisms governing their formation and evolution, as well as their broader impacts on eco-hydrological processes and sustainable development in these regions, remain inadequately understood. This study comprehensively reviews the current understanding of icing formation, distribution, and controlling factors (e.g., geology, climate, and permafrost). It traces the evolution of research methodologies, from foundational field surveys and historical mapping to modern approaches combining satellite remote sensing (e.g., NDSI and machine learning) and geophysical techniques (e.g., GPR, ERT, and NMR). This review also highlights the eco-hydrological and hazard-related impacts of changes in ice-riving. We further discuss future research directions, noting a shift in focus, from the broad river systems of the Arctic and subarctic regions to understudied areas such as High Mountain Asia. Future research priorities are identified, calling for a paradigm shift from two-dimensional spatial monitoring towards integrated, three-dimensional quantitative analysis and prediction. Key frontiers include: ① elucidating the fundamental physical mechanisms of icing formation through coupled modeling; ② leveraging artificial intelligence to combine multi-source data (e.g., satellite, UAV, geophysical) for accurate estimation of icing volume; ③ quantifying the cascading impacts of icing degradation on geomorphology and ecosystems; and ④ developing robust predictive models for water resource management and geohazard mitigation related to icing evolution. Such advancements are crucial for providing the robust scientific basis needed for sustainable development in Earth’s rapidly changing cold regions.

Key words: Aufeis (icing), Climate change, Spatial pattern, Remote sensing, Geohazards, Groundwater.

中图分类号: 

图1 冰椎和冻土研究关键词共现网络 该网络基于Web of Science数据库检索的91篇文献，以多年冻土（permafrost）为主题（包括诸如冰椎和地下水等关键词），利用bibliometrix软件包（R v4.3.2）分析了冰椎关键词的关联。
Fig. 1 Keyword co-occurrence network of aufeis （icing） and permafrost research This network is generated from 91 publications retrieved from the Web of Science database， using bibliometrix （R v4.3.2） to analyze keyword co-occurrences. The analysis specifically highlights themes related to permafrost， including keywords such as aufeis （icing） and groundwater.
表1 河冰椎与河冰异同点对比
Table 1 Comparison of river icings and river ice
特征 河冰 河冰椎
物源 自然界原位冻结的水体 地下水、泉水或河（湖）水
形成机制 水体直接冷却至冰点以下结晶 水体受压涌出到冻结地表或冰面后逐层冻结
形态特征 随水流条件变化，形态多样，如薄冰、冰花、盘冰、底冰（或锚冰）和岸冰等 通常为巨大、隆起、分层的冰丘或冰坝，可呈锥状、层状和幔状
规模 从薄层冰面延伸覆盖至整个河面 可覆盖数平方公里，厚度可达数米至十几米
分布位置 广泛分布于河流任何水体（水面、水体内部）或岸区（河岸、岸边） 常见于地下水或泉水露口，河流浅滩、分叉口或冰塞易发区，有时延伸至河岸泛滥平原
水文影响 影响水流速度、水位，形成冰塞或冰坝，改变水流路径 形成时阻塞水流，融化时为河流提供重要的淡水补给，影响地下水—地表水交互
存在周期 随冻结期到来自然形成，春季融化 贯穿整个冬季甚至更长，可延续至夏末，融化较慢
图2 黄河源区河冰椎及其影响（照片由罗栋梁摄于2024年5月14日和16日） （a）沿214国道滨河湿地冻融侵蚀加剧；（b）冰椎导致扎陵湖南汤岔玛附近小桥受损。
Fig. 2 Impacts of river icings in the headwater area of the Yellow River （photos were taken by Luo Dongliang on May 14 and 16， 2024， respectively） （a） Exacerbated freeze-thaw erosion of riparian wetlands along National Highway G214； （b） Damage to a small bridge near Tangchama， south of the Gyaring Lake.
图3 利用Landsat-8 OLI遥感影像提取的2013—2017年河冰椎空间分布 （a）基于RDRI指数（红波和近红外波段反射率之差除以近红外和短波红外波段反射率之和）［44］提取的青藏高原东北部2~4月河冰椎分布；（b）基于NDSI指数（绿波和短波红外波段反射率之差除以绿波和短波红外波段反射率之和）提取的西伯利亚因迪吉尔卡河流域5~6月河冰椎分布。
Fig. 3 Spatial distribution of river icings in 2013-2017， extracted from Landsat-8 OLI images （a） River icings distributed in the northeastern Qinghai-Xizang Plateau from February to April， extracted using the RDRI index （difference between red and near-infrared band reflectance divided by the sum of near-infrared and shortwave-infrared band reflectance）［44］； （b） River icings distributed in Indigirka River northeast Siberia， from May to June， extracted using the NDSI index （difference between green and near-infrared band reflectance divided by the sum of green and shortwave-infrared band reflectance）.
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