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全球变暖背景下, 世界冰川呈加速消融之势, 严重影响冰雪储量, 对局地环境产生了巨大影响。2018年IPCC公布的《全球升温1.5 ℃特别报告》指出, 全球平均增温速率达(0.2±0.1)℃/(10 a)[1], 当温度升高2 ℃时全球多年冻土面积可能减少40%[2]。2019年IPCC发布的《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》指出, 2006—2015年间全球山地冰川物质平衡达到(-490±100)kg/(m2·a), 且该负平衡较1986—2005年增加了约30%[3]。冰川作为“固体水库”, 是干旱区诸多河流的重要补给来源, 是干旱区生态环境和社会经济可持续发展的基础, 对维持区域生态稳定和调节河流径流具有重要意义[4]。据统计, 新疆高山流域产流占地表径流的80%以上, 其中冰雪融水径流在总径流中的比例达45%以上[5]。第二次中国冰川编目数据显示, 新疆发育有20 695条冰川, 面积约为2.26万km2, 冰储量占全国的47.97%, 境内除克拉玛依市无冰川分布外, 其他13个市(地区、自治州)均有冰川分布[6]。近60年来(1958—2017年), 新疆以明显高于世界和全国的气温增幅变化[7], 近50年(1964—2015年)奎屯河流域冰川冰储量亏损引发的水资源损失量达39.5亿m3[8], 近17年(2000—2016年)玛纳斯河流域冰川累积物质平衡达-9 811.19 mm, 相当于冰川平均减薄11 m[9]。受全球变暖影响, 冰川快速退缩对新疆的绿洲农业和城镇发展将产生深刻影响。因此, 系统全面地总结新疆山地冰川变化与影响研究, 对区域未来的资源配置和可持续发展具有重要的指导意义。
目前国内外山地冰川相关研究已取得丰硕成果, 但针对冰川研究的综述主要集中在监测方法、研究模型、环境效应和生物资源等方面, 且多集中于单条冰川, 针对区域性冰川资源变化与影响研究的系统归纳较少, 而这对于干旱区的水土开发却又意义重大。基于此, 本文从物理变化、化学过程、生物资源、气候响应与生态效应等角度对新疆山地冰川的变化与影响进行系统总结, 以期明晰变化环境下新疆水资源的多相态循环和演变, 为新疆应对气候变化制定生态安全和可持续发展规划及策略提供理论依据。
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新疆是中国陆地面积最大的省级行政区, 阿尔泰山、天山、昆仑山横贯其中, 形成“三山夹两盆”的地貌特征。作为世界上唯一环绕沙漠分布着大量山岳冰川的地区, 新疆冰川数量占全国的42.61%, 面积占全国的43.70%, 冰储量占全国的47.97%, 是其境内主要的淡水补给来源和气候变化指示器[6]。据第二次中国冰川编目数据, 昆仑山系分布有冰川8 922条, 面积达11 524.13 km2, 冰储量占全国的24.62%, 其冰川数目、面积、冰储量均处于各大山系首位；天山山系分布有冰川7 934条, 面积达7 179.77 km2, 冰储量占全国的15.75%；阿尔泰山系分布有冰川273条, 面积达178.79 km2, 冰储量占全国的0.23%；喀喇昆仑山系分布有冰川5 316条, 面积达5 988.67 km2, 冰储量占全国的13.19%。阿尔泰山呈西北—东南走向, 绵延2 000 km, 横跨中国、蒙古、俄罗斯和哈萨克斯坦四国, 其主峰友谊峰与其北侧的奎屯峰构成一个冰川作用中心, 是现代冰川的分布中心[10]。天山是世界上最大的独立纬向山系, 同时也是世界上距离海洋最远的山系和全球干旱地区最大的山系, 全长2 500 km, 呈东西走向, 横跨中国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦四国, 中国境内部分占新疆全区面积的1/3以上[4]。昆仑山西起帕米尔高原东部, 全长约2 500 km, 横跨青海、四川、新疆和西藏四省(自治区), 地势西高东低, 分为西、中、东3段, 是中国西部分布冰川数量最多、面积和储量同样最大的山系[6]。喀喇昆仑山呈西北—东南走向, 其主峰乔戈里峰(8 611 m)是世界第二高峰, 主峰北侧发育有中国最长的冰川——音苏盖提冰川。
图 1 研究区示意
Figure 1. Sketch map of the study area
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面积是冰川变化最直接的反映和最容易观测的参量之一, 冰储量是核算冰川水资源及预测冰川变化的基础数据, 二者的监测对区域水资源、气候变化、生态环境、灾害预警等方面都具有重大意义。新疆目前已建立天山冰川观测试验站、阿尔泰山喀纳斯景区冰川站、博格达峰冰川监测站、友谊峰冰川监测站、中国科学院天山积雪雪崩研究站、阿尔泰山冰冻圈科学与可持续发展综合观测研究站等观测站点, 冰川监测处于稳定阶段。面积监测的手段主要有实地测绘和遥感解译两类, 后者所用的方法主要有阈值法、归一化差值积雪指数、近红外波段水体识别法等[11]。冰储量估算的方法主要有实地测量法、经验公式法和物理分析法。其中实地测量法包括传统实地测量法和探地雷达实测法, 前者在现代冰川储量估算中使用逐渐减少, 后者是当前估算中小型冰川储量的主要手段；经验公式法适合大区域或全球性的冰储量估算；物理分析法适合于特定冰川的储量估算[12]。
受全球变暖影响, 新疆山地冰川存在着不同程度的消退(表 1—表 4)。山系间的冰川变化差异显著, 过去几十年阿尔泰山冰川普遍退缩[10], 天山冰川以小于1 km2和小于5 km2规模的冰川退缩最快[13], 昆仑山区冰川变化具有多元性和复杂性[14], 喀喇昆仑山区冰川则存在正物质平衡或跃动、前进的“异常”状况[15]。相比之下, 三大山系中阿尔泰山冰川消融态势最为剧烈, 面积、储量退缩速率分别达0.75%/a和0.74%/a, 天山冰川其次, 分别为0.36%/a和0.24%/a, 昆仑山冰川消融态势较弱, 冰川面积消融速率为0.34%/a。受区域气候变化与冰川物理特征影响, 山系内的冰川变化差异同样巨大。如天山地区的托木尔峰青冰滩72号冰川消融最为强烈, 博格达峰南坡黑沟8号冰川消融相对强烈, 与乌鲁木齐河源1号冰川相差不大, 但稍大于博格达峰北坡四工河4号冰川和哈密庙尔沟冰川[21-22]。受地理位置和地势条件影响, 天山南坡、北坡和伊犁河谷的冰川分布和变化差异不亚于山系间差异。天山南北坡的冰川面积相近, 南坡为4 272.85 km2, 北坡为4 922.74 km2, 但是冰储量差异较大, 南坡约是北坡的2.6倍, 伊犁河谷的冰川面积是天山南坡的41.09%, 但冰储量却只有天山南坡的19.45%[16]；天山北坡、伊犁河谷、天山南坡雪线的稳定性依次减弱, 加之受季节性积雪影响, 天山北坡和伊犁河谷降雪率较高, 冰川退缩速率较低[17], 而天山南坡尤其是西段冰川消融剧烈, 引发的洪水灾害发生频率较高。总体而言, 受地形、气候、冰川结构等因素影响, 新疆冰川变化区域性差异明显, 但整体上冰川呈加速退缩之势。
表 1 近数十年阿尔泰山冰川变化情况
Table 1. Glacier changes in the Altai Mountains during recent decades
表 2 近数十年天山典型冰川变化情况
Table 2. Changes of typical glaciers in the Tianshan Mountains during recent decades
典型区域 时段 面积 冰储量 数据来源 变化量/km2 变化率/% 年变化量/(%·a-1) 变化量/km3 末端退缩率/(m·a-1) 天山山系 1959—2010年 -1 619.82 -18.4 -32.40 -105 — 文献[13] 乌鲁木齐河源1号冰川 1962—2009年 -0.304 -15.6 -0.006 -0.0262 3.8 文献[21] 博格达峰南坡黑沟8号冰川 1962—2009年 -0.08 -1.3 -0.002 -0.0255 11.0 文献[21] 博格达峰北坡四工河4号冰川 1962—2009年 -0.53 -15.8 -0.01 -0.0140 8.0 文献[22] 托木尔峰青冰滩72号冰川 1964—2009年 -1.53 -14.7 -0.03 -0.0141 41.1 文献[21] 哈密庙尔沟冰川 1972—2005年 -0.36 -9.9 -0.01 — 2.3 文献[21] 奎屯哈希勒根51号冰川 1964—2006年 -0.123 -0.19 -0.003 — 2.0 文献[23] 表 3 近数十年昆仑山典型山系冰川变化情况
Table 3. Glacier changes in typical mountain series of Kunlun Mountains during recent decades
典型山系 时段 面积 冰储量变化/km3 变化特点 数据来源 变化量/km2 变化率/% 年变化率/(%·a-1) 昆仑山山系 1976—2011年 -1 243.60 -12.00 -0.34 — 海拔升到5 500 m左右退缩率减小至0 文献[26] 西昆仑山 1977—2013年 -91.12 -2.95 -0.08 -21~-20 海拔6 000 m以下冰川面积变化较大 文献[24] 东昆仑山 1990—2010年 -264.36 -12.03 -0.60 -34.228 北部退缩幅度明显 文献[25] 西昆仑峰区 1990—2011年 -16.83 -0.65 -0.03 — 退缩趋势不明显, 单条冰川有退有进 文献[26] 表 4 近数十年喀喇昆仑山冰川变化情况
Table 4. Glacier changes in the Karakoram Mountains during recent decades
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实地测量是冰川表面运动速度最常用、最直接、精度最高的方法, 在冰川上布设测杆, 进行长期连续观测。随着遥感技术的不断发展, 合成孔径雷达影像、光学影像也被广泛应用于冰川运动速度的观测。目前关于新疆冰川运动速度的研究集中在部分有监测站点的典型地区冰川, 如乌鲁木齐河源1号冰川、哈希勒根51号冰川、青冰滩72号冰川等。其中乌鲁木齐河源1号冰川是中国西部山地冰川的代表, 也是中国境内观测资料最完善、连续性最好的冰川。研究发现, 其运动速度在观测期间持续减小, 速度介于4.4~8.6 m/a, 运动速度最大值出现在5—7月[30], 冰川厚度的改变对其运动影响重大, 且速度对表面坡度变化十分敏感。比乌鲁木齐河源1号冰川消融趋势稍弱的是哈希勒根51号冰川, 1999年开始对其观测发现, 冰川年平均运动速度在1.5~3.1 m/a之间, 各流速点的年际变化较小, 且略有下降趋势, 该冰川运动速度的水平分布表现为速度矢量基本向主流线幅合, 或平行于主流线[23]。位于天山西段的青冰滩72号冰川与乌鲁木齐河源1号冰川相比, 冰川运动速度明显偏大, 冰舌区域运动速度存在明显的消融季和非消融季差异, 年均水平运动速度47.1 m/a, 速度分布受局地地形因素影响明显, 消融季底部滑动显著, 其运动特征更偏向海洋性冰川[31]。天山科其喀尔巴西冰川是典型的树枝状山谷冰川, 冰川表面运动速度在海拔3 600 m以上区域增大, 海拔3 600 m以下区域则呈减小趋势[32]。
近年来针对跃动冰川的监测不断增多, 目前全球1%的冰川出现跃动现象[33], 其中部分冰川跃动已对下游人类社会造成巨大损失, 甚至形成灾害链[34]。新疆地区的冰川跃动现象主要集中分布于帕米尔高原、喀喇昆仑山和西昆仑山等冰川作用区[33], 在克勒青河流域、西昆仑峰、公格尔九别峰等区域均发现有明显的冰川前进现象, 其中克勒青河流域5Y654D0096号冰川最为明显, 运动速度达136.2 m/a, 西昆仑峰区以崇测冰川和中锋冰川最为明显, 运动速度分别为54.3 m/a和48.6 m/a。目前对于冰川运动尤其是跃动的机理尚不明晰, 冰川内部结构、几何形态特征与气温降水异常是触发冰川跃动的潜在原因, 加大对冰川表面运动速度的观测, 揭示其变化规律, 量化风险影响是未来新疆冰川运动研究的重点。
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冰川变化的数值模拟及预估是全球变化和冰冻圈科学的前沿领域。作为一个巨大的非牛顿流体, 对冰川的模拟预估多依赖于对冰川变化过程的认识和模型的建立[35]。早期主要是通过时间序列数据分析推测冰川的变化趋势, 如李鹏[36]利用获取的10期数据, 通过建立灰色预估模型, 对Austre Lovénbreen冰川未来4年的末端变化进行预估。随着计算能力的不断提高和研究的持续深入, 运用动力学模型模拟冰川变化成为主流。如段克勤等[35]通过求解二维的冰川流动方程, 模拟1号冰川流场, 结合构建的升温情景, 对2010—2070年1号冰川的变化趋势进行预估。由于动力学模型模拟冰川运动计算量大, 运算周期长, 艾松涛等[37]提出了基于GIS栅格操作的山地冰川变化模拟方法。此外, 其他理论的引入也极大地丰富了冰川模拟预估研究, 如高闻宇等[38]在对库克苏河流域冰川和开都河流域冰川变化研究的基础上, 依据分形理论对未来冰川变化进行相关预估。全球变暖被视为21世纪人类所面临的国际挑战, 因此不同升温情景下冰川的变化预估逐渐受到学者的关注。王淑红等[39]基于冰川系统模型, 在增温为0.05 ℃/a的情景下预估, 阿尔泰山冰川到21世纪末将趋近完全消失, 其中中国只剩下3%, 俄、哈两国也还只有9%；Liu等[40]利用高分辨率影像研究发现, 如果全球变暖以相同速度继续下去, 新疆天山地区冰川将在2050年至2150年之间消失。新疆的冰川模拟研究主要集中在天山山区、阿尔泰山山区, 目前针对单条冰川模拟预估已较多, 但针对区域性的综合预估仍较鲜见。
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冰川作为气溶胶颗粒的一个储藏器, 是认识气溶胶化学组成变化的良好介质。在冰川区开展气溶胶研究既可以了解该区的大气环境状况, 为模拟气溶胶的空间分布及其辐射强迫提供基础数据, 又可与雪冰样品相结合研究化学物质在气-雪-冰之间的迁移转化机制[41]。新疆山地冰川气溶胶相关研究主要集中在观测体系相对完善的乌鲁木齐河源1号冰川, 内容主要围绕冰川气溶胶的微观形貌、元素组成和可溶性离子的观测分析、变化特征以及特定气溶胶离子的特征、来源、作用关系。在化学组成上, 赵淑惠等[42]研究发现乌鲁木齐河源1号冰川区大气气溶胶主要以粒径在0.6~2.5 μm之间的不规则的富含Si、Ca的黏土矿物颗粒为主, 岳晓英等[41]发现1号冰川区气溶胶中可溶性离子化学组成以NO3-、SO42-、Ca2+和CO32-为主, 冰川区大气环境呈碱性。在变化特征上, 岳晓英等[43]发现乌鲁木齐河源1号冰川区气溶胶离子中Ca2+、SO42-、NH4+、Na+、Mg2+、Cl-在夏季最高、秋季次之、春季最低, 而K+与NO3-在秋季最高、夏季和春季次之；周平等[44]发现1号冰川气溶胶中7种可溶性离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO3-、SO42-)的夜间平均浓度高于白天。
沉降到冰川表面的吸光性气溶胶(黑碳、有机碳、粉尘等)对太阳辐射具有强烈的吸收作用, 能够显著降低雪冰反照率, 进而加速雪冰消融[45]。Zhong等[46]对北疆地区积雪中的吸光性杂质进行分析, 发现黑碳、有机碳、矿物粉尘浓度分别为32~8 841 ng/g、77~8 568 ng/g和0.46~236 μg/g, 其中黑碳和矿物粉尘对降雪反照率的平均贡献率为17%和3%, 且北疆西部的吸光性杂质浓度较高, 而北部地区(如阿尔泰山)浓度较低, 居民区是北疆积雪最大的黑碳排放源, 其次是工业和交通。王圣杰等[47]研究发现天山冰川区雪层中有机碳浓度平均值为557 ng/g, 黑碳浓度平均值为188 ng/g。综上可以发现, 冰川气溶胶可以揭示冰川表面物质来源, 如受西风带影响, 气团携带大量沙尘物质, 影响了1号冰川区的大气环境, Ca2+、Na+、Mg2+、K+和Cl-主要可能来自于陆源矿物, 而NO3-和NH4+则与人类活动密切相关[43]。气溶胶离子浓度的季节性变化主要与各离子在不同季节来源的差异及理化特性有关, 受温度、湿度、风向等气象条件影响的气溶胶气粒转化程度和沙尘活动的强度也是影响离子浓度季节变化的重要因素[41], 如1号冰川的黑碳浓度变化主要受季节性碳排放(居民采暖、农业活动等)和碳运输(大气环流等)的影响[47]。黑碳对全球变暖的贡献仅次于CO2的影响[48], 通过设计人类活动, 减少碳排, 可以缓解对气候变化、空气质量、冰川消融等造成的不利影响。
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同位素技术可利用水中天然存在的环境同位素来标记和确定水的年龄、特征、来源及组成, 从而开展水体循环、相态转化和环境年代标记研究, 现已被广泛地运用在冰川径流相关研究中。宋梦媛等[49]利用δ18O和δD发现青冰滩72号冰川的流域径流中冰川融水占率为74.8%；Wang等[50]利用δ18O和δD发现榆树沟流域径流有54.9%是由冰川融水补给, 而降水补给不足8%, 且降水中δD和δ18O的温度效应明显, 水分来源主要来自西风气团；侯浩等[51]发现阿尔泰山蒙赫海尔汗冰川北支的新雪、再冻结冰以及河水样品中δ18O的空间分布均呈显著的“反高度效应”特征；李亚举等[52]分析了乌鲁木齐河源1号冰川积累区表层雪中δ18O值的季节变化特征, 发现δ18O值变化具有温度效应, 季节变化幅度可达12.59‰左右；仝晓霞等[53]研究了帕米尔高原地区冰川融水的Sr同位素组成特征, 结合氢氧同位素和水化学, 发现该区以HCO3-Ca(Ca-Mg)和HCO3-SO4-Ca-Mg水为主；徐阳等[54]分析盖孜河冰川流域的铀(U)同位素特征, 发现U同位素的活度比从上游山区至中下游段经历一个明显的下降趋势, 指示了沉积物搬运过程中U同位素的活度比发生了系统的变化。稳定同位素方法已成为开展大气降水变化过程、地下水、冰雪融水和地表径流相互转化, 以及冰尘组成与空间分布、冰川沉积物搬运等研究的重要手段。其中, 氢氧同位素是确定各种水体的形成和演化机制的重要科学依据, 有助于明晰冰川融水来源, 定量冰川对新疆水资源的供给能力, 增强对水的多相态转化认知；锶同位素在不同环境中差异明显, 且性质稳定, 在冰尘的物质迁移和变化研究中常被使用；铀同位素作为一种新的地球化学示踪手段, 在冰川沉积物的搬运过程研究中展现出巨大潜力。
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冰川消融对生物群落演替的影响是全球气候变暖背景下山地生态系统研究的热点之一。冰川作为冰冻圈的重要组成部分, 是一种较为独特的生态环境, 其低温、寡营养的特殊性, 为生命大分子物质的保存提供较为理想的环境[55], 同时冰川融水形成的冷水生态系统也为水生生物提供了多样的栖息地[56]。随着冰川和雪线的加速后退, 冰川生物资源受到了严重影响。周汉昌等[57]发现冰川消退区自暴露开始, 便发生初生演替, 随后物质循环开始建立, 生物量和土壤C、N总量逐步增加; 刘雨薇等[56]发现冰川和积雪的加速消融破坏了冰川补给河流原有的水生生态系统, 水生生物的生境和遗传多样性均受到一定的影响。新疆冰川生物资源研究主要集中在乌鲁木齐河源1号冰川微生物空间分布、低温酶系统发育、耐冷菌多样性等方面。王海伟[58]发现乌鲁木齐河源1号冰川微生物多样性与海拔及雪样积累时间均呈负相关; 张瑞蕊等[59]发现乌鲁木齐河源1号冰川微生物具有物种多样性和生理多样性, 冰尘及底部沉积层耐低温细菌多样性较丰富, 低温酵母菌丰富, 系统发育多样, 产低温酶活性高、稳定性好。总体而言, 冰川消融对山区生态系统的生物多样性产生了重要影响, 但由于缺乏大时空尺度数据, 这些影响尚未量化, 进而降低了对未来生物多样性预测的准确性[60]。此外, 冰川变化对冰川作用区的生物演替产生多方面的影响, 而这些影响结果又综合反馈于冰川变化, 如冰盖融化的冰层表面可以滋养冰川藻, 但同时冰川藻的生长, 使冰层吸收更多的太阳能, 进而加速了冰川的融化[61]。整合观测数据, 建立系统的数据平台, 进而量化冰川变化对生物资源的影响是未来新疆冰川生物研究的重点。
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与冰川变化关系最为密切的气象要素是气温和降水。已有研究表明, 若要弥补由于升温造成的物质亏损, 在气温每升高1℃的情景下, 降水量需要增加25%—35%[62]。近几十年来, 新疆气温上升, 降水增加, 对冰川储量产生了深刻影响, 气温上升加速冰川消融在一定程度上抵消了降水增加对冰川的补给, 促使了冰川的消融。受气温升高和降水不足影响, 萨吾尔山冰川在1977—2017年间总面积减少了10.51 km2, 退缩速率为1.14%/a, 处于加速退缩阶段[62]；与之类似原因, 北阿尔泰山在1980—2010年间面积减少了12.3%[19]；由于夏季升温幅度和降水不同, 天山南、北坡冰川变化差异性显著, 2000—2009年间北坡玛纳斯河流域年均面积退缩率为1.4%/a, 南坡开都河流域年均面积退缩率为1.1%/a[63]。值得注意的是, 冰川对气候变化的响应具有滞后性, 阿尔泰山地区尽管在1972—2008年间年均温约上涨1.48 ℃, 冬夏两季均温显著增加, 但在1984—1985年间出现极端低温, 因此, 20世纪90年代后冰川退缩率降低；西昆仑山冰川对气候响应滞后10~20 a[64]。总之, 受地理位置影响, 不同地区冰川退缩对气候变化响应程度不同。阿尔泰山冰川的退缩主要受控于夏季温度变化, 受降水影响较小; 天山地区冰川变化的主因是气温, 而夏季升温幅度及降水的不同是造成南北坡冰川差异性变化的重要原因; 在昆仑山地区, 尽管周边地区气温上升, 但降水量缓慢增加, 增强的西风环流等因素缓解了冰川退缩。
受气候变化和人类活动影响, 冰川变化引起的灾害效应也日益突出, 冰崩、冰湖溃决引起的冰川泥石流、冰川洪水等灾害已不容忽视。新疆冰川分布广泛, 冰雪灾害同样显著。位宏等[65]发现新疆冰湖数量和面积不断增加, 其中29%的冰湖具有溃决风险, 需要实时监测；郭超等[66]发现1961—2016年间北疆的洪涝灾害发生频率由16.7%增至57.7%；牛竞飞等[67]发现叶尔羌河冰川跃动导致冰坝被破坏而引起冰川阻塞湖泄洪。沈永平等[68]总结出新疆冰雪灾害的空间分布规律：冰川洪水和冰湖突发洪水灾害主要发生在塔里木河流域的喀喇昆仑山、昆仑山以及天山南坡西部一带, 融雪洪水灾害主要发生在新疆北部的阿勒泰地区、塔城地区和天山北坡一带, 冰川泥石流、冰崩和雪崩灾害主要发生在帕米尔高原、天山西段和西昆仑山地区, 风吹雪主要在天山中、西段地区。冰川消融引起的自然灾害已受到学者和政府部门的广泛关注, 但目前对于孕灾环境、灾害发育特征、灾害的风险预警和减灾对策等方面研究仍有所欠缺。
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冰川水资源是维系绿洲社会经济发展和干旱区生态系统稳定的重要保障[69]。新疆降雨稀少, 蒸发量大, 冰川融水是河流的主要补给来源, 占总径流的45%以上[68]。其中, 天山地区的冰川融化对地区24条径流水量贡献率维持在3.5%~67.5%之间, 冰川融雪对径流水量的贡献率维持在1.4%~35.8%之间[70]；阿尔泰山地区冰雪融化对径流的补给率为40%~60%[71]；塔里木盆地中冰川融水占流域径流的38.5%, 准噶尔盆地中冰川融水占流域径流的26.9%, 伊犁河谷中冰川融水占流域径流的19.2%[69]。受全球变暖影响, 新疆冰川消融剧烈, 在河流主汛期径流响应最为明显。奎屯河流域冰川年均亏损量约占平均径流量的12%[8], 克里雅河和乌鲁木齐河径流均呈非线性增加[72]; 在降水量不发生大的变化时, 温度每升高1 ℃, 玛纳斯河径流量增大13%~16%[73]。由于冰川融水补给型河流的径流增加是以消耗冰川固体冰为代价, 当径流出现先增后减的拐点后, 冰川的调峰补枯作用开始减弱, 增加了干旱风险[74]。丁永建等[71]研究表明:以小规模冰川为主的流域(流域平均冰川面积＜1 km2, 且最大的冰川面积＜2 km2), 其冰川融水“先增后减”的拐点已经出现, 如天山北坡的玛纳斯河和呼图壁河流域；以较大规模冰川为主的流域(流域平均冰川面积＞2 km2、且流域内有一定数量的面积＞5 km2的大型冰川), 其冰川融水拐点出现较晚或在21世纪末不出现, 如阿克苏河流域；而冰川规模介于二者之间的流域, 其冰川融水拐点在未来10~20 a内出现。目前, 冰川对水资源的影响研究区域上多集中在单个流域, 对于区域整体影响研究较少；内容上多集中在径流变化, 缺乏对区域(尤其是绿洲)生产活动的具体影响；视角上多集中在水量, 而忽略了对水质的影响。
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冰川作为地表上一类独特的景观, 不仅蕴藏着巨大的生态服务功能, 同时具有可观的社会经济价值。张正勇等[4]研究表明天山冰川年生态服务价值为602亿元, 其单位面积生态服务价值高于森林、草地、湿地等其他类生态系统。目前受全球变暖影响, 世界各地冰川消融加剧, 冰川的生态服务功能也迅速减弱。玛纳斯河流域冰川面积在1964—2006年间减少了16.7%, 生态系统服务功能价值减少了268亿元[75]。此外, 新疆冰雪资源丰富, 亚大陆型冰川所在的阿尔泰山、天山纬度较高, 雪线和冰川末端海拔相对较低, 减少了攀登难度, 富有旅游开发价值[76], 乌鲁木齐—昌吉滑雪旅游集聚区是中国滑雪旅游空间结构的“六核”之一[77]; 张雪莹等[78]研究表明北疆地区, 尤其是阿勒泰地区是新疆高度适宜发展冰雪旅游的地区。然而, 冰川的剧烈消融也会对包括冰雪旅游、冰雪文化和冰雪体育在内的冰雪产业造成冲击[79]。冰雪体育方面, 会对滑雪场积雪可靠性、滑雪季节长度、滑雪客流量和经济效益等方面产生深刻影响。冰雪旅游方面, 冰川的持续退缩会改变冰川旅游地核心景观特色, 降低其审美价值, 影响冰川体验活动质量, 造成冰川地区的旅游吸引力下降; 同时, 冰川退缩会增加冰川碎片覆盖增加冰川末端冰坡的陡峭程度, 降低可达性和安全性[80]。
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山地冰川变化及其影响是冰冻圈科学的关注热点, 本文对新疆山地冰川变化研究成果进行系统梳理和总结, 得出以下认识：
(1) 全球变暖背景下, 新疆山地冰川呈加速退缩之势, 但受地形、气候和冰川结构影响, 冰川的面积和储量变化区域性差异显著。三大山系中阿尔泰山冰川消融态势最为剧烈, 面积、储量退缩速率分别达0.75%/a和0.74%/a, 天山冰川其次, 分别为0.36%/a和0.24%/a, 昆仑山冰川消融态势较弱, 冰川面积消融速率为0.34%/a。运动速度研究集中在监测站点完善的北疆典型冰川, 缺乏对跃动冰川的运动机理探析；模拟预测研究侧重于单条冰川的动力过程模拟, 缺乏对新疆冰川变化的系统性预测。
(2) 冰川化学过程方面, 气溶胶可以揭示冰川表面物质的成分及来源, 而同位素在水体形成、演化和冰川搬运中运用广泛, 其中氢氧同位素在定量冰川消融对径流补给过程中效果显著; 冰川生物资源方面, 对于极端微生物的空间分布和多样性进行了充分挖掘, 但对于冰川消退带及冰川变化与生物资源间的作用机制缺乏研究。
(3) 近几十年来新疆冰川变化对气候响应明显, 零平衡线高度显著上升, 冰雪灾害频发, 冰川快速消融带来径流量增加, 但随着冰川融水拐点的出现, 冰川调峰补枯作用减弱, 进一步加剧了干旱区的潜在水危机。此外, 新疆冰川变化引发的生态效应日益凸显, 冰川消融对其生态服务功能和冰雪产业造成巨大损失。
(4) 现阶段新疆山地冰川相关研究已取得丰硕成果, 但在以下方面仍可改进: ①数据上, 基于遥感的冰川提取标准尚不统一, 缺乏一致的规范, 使得不同团队的研究数据难以横向对比、纵向衔接；②视角上, 已有研究多从自然地理角度来研究冰川的面积、储量、地理空间分布和时空变化, 鲜有学者从景观生态学的角度来研究冰川在发展演化过程中冰川的景观要素、格局、功能和生态过程；③区域上, 目前研究主要集中在冰川作用区, 而对于冰川消退带的关注相对较少；④策略上, 针对冰川消融带来的系列影响, 已有学者提出相应对策, 但与之对应的工程措施研究较少。
Advances in research on changes and effects of glaciers in Xinjiang mountains
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摘要: 揭示新疆山地冰川变化及其影响，对新疆山地-绿洲-荒漠系统的健康和稳定发展意义重大。系统梳理新疆冰川物理变化、化学过程、生物资源、气候响应与生态效应等研究成果。结果表明：①新疆山地冰川总体上呈加速消融之势，且受地形、气候影响，冰川变化的区域性差异明显；②气溶胶解释了乌鲁木齐河源1号冰川表层物质的组成与来源，同位素定量了各流域径流中冰川融水的比例；③冰川变化对极端微生物生存条件、空间分布的影响研究较为成熟，但其与生物资源间的综合反馈机理尚不明晰；④冰川消融对水资源的影响随冰川融水拐点的到来而加剧，造成的生态服务缩减和冰雪产业损失日益凸显。制定统一的冰川提取标准、扩宽研究视角、全面系统观测冰川、提高模拟预测精度、加强灾害预警与制定对策是未来新疆山地冰川研究的关注点。Abstract: Identifying the changes and impacts of mountain glaciers is of great significance to the healthy and stable development of the mountain-oasis-desert system in Xinjiang. This paper systematically combs through the research results of the physical changes, chemical processes, biological resources, climate response, and ecological effects of Xinjiang glaciers. The results revealed that:① Xinjiang mountain glaciers generally demonstrated a tendency of an accelerated melting, were affected by topography and climate, and there were pronounced regional differences in the glacier changes. ② Aerosols explained the composition and source of surface material on Glacier No.1 at the headwater of the Urumqi River, and findings revealed that the glacier isotope quantified the proportion of glacial meltwater in the runoff of each basin. ③ The effect of glacier changes on the living conditions and spatial distribution of extremophiles is relatively significant, but the comprehensive feedback mechanism between the changes and biological resources is still unclear. ④ The impact of glacier melting on water resources is aggravated from the inception of the inflection point of the glacier meltwater, resulting in the reduction of ecological services and the loss of ice and snow industries. The development of unified glacier extraction standards, broadening of research perspectives, comprehensive and systematic observation of glaciers, improvement in simulation prediction accuracy, improving the technique of disaster warning, and development of countermeasures are the focus of future research on mountain glaciers in Xinjiang.
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Key words:
- mountain glacier /
- physical change /
- chemical process /
- biological resources /
- climate response /
- ecological effect /
- glacier runoff
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表 2 近数十年天山典型冰川变化情况
Table 2. Changes of typical glaciers in the Tianshan Mountains during recent decades
典型区域 时段 面积 冰储量 数据来源 变化量/km2 变化率/% 年变化量/(%·a-1) 变化量/km3 末端退缩率/(m·a-1) 天山山系 1959—2010年 -1 619.82 -18.4 -32.40 -105 — 文献[13] 乌鲁木齐河源1号冰川 1962—2009年 -0.304 -15.6 -0.006 -0.0262 3.8 文献[21] 博格达峰南坡黑沟8号冰川 1962—2009年 -0.08 -1.3 -0.002 -0.0255 11.0 文献[21] 博格达峰北坡四工河4号冰川 1962—2009年 -0.53 -15.8 -0.01 -0.0140 8.0 文献[22] 托木尔峰青冰滩72号冰川 1964—2009年 -1.53 -14.7 -0.03 -0.0141 41.1 文献[21] 哈密庙尔沟冰川 1972—2005年 -0.36 -9.9 -0.01 — 2.3 文献[21] 奎屯哈希勒根51号冰川 1964—2006年 -0.123 -0.19 -0.003 — 2.0 文献[23] 
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表 3 近数十年昆仑山典型山系冰川变化情况
Table 3. Glacier changes in typical mountain series of Kunlun Mountains during recent decades
典型山系 时段 面积 冰储量变化/km3 变化特点 数据来源 变化量/km2 变化率/% 年变化率/(%·a-1) 昆仑山山系 1976—2011年 -1 243.60 -12.00 -0.34 — 海拔升到5 500 m左右退缩率减小至0 文献[26] 西昆仑山 1977—2013年 -91.12 -2.95 -0.08 -21~-20 海拔6 000 m以下冰川面积变化较大 文献[24] 东昆仑山 1990—2010年 -264.36 -12.03 -0.60 -34.228 北部退缩幅度明显 文献[25] 西昆仑峰区 1990—2011年 -16.83 -0.65 -0.03 — 退缩趋势不明显, 单条冰川有退有进 文献[26]
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表 4 近数十年喀喇昆仑山冰川变化情况
Table 4. Glacier changes in the Karakoram Mountains during recent decades
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