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。

准确揭示多年冻土区碳源汇特征及其演化趋势对降低我国陆地生态系统碳源汇评估中的不确定性、实现“碳中和”目标具有重要意义。自国家重点研发计划项目启动以来，研究团队阐明了多年冻土区碳氮磷循环关键参数的空间格局和驱动因素，构建了多年冻土区首个全生态系统增温实验平台，解析了碳氮循环关键过程对气候变暖等全球变化要素的响应机制，揭示了热融湖塘甲烷（CH4）排放、可溶性有机质降解以及微生物分布特征。项目取得的阶段性成果有望为实现我国“碳中和”战略目标提供科技支撑。

汞污染是当前重要的全球性环境问题。在气候变暖的背景下，多年冻土退化能够显著改变土壤环境和水热过程，进而可引发土壤中汞的活化和大量释放，对生态系统产生潜在的风险。本文综述了多年冻土区土壤总汞的浓度和储量、空间分布和影响因素，阐释了多年冻土不同退化过程中（活动层增厚和热喀斯特发育）土壤中汞的迁移转化和释放特征及其环境效应。北半球多年冻土区土壤总汞储量为597 Gg(384～750 Gg)，植被吸收作用驱动的大气单质汞[Hg(0)]沉降是土壤中汞的重要来源。多年冻土区土壤中总汞含量和空间分布主要受大气汞沉降、有机质含量和沉降后过程（如淋溶作用）的影响。多年冻土退化不仅能够向大气和水生生态系统释放大量的汞，还可增强微生物甲基化作用生成剧毒的甲基汞（MeHg），已经对全球汞循环及区域环境产生了重要影响，且这一影响在持续加强。未来研究中需结合汞同位素等多技术手段，追踪多年冻土融水径流中汞的迁移转化和传输过程；强化热喀斯特对汞释放的影响研究；结合野外原位观测与模型模拟，全面评估多年冻土退化对土壤汞迁移转化的影响及其环境效应。

为深入理解热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用，本文以青藏高原北麓河盆地典型热喀斯特湖区域为例，构建考虑热传导和热对流过程的水-冰-热耦合模型，对热喀斯特湖作用下的多年冻土退化特征及热喀斯特湖的水均衡进行模拟，计算地质环境和气候变暖对热喀斯特湖水均衡和冻土的影响。研究结果表明：热喀斯特湖周围冻土逐步退化并形成贯穿融区，导致地下水循环模式发生改变；在地表温度作用下，形成的活动层厚度为3.35 m;热喀斯特湖在整个模拟时段内表现为负均衡，其排泄量在285～388 a间显著增加；地层渗透性能决定了热喀斯特湖和生态环境的发展方向；气候变暖加速多年冻土向季节冻土转变。研究结果可为进一步认识寒旱区生态水文过程提供科学依据。

青藏高原热喀斯特湖分布广泛，近年来在气候变暖背景下快速发展。热喀斯特湖的形成和发展与地下冰含量及气候变化有着密切关系，强烈影响多年冻土的热稳定性。为了更深入理解在气候变暖背景下热喀斯特湖的发展及其对下伏多年冻土的影响，以青藏高原北麓河地区一个典型热喀斯特湖的长期监测数据为资料，发展了耦合大气—湖塘—冻土三个过程要素的一维热传导模型，模拟了四种不同深度热喀斯特湖在气候变暖背景下的发展规律及其对多年冻土的热影响。结果表明：浅湖（<1.0m）在目前稳定气候背景下处于较稳定状态，湖冰能够回冻至湖底，对下伏多年冻土影响较小；较深湖塘（≥1.0m）冬季不能回冻至湖底，湖深不断增加，且底部在50年内将会形成不同深度的融区。随着气候变暖，热喀斯特湖的热效应显著，深度快速增加，较深湖塘的最大湖冰厚度减小，底部多年冻土快速融化形成开放融区。研究将有助于理解气候变化对青藏高原多年冻土区地貌演化及水文过程的影响。

全面认识热喀斯特湖水文过程的季节变化特征是准确评估其生态环境效应的关键。以青藏高原典型热喀斯特湖为例，基于2018—2020年水文气象要素的野外观测及计算，分析热喀斯特湖的水文特征及产生的环境效应。研究结果表明：(1)春季降水补给热喀斯特湖，迅速升高湖塘水位，其中湖塘的储水量与湖塘水位之间存在较好的幂函数关系；(2)湖面年均蒸发量和湖冰年均升华量分别可达738 mm和198 mm,受温度升高的影响，未来有增多的可能；(3)热喀斯特湖水中离子质量浓度在暖季初期和后期较高，冷季湖冰形成过程中自净作用和地球化学过程的影响使各离子表现出不同的迁移机制。受局地因素的影响，热喀斯特湖的水文要素呈明显的季节变化特征，水文循环过程会引起多年冻土退化、湖岸坍塌后退、水环境恶化、温室气体释放、土壤盐渍化、植被退化等，未来研究需对整个高原地区热喀斯特湖的环境效应进行全面评估。

多年冻土储存了大量的有机碳、氮素以及持久性有机污染物和汞等污染物。全球变暖背景下，目前全球大部分的多年冻土都处于退化状态。多年冻土区土壤温度升高、多年冻土层解冻后，土壤温度水分会发生变化，从而改变微生物的生长代谢过程，进而改变多年冻土区的物质循环。通过综述多年冻土区的碳、氮及污染物的储量及其在多年冻土退化下的迁移转化及输出特征，研究发现：多年冻土退化增加活动层厚度、形成热喀斯特地貌，一方面导致碳基和氮基温室气体快速释放到大气中，另一方面也向水生系统中输出溶解性碳氮组分及可溶性污染物，这些过程会导致多年冻土由碳、氮和污染物储存的“汇”转变为“源”，并最终影响全球生物地球化学循环。明确多年冻土区碳、氮和污染物的生物地球化学循环过程对于全面理解气候变化对自然和人类社会系统的影响具有重要作用。未来研究中，还需要结合多学科技术手段，开展多年冻土退化过程、水文过程与生物化学循环过程的系统集成研究，此外，还需加强汞、POPs等污染物的二次释放过程与碳氮循环的耦合关系研究，定量多年冻土中污染物二次释放的环境效应，以深刻认识多年冻土中物质循环过程并为气候和环境变化提供预测依据。

多年冻土是寒冷气候的产物,气候变暖则会造成多年冻土退化。多年冻土退化的表征之一就是地下冰融化,使得地表土壤失去支撑,从而形成滑塌、沉降等热喀斯特地貌。热喀斯特地貌不仅会影响到工程建筑,还会破坏地表植被,导致生态系统退化。热融沉降形成的低洼地还会积水并逐步发展为热融湖塘。热喀斯特地貌除了直接改变地表景观外,还会改变土壤的水文和碳氮循环的过程。目前热喀斯特地貌的发展及其影响在多年冻土环境研究中已引起了广泛关注,定量评估热喀斯特地貌对碳循环的影响也是评估多年冻土区对全球变化的响应及气候反馈效应的重要环节。

结合国际冻土研究的热点问题和青藏高原脆弱生态环境可持续发展的需求,针对多年冻土退化过程中趋于加剧的热喀斯特现象,及其因融穿冻土、造成区域地下水位的改变而诱发的生态环境影响,在国家自然科学基金重点项目支持下开展"青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应"研究。项目主要通过遥感分析及野外调查,分析气候变化和工程活动影响下的青藏工程走廊内热喀斯湖时空分布规律,评价其生态环境效应;选取热喀斯湖广泛发育区域,调查其发育条件、规模和几何分布特点,揭示典型热喀斯特湖影响因素变化、水热状况等,通过水文学、同位素示踪试验等阐明热喀斯特湖与地下水之间的转换关系;结合抽水疏干试验进行热喀斯特湖对区域地下水位影响分析,并通过数值模型及模拟,依热喀斯特湖发育不同阶段、规模,分析其对区域冻土、水文条件及生态环境的影响。研究成果将有助于区域性冻土生态环境演化准确评价及趋势预测,以及深入理解诸如江河源多年冻土区水文状况演化影响因素,及其相应的生态环境响应机制。

热喀斯特湖是其周边多年冻土重要的热源,也是排向大气的温室气体的重要源泉,对湖下及周边多年冻土中发生的物理、化学、生物、地貌和水文过程能产生重要的作用,严重影响冻土区环境和建筑物的稳定性。数值模拟为量化分析热喀斯特湖及其演化对周边多年冻土热状况长期影响的效果提供了有效的方法,极大地深化了人们对热喀斯特湖作用的认识,总结热喀斯特湖对多年冻土热状况数值模拟研究的进展对运用和改进现有数学模型以及开发更加有效的模型具有重要的指导作用。综述了最近10多年开发的描述热喀斯特湖对多年冻土热状况影响的相变热传导模型、热融滑塌模型、湖塘—冻土耦合模型、组合热量传递与质量传输过程的湖扩张模型、温度场与水分场耦合运移模型,以及基于移动网格方法的热喀斯特湖动态演化模型等主要数学模型的构成、功能、优点和不足,提出了未来数值模拟研究中值得重视的问题,包括建立更有效的模型,确定更符合实际的初始条件,深入研究土壤的热和物理参数,充分考虑湖水补给的作用,进一步研究热喀斯特湖周边冻土层上水的热效果,建立耦合相变热传导与对流传热过程的控制方程,在模型中嵌入气候变暖的效应,研究热喀斯特湖干涸对多年冻土区环境变化的长期影响,量化...