劉 磊

(江西省贛州市文清外國語學校)

一、凍土教學應(yīng)用

(一)凍土基本概況

凍土是地氣系統(tǒng)綜合作用下的產(chǎn)物,是地球表層重要的組成要素,按所屬自然環(huán)境及其成因分類歸屬于冰凍圈。雖然與之相關(guān)的概念在高中地理階段教材中很少涉及,但作為伴隨人類認識、改造和適應(yīng)地球環(huán)境系統(tǒng)時的自然地理要素,凍土扮演著重要的角色,因而在中學階段地理中也常有相關(guān)考點的出現(xiàn)。不僅要求學生對凍土所處的寒冷地區(qū)地理環(huán)境特征有一定的區(qū)域認知,而且需要具備分析凍土對人類活動的影響和人類適應(yīng)凍土環(huán)境采取的措施合理性的思辨能力,由單一的凍土概念發(fā)散思維到更豐富的地理知識,所以對凍土的學習應(yīng)該系統(tǒng)全面,并靈活運用于解題思維過程中。

我國大部分發(fā)育凍土的環(huán)境主要集中在青藏高原、天山、阿爾泰山等高山高海拔地區(qū)和中緯度的東北地區(qū)。認識凍土的空間分布及其所處的高寒環(huán)境背景是學習凍土的第一步,接下來需要了解凍土的基本概念,從定義的角度理解其分布的環(huán)境,進而了解凍土的基本構(gòu)成要素,以及在人類活動和氣候變化影響下的演化過程,從而思考其對人類活動的影響。

(二)凍土教學思路

盡管高中地理教材與凍土相關(guān)的內(nèi)容提及較少,初次接觸可能會存在一定的困難,但是依據(jù)已學的自然地理要素分析的基本方法,教師在授課之前應(yīng)充分搜集相關(guān)資料文獻,掌握凍土基本原理。由易到難,引導(dǎo)學生理解凍土分布環(huán)境的特點和凍土隨氣候變化所產(chǎn)生的相關(guān)地理要素的變化,有助于加深學生對凍土概念的理解。課堂教學可以借助地理名詞概念圖的方式展示(圖1),帶領(lǐng)學生學會將知識進行外延,一方面說明了凍土名詞的基本含義,另一方面幫助學生在理解該地理要素的基礎(chǔ)之上完善對關(guān)聯(lián)知識的系統(tǒng)掌握。有助于學生將已學零散的新舊知識進行聯(lián)想,靈活地對知識進行遷移應(yīng)用,構(gòu)建全面的地理概念與嚴謹?shù)闹R發(fā)散思維邏輯,有助于加深學生對知識的理解、記憶和掌握,提升思維廣度和深度,形成更完善、更系統(tǒng)及更綜合的知識結(jié)構(gòu)和體系。圖1以凍土為關(guān)鍵詞,說明了凍土的基本概念:凍土指的是溫度在0 ℃以下,含有冰的各種巖體和土壤。凍土作為冰凍圈六大組成要素之一,其上位概念為冰凍圈;其下位概念包括短時凍土、季節(jié)凍土和多年凍土,從垂直剖面的結(jié)構(gòu)看凍土則包括冬季凍結(jié)、夏季融化的活動層及底部的永久凍結(jié)層。

圖1

筆者總結(jié)發(fā)現(xiàn),凍土在高中地理階段與多個知識模塊有聯(lián)系,如自然環(huán)境、自然災(zāi)害、自然資源與國家安全、區(qū)域發(fā)展和氣候變化等(圖2),因此可以結(jié)合不同領(lǐng)域和方向的相關(guān)知識進行教學,訓(xùn)練地理發(fā)散思維,由學習凍土的特征拓展至其對特定區(qū)域自然地理環(huán)境的影響。例如,從凍土的定義去分析其所在的自然地理環(huán)境背景以及凍土分布區(qū)常見的地貌和植被狀況,凍土的變化對自然環(huán)境(如水循環(huán)、植被和地貌……)的影響等,輔助已有考查凍土的試題進行分析,提高對凍土知識的全面理解和靈活運用。

圖2

二、凍土相關(guān)的知識模塊

(一)自然環(huán)境

高寒高海拔地區(qū)是凍土的主要分布區(qū),是寒冷地區(qū)環(huán)境重要組成部分。凍土及底部地下冰、冰川與積雪等要素是多數(shù)河流源頭的重要補給來源,對其他自然要素的存在起著至關(guān)重要的作用。如在高中中國地理的教學中分析東北平原地區(qū)多沼澤的成因,除了分析地勢低洼、地形平坦、緯度較高導(dǎo)致的蒸發(fā)較弱,還需要引導(dǎo)學生聯(lián)想到凍土這一要素,因為該地地下凍土的分布,使得地表水難以下滲,有利于地表水的保持,使得表層土壤水分充沛,長期處于飽和狀態(tài),發(fā)育成沼澤,形成特有的濕地生態(tài)系統(tǒng)。這一知識點在高考題中就呈現(xiàn)出來,如2021年全國甲卷37題,要求“說明沖積平原水分條件比山坡和沖積扇好的原因?！庇深}意可知當?shù)匚挥谄钸B山,屬于青藏高原的東北邊緣,較高的海拔使得該地發(fā)育成高寒的環(huán)境,因此需要學生聯(lián)想到凍土對地表水的保持(圖3)。

圖3

【例1】(2021年全國甲卷,37題)(節(jié)選)閱讀圖文材料,完成下列要求。

圖3所示的我國祁連山西段某山間盆地邊緣,山坡、沖積扇和沖積平原的植被均為草原,其中沖積平原草原茂盛。山坡表面多覆蓋有沙和粉沙物質(zhì)。附近氣象站(海拔3 367米)監(jiān)測的年平均氣溫為-2.6℃,年降水量約291毫米,集中在夏季,冬春季多風。

說明沖積平原水分條件比山坡和沖積扇好的原因。

【答題要點】地勢低平,地表水匯集;地表顆粒物粒徑;深層土壤凍結(jié)。

(二)自然災(zāi)害

凍土分布區(qū)的高寒自然地理環(huán)境大多是脆弱的,對人類活動和氣候變化的響應(yīng)相當明顯。當過多的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動干擾凍土環(huán)境,或溫度顯著上升會使得凍土呈現(xiàn)明顯的退化,從而產(chǎn)生伴隨凍土融化的一系列自然災(zāi)害。主要表現(xiàn)在高海拔斜坡凍土層地下冰融化帶動土體沿凍融面滑動產(chǎn)生的熱融滑塌,以及邊坡體垮塌產(chǎn)生的凍融滑坡,谷地低平處凍土退化產(chǎn)生熱融湖塘等(圖4),造成寒區(qū)地貌形態(tài)發(fā)生巨大變化,寒區(qū)草甸、濕地面積退化,生物多樣性顯著減少等危害,對寒區(qū)人類生產(chǎn)活動和生態(tài)環(huán)境造成較大破壞。

圖4

【例2】(2021年廣東省選考,20題)[環(huán)境保護]

熱融湖是因熱融作用引起地表塌陷形成的凹坑集水而成。近年來,我國青藏高原上的熱融湖發(fā)展迅速,在一些地區(qū)形成了繁星一樣的“星宿海”,冬季湖泊冰面可見一串串甲烷氣泡凍結(jié)在冰層中。有些熱融湖也會出現(xiàn)停止生長現(xiàn)象,湖盆會被水生植物、泥炭和沉積物充填。圖4示意青藏高原熱融湖景觀。

分析青藏高原熱融湖的發(fā)展對當?shù)刈匀坏乩憝h(huán)境的影響。

【答題要點】水域面積增加,改變水循環(huán)和局地小氣候;生物多樣性增加;陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)改變;改變地表微地貌形態(tài)和土壤結(jié)構(gòu);增加甲烷等溫室氣體排放;湖盆中的水生植物、泥炭和沉積物,有一定的固碳、儲碳作用。

(三)自然資源與國家安全

凍土作為高寒生態(tài)系統(tǒng)和地理要素的重要組成部分,其所處區(qū)域的資源開發(fā)利用與國家安全密切相關(guān),也是國家安全的重要組成部分。如我國青藏高原及東北凍土分布地區(qū)的高寒草甸中,水體和植被根系時刻發(fā)生著物質(zhì)與能量交換,草甸減弱了熱量向下輻射的速率,為凍土起到隔熱保溫的作用,而凍土則為草甸根系提供了良好的土壤水分。又如,青藏高原為亞洲大陸上諸多河流的發(fā)源地,高原凍土及冰川等所處的高寒環(huán)境為大江大河補給水資源提供了天然稟賦,同時為高原及其周邊地區(qū)提供豐富的生物物種資源和氣候資源等,在自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的安全屏障作用,因此加強對凍土區(qū)域的科學研究與保護,可以進一步維護國家的稀缺資源,保障國家安全。

【例3】(2022屆山東省高三第一次學業(yè)質(zhì)量檢測,19題)(節(jié)選)閱讀圖文材料,回答下列問題。

天然氣水合物(俗稱“可燃冰”)常見于深海沉積物或陸上永久凍土中,是由天然氣和水在高壓低溫條件下形成的類似冰狀的結(jié)晶物質(zhì)。凍土指溫度低于0℃并含有冰的土壤和巖石。天然氣水合物具有資源與環(huán)境并重的雙重意義,不僅作為一種新型能源具有潛在的資源價值,而且還是一種會引起環(huán)境效應(yīng)的不穩(wěn)定因素。天然氣水合物在溫度升高或壓力降低時會分解釋放甲烷氣體。甲烷捕獲熱量的能力是二氧化碳的23倍。圖5示意氣候變暖引起凍土區(qū)天然氣水合物系統(tǒng)的演變。

圖5

說明全球氣候變暖背景下凍土區(qū)天然氣水合物儲量的變化及其對環(huán)境產(chǎn)生的影響。

【答題要點】全球氣候變暖造成凍土融化,天然氣水合物分解,造成儲量減少。

影響:天然氣水合物分解釋放出甲烷,加劇全球氣候變暖。

(四)區(qū)域發(fā)展

地理學關(guān)注人類活動與自然環(huán)境的關(guān)系,區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展離不開對自然規(guī)律的認識和適應(yīng)。區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展如交通等基礎(chǔ)設(shè)施的完善、城鎮(zhèn)化水平的提高,在初期階段不可避免對自然環(huán)境產(chǎn)生影響,寒冷地區(qū)環(huán)境下的經(jīng)濟建設(shè)如何做到趨利避害,減輕對凍土環(huán)境的干擾,是人類在認識自然環(huán)境的基礎(chǔ)上需要認真思考的問題,教學中可引導(dǎo)學生思考人類生產(chǎn)與自然環(huán)境和諧共處的人地協(xié)調(diào)觀。如凍土融化產(chǎn)生的危害使得寒冷地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展停滯,原有的交通干線、輸油輸氣管道的布局常常會受到凍土的凍脹與融沉出現(xiàn)一系列的問題,影響公路、鐵路及能源管道等基礎(chǔ)設(shè)施(圖6)。因此要更好地認識凍土規(guī)律與特征,在人類活動中科學地加以利用,進而造福人類。在凍土工程建設(shè)中需要注意交通選線;管道布局時應(yīng)盡可能地少穿過凍土區(qū),或是采取相應(yīng)措施減輕凍土在季節(jié)變化產(chǎn)生的凍脹融沉對生產(chǎn)生活的影響。例如,在青藏鐵路的修建過程中,就采取了“以橋代路”“碎石路基”“通風管”“熱棒”等措施,減輕路基對凍土環(huán)境的影響,以及減輕后期凍土溫度變化對鐵路安全運營的影響。

圖6

【例4】(2015年新課標Ⅰ卷,37題)(節(jié)選)閱讀圖文材料,完成下列要求。

多年凍土分為上下兩層,上層為夏季融化、冬季凍結(jié)的活動層,下層為多年凍結(jié)層。我國的多年凍土主要分布于東北高緯地區(qū)和青藏高原高海拔地區(qū)。東北高緯地區(qū)多年凍土南界的年平均氣溫在-1～1℃,青藏高原多年凍土下界的年平均氣溫約-3.5～-2℃。

由我國自行設(shè)計、建設(shè)的青藏鐵路格(爾木)拉(薩)段成功穿越了約550千米的連續(xù)多年凍土區(qū),是全球目前穿越高原、高寒及多年凍土地區(qū)的最長鐵路。多年凍土的活動層反復(fù)凍融及冬季不完全凍結(jié),會危及鐵路路基。青藏鐵路建設(shè)者創(chuàng)造性地提出了“主動降溫、冷卻路基、保護凍土”的新思路,采用了熱棒新技術(shù)等措施。圖6a示意青藏鐵路格拉段及沿線年平均氣溫的分布,其中西大灘至安多為連續(xù)多年凍土分布區(qū)。圖6b為青藏鐵路路基兩側(cè)的熱棒照片及其散熱工作原理示意圖。熱棒地上部分為冷凝段,地下部分為蒸發(fā)段,當冷凝段溫度低于蒸發(fā)段溫度時,蒸發(fā)段液態(tài)物質(zhì)汽化上升,在冷凝段冷卻成液態(tài),回到蒸發(fā)段,循環(huán)反復(fù)。

圖6a所示甲地比五道梁路基更不穩(wěn)定,請說明原因。

【答題要點】甲地活動層更頻繁地凍融,危害路基;甲地夏季活動層厚度較大,冬季有時不能完全凍結(jié),影響路基穩(wěn)定性。

(五)氣候變化

隨著工業(yè)化進程的加快,化石能源燃燒數(shù)量的急劇增加,導(dǎo)致地球上的二氧化碳等溫室氣體濃度不斷增加,大氣吸收地面輻射增多,使得大氣逆輻射增強,大氣保溫作用也更強,由此帶來的全球氣候變暖吸引了越來越多的學者、科研機構(gòu)、政府部門和國家關(guān)注。凍土在環(huán)境變化中所起的作用也非常特殊,當氣候處于較穩(wěn)定狀態(tài),凍土是地球上重要的碳匯,土體和巖體中凍結(jié)的水可以將較多含碳物質(zhì)進行封存。而當全球氣候變暖的趨勢加強,儲藏在凍土中的含碳物質(zhì)將隨著凍土的融化釋放至大氣中,此時的凍土成為碳源。

【例5】(2023年廣東實驗中學高二期中,27題)(節(jié)選)閱讀圖文資料,完成下列要求。

多年凍土作為冰凍圈要素之一,因其對氣候變化具有高度敏感性和重要的反饋作用而備受關(guān)注。熱融湖是因自然和人為原因?qū)е露嗄陜鐾翆泳植咳诨?地表塌陷形成凹坑,集水形成的湖塘。隨著全球氣候變暖,凍土區(qū)熱融湖迅速增加。圖7為50°N以北地區(qū)凍土分布圖,圖8為熱融湖演化過程中的碳循環(huán)示意圖。

圖7

圖8

碳循環(huán)是指碳元素在各個圈層之間的循環(huán)過程,比較圖中b、c階段碳循環(huán)過程的差異。

【答題要點】b階段熱融湖吸收少量二氧化碳,向空氣中釋放大量甲烷氣體,增加碳排放,熱融湖成為碳源;c階段水生植物增加,植物通過光合作用吸收大量二氧化碳,碳從大氣圈進入到生物圈和巖石圈,熱融湖成為碳匯。

三、總結(jié)