《Soil Science Society of America Journal》：Toward a standardization of cryostructure and cryogenic soil structure terminology for the field description of permafrost-affected soils
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本文综述系统整合了俄美文献中的多年冻土术语，厘清了长期存在的概念模糊性，建立了与USDA-NRCS土壤描述标准接轨的多年冻土影响土壤的冷生构造（cryostructure）与冷生土壤结构（cryogenic soil structure）标准化野外描述方案。该方案将冷生构造分为非分凝冰、可见分凝冰和冰基质三大类，并引入了标准化的代码和参数，旨在将定性观测数据转化为可用于评估多年冻土稳定性及景观反馈的定量冰量估算，为快速变化的北极和亚北极环境中的建模与决策提供亟需的标准化、机器可读的现场数据。
引言
多年冻土影响土壤的形态学对于预测和管理融化对生态系统、基础设施及景观的影响至关重要。土壤和多年冻土结构为了解土壤形成过程、水文、古环境记录及潜在景观变化提供了关键信息。然而，描述这种变异性需要仔细考察三个不同但相关的特征：冷生构造（cryostructure）、冷生土壤结构（cryogenic soil structure）和冰量估算。本文旨在建立一个标准化的方法，用于描述多年冻土影响土壤的冷生构造和冷生土壤结构，该方案适用于整合到美国农业部自然资源保护局（USDA-NRCS）的《土壤描述与采样野外手册》指南中，并将协助将野外观测的定性数据转化为标准化的冰含量估算，用于评估多年冻土稳定性及相关景观反馈。
冷生构造形态学与术语
研究团队提出的冷生构造形态学方案整合了来自多个来源的术语，并将其总结于一个按ASTM D4083-89 D18委员会标准组织的表格中。该方案将冷生构造主要分为非分凝冰、可见分凝冰和冰基质三大类。
非分凝冰
非分凝冰是土壤孔隙中原位冰形成的结果，缺乏真正的分凝冰，无论其是否可见。这包括结构无（structureless）、多孔（porous）和有机基质（organic-matrix）等类型。结构无型描述矿物土壤中可见的孔隙冰；多孔型描述矿物或高度分解的有机（Oa层）土壤中不可见的孔隙冰，包括干冻土；有机基质型则描述有机土壤（尤其是Oi和Oe层）中可见的孔隙冰，其形态可呈现类似海绵的结构。
可见分凝冰
可见分凝冰是由水分向冻结锋面移动形成的，导致周围土壤分凝并形成明显的冰透镜体。其形成与冻胀（cryosuction）等现象有关。该类别下的冷生构造可根据冰包裹体的形态和方向进一步分为层状（layered）、透镜状（lenticular）、网状（reticulate）、微（micro）和杂项（miscellaneous）等类型。
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层状冷生构造：定义为连续的、水平或倾斜的冰透镜体，被具有多孔冷生构造的冻结土壤层隔开。可描述为平行或非平行，以及平面状、波状或弯曲状。
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透镜状冷生构造：与层状类似，但其冰透镜体具有锥形末端，在观测区域内不是水平连续的。
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网状冷生构造：其特征是同时具有水平（或亚水平）和垂直（或亚垂直）组分，形成网状结构。可分为规则、不规则和混沌等子类型。
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微冷生构造：根据尺寸区分，可见分凝冰和冰透镜体之间的厚度不应超过1毫米。包括微透镜状、微层状等多种变体。
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杂项冷生构造：包括脉冰（vein）、枝晶状（dendromorphic）、壳状（crustal）、斑状（porphyritic）、冰体（ice bodies）和冰带（ice belts）等，这些冰体由多种潜在过程形成，不具有水平冰透镜体。
冰基质
冰基质描述了可见冰体积含量超过50%的层位，可细分为悬浮（suspended）、块状（massive）和楔形冰（wedge ice）。
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悬浮冷生构造：描述以冰为主的层位，其中有明确的土壤团聚体悬浮其中。
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块状冰：是一个通用术语，用于描述土壤包裹体极少的大量地下冰。
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楔形冰：是一种特定类型的块状地下冰，构成冰楔，其形态可通过存在叶理（foliations）和大量垂直取向的气泡来识别。
地面冰形态学
地面冰形态学是解释地面冰形成的关键组成部分，包括空气包裹体（气泡）的大小、形状、方向、分布和丰度，以及冰的透明度和固体包裹体。气泡形态的分类参数包括类型（圆形、管状）、大小、长度、分布、丰度和方向等。除了空气包裹体，地面冰还可以根据透明度、颜色、冰内包裹体特征以及叶理的存在进行描述。
冷生土壤结构
冷生土壤结构是指主要由冰分凝和冻融过程作用形成的任何土壤结构单元。常见的类型包括粒状（granular）、块状（blocky）、透镜状（lenticular）和板状（platy）结构。
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粒状结构：在多年冻土影响土壤中，地表的冻结和融化作用也能形成强烈的粒状结构，即冷生粒状结构，主要由针冰（needle ice）形成。
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块状结构：在多年冻土影响土壤中非常常见，主要由网状冷生构造形成。
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透镜状结构：当水平冰透镜体（通常是层状和透镜状冷生构造）由于冰分凝和冻胀或垂直裂缝切割的应力而形成时，就会形成透镜状冷生土壤结构。
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板状结构：在外观上类似于透镜状冷生土壤结构，是更连续、呈板状的团聚体，是在层状冷生构造形成过程中分凝出来的。
完整的冷生构造、冷生土壤结构和可见冰描述
对冷生土壤结构的描述遵循与《土壤描述与采样野外手册》中土壤结构相同的原则，需要指明结构类型、发育程度（grade）和大小。冷生构造类型的描述则建议使用简写代码，并同样辅以大小和发育程度的区分。可见冰含量是估算材料中可见冰体积百分比的一种简单且具有成本效益的方法。一个完整的层位描述应包含上述三个组成部分：冷生构造的类型、发育程度和大小；冷生土壤结构的类型、发育程度和大小；以及可见冰量的估算。这些组成部分可以按顺序书写：冷生构造、冷生土壤结构、可见冰量，用分号分隔。
总结
本文提出的方案为描述多年冻土影响土壤提供了一种标准化方法，与多年冻土文献中的现有术语以及USDA-NRCS野外土壤描述协议保持一致。该方案清晰区分了冷生构造和冷生土壤结构，并为可见冰量估算提供了指南。实施该方案将确保全面、机器可读的形态学描述，提高多年冻土影响土壤野外数据的质量，并促进不同来源数据的广泛共享。将这些野外观察和冰量估算整合到风险评估和建模工作中具有巨大潜力，特别是如果数据是以全面、标准化的格式收集、管理和存储的。
