《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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本文系统梳理并规范了多年冻土区土壤的冷生结构（cryostructure）和冷冻土壤结构（cryogenic soil structure）的野外描述术语与方案，旨在解决长期存在的术语混淆问题，并与美国农业部自然资源保护局（USDA-NRCS）的土壤描述标准接轨。文章明确了冰在土壤中的分布形态（冷生结构）与冰形成过程导致的土壤形态结构（冷冻土壤结构）之间的关键区别，将冷生结构系统划分为非分凝冰、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以实现机器可读的数据采集。该标准化方案将极大促进野外观测数据在多年冻土稳定性、基础设施脆弱性及生态系统响应等景观尺度评估中的整合与应用，为快速变化的北极和亚北极环境下的建模与决策提供亟需的定量数据支持。
引言
多年冻土影响下的土壤形态对于预测和管理冻土融化对生态系统、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。北极和亚北极景观中冰和土壤结构的特征在多个尺度上存在显著变异性，必须更好地描述这种变异性，以改进对地下冰分布的测量、预测和建模。记录这种变异性需要仔细检查三个不同但相关的特征：冷生结构、冷冻土壤结构和冰体积估算。
冷生结构与冷冻土壤结构的区别
冷生结构指的是土壤和沉积物中冰的结构和分布，包括非分凝孔隙冰、分凝冰和块状地下冰。而冷冻土壤结构则是指主要由冰的形成和冻融过程形成的土壤形态结构，指的是由此产生的土壤团聚体的大小、形状和方向。两者之间的区别在土壤和多年冻土文献中可能模糊不清。这些特征是相关的，但并不存在严格的一一对应关系。
现有方案的不足与标准化需求
美国农业部自然资源保护局（USDA-NRCS）目前维护着美国最大的多年冻土影响土壤形态描述数据库。然而，USDA-NRCS的土壤形态描述野外指南并未包含描述冷生结构或估算野外过量（可见）冰体积的标准化方法，也没有定义冷冻土壤结构。与此同时，美国材料与试验协会（ASTM）已经建立了一个用于岩心日志中描述冻土的标准方案，但该方案仅关注冰包裹体的形态，并将冻土分类为不足以用于需要地下冰含量估算的更广泛建模努力的主要形态组。这些限制和不一致性在亟需评估多年冻土融化对基础设施和生态系统影响的区域和局部尺度评估背景下尤为突出，同时也阻碍了将野外观测整合到更广泛的分析和建模工作中。
本文的目标与方案概述
本文旨在概述一种适用于多年冻土影响土壤野外描述的冷生结构和冷冻土壤结构描述的标准化方法。该方案整合了来自俄罗斯和北美文献的现有术语，澄清了长期存在的模糊之处，并提供了与USDA-NRCS土壤描述标准一致的明确指南。该方案将冷生结构分为三个主要类别：非分凝冰、可见分凝冰和冰基质，并引入了用于冰和土壤野外描述的标准代码和参数，以实现与现有土壤信息系统兼容的机器可读数据收集。
冷生结构形态与术语
研究多年冻土影响土壤有着悠久的历史，其中俄罗斯科学家自19世纪中期开始的重大贡献影响了数十年后北美早期的冷冻土壤学研究。源自俄罗斯的地冻学和水冻学术语的误译和误用，在北美采用冻层学方案和描述实践中造成了混乱。随着引入过于关注富冰或贫冰多年冻土、过于详细而无法有效使用或缺乏解释多年冻土形态必要信息的专门方案，情况变得复杂。尽管科学文献中存在许多详细描述冷生结构的方案，但它们在不同地区和国家之间各不相同，没有统一的标准。
本文提出的冷生结构形态方案从多个来源整合而来，并总结了其分类系统。该方案将冷生结构分为非分凝冰、可见分凝冰和冰基质三大类。
非分凝冰
孔隙冰是当水在原位孔隙中冻结时形成的，不会导致冰透镜体的形成。尽管ASTM分类将孔隙冰归入“不可见”组，但最好将其视为“缺乏真正的分凝冰”，因为孔隙中的极细冰晶体可能肉眼可见。非分凝冰的形成理论上是由快速冻结和随后缺乏融化引起的。多孔冷生结构描述了没有可见冰的材料。结构冷生结构用于描述矿物土壤孔隙中可见冰的情况。有机基质冷生结构通常在有纤维质或半分解有机材料中观察到。
可见分凝冰
分凝冰的形成是由于水通过孔隙空间向冻结锋面运动的结果。在干燥土壤中，水汽运输也可能是分凝冰的重要形成机制。分凝冰透镜体的大小和形状取决于许多因素。在本文提出的方案中，属于可见分凝冰类别的冷生结构涵盖了冰包裹体的不同方向和大小，其可见冰体积小于50%。该组包含大多数冷生结构类型，可分为五个一般类别：层状、透镜状、网状、各自的微观变体以及其他类型。
层状冷生结构通常定义为连续的、水平的或倾斜的冰透镜体，其间被具有多孔冷生结构的冻结土壤层隔开。层状冷生结构应描述为平行或非平行，并进一步描述为平面状、波状或弯曲状。
透镜状冷生结构在命名分类和一般形状上与层状相似，但主要的形态差异在于，具有透镜状冷生结构的土壤中的冰透镜体具有锥形末端，并且在观察区域内不是水平连续的。
网状冷生结构的特点是同时具有水平和垂直成分，形成网状结构。这些结构包括规则网状、不规则网状和混沌网状。
微观冷生结构基于大小进行区分。它们可以具有与其他冷生结构类型相似的形状和方向，但分凝冰和冰透镜体之间的空间厚度不应超过1毫米。
其他冷生结构包括冰脉、枝晶状、结壳状、斑状、冰体和水冻层。水冻层是孤立的水平冰带，指示了先前的多年冻土表边界。
冰基质
这些冷生结构类型用于可见冰体积大于50%的层次，可分为三组：悬浮状、块状和楔状冰。块状冰是一个通用术语，用于描述具有最少土壤包裹体的大量地下冰。楔状冰是构成冰楔的一种特定类型的块状地下冰，通过存在叶理和大量垂直取向的气泡可以从形态上识别。
地面冰形态
地面冰形态是解释地面冰形成的关键组成部分，包括空气包裹体大小、形状、方向、分布和丰度，以及冰的透明度和固体包裹体。冰形态对于区分块状地下冰的类型尤其关键。地面冰中气泡的分类类别可以参考相关表格。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。
冷冻土壤结构
冷冻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位。冷冻土壤结构可以发生在多年冻土系统的季节性和永久性冻结土壤中，也可以发生在非多年冻土系统的季节性冻结土壤中。霜冻作用对土壤结构的影响在冻结时最大。最常见的冷冻土壤结构可以认为是USDA-NRCS野外手册中现有的土壤结构类型之一，包括粒状、块状、透镜状和板状结构。
粒状土壤结构被广泛认为是圆形的土壤团聚体。在多年冻土影响的土壤中，地表层次的冻结和融化也能形成强烈的粒状结构。
块状土壤结构在大多数土壤中非常常见，它们主要是由网状冷生结构的形成而产生的。
透镜状冷生土壤结构描述了具有锥形边缘的、更呈平面状的土壤团聚体。
板状结构与透镜状冷生土壤结构外观相似，是在层状冷生结构形成过程中分离出来的、更连续的、呈平面状的团聚体。
冷生结构、冷冻土壤结构和可见冰的完整描述
描述冷冻土壤结构遵循《土壤描述与采样野外手册》中关于土壤结构的相同原则，需要指明结构类型、发育程度和大小。冷生结构的描述应包含类型、发育程度和大小 distinctions。可见冰含量的估算是在野外或从高质量的以往野外工作的岩心图像中估算过量冰的一种简单且具有成本效益的方法。一个完整的层次描述应包括上述三个组成部分：冷生结构的类型、发育程度和大小；冷冻土壤结构的类型、发育程度和大小；以及可见冰体积的估算。
总结
本文提出的方案为描述多年冻土影响的土壤提供了一种标准化方法，该方法与多年冻土文献中的现有术语和USDA-NRCS野外土壤描述规程保持一致。该方案明确了冷生结构和冷冻土壤结构之间的区别，并提供了可见冰体积估算的指南。该方案的实施将确保全面、机器可读的形态描述，从而提高多年冻土影响土壤的野外数据质量，并促进不同来源之间更广泛的数据共享。将野外对冷生结构的观测和冰含量估算整合起来，将为模拟整个北极和亚北极地区的沉降风险和多年冻土稳定性提供宝贵的数据。
