地理发散思维的构建
——以冻土为例

刘 磊

(江西省赣州市文清外国语学校)

一、冻土教学应用

(一)冻土基本概况

冻土是地气系统综合作用下的产物,是地球表层重要的组成要素,按所属自然环境及其成因分类归属于冰冻圈。虽然与之相关的概念在高中地理阶段教材中很少涉及,但作为伴随人类认识、改造和适应地球环境系统时的自然地理要素,冻土扮演着重要的角色,因而在中学阶段地理中也常有相关考点的出现。不仅要求学生对冻土所处的寒冷地区地理环境特征有一定的区域认知,而且需要具备分析冻土对人类活动的影响和人类适应冻土环境采取的措施合理性的思辨能力,由单一的冻土概念发散思维到更丰富的地理知识,所以对冻土的学习应该系统全面,并灵活运用于解题思维过程中。

我国大部分发育冻土的环境主要集中在青藏高原、天山、阿尔泰山等高山高海拔地区和中纬度的东北地区。认识冻土的空间分布及其所处的高寒环境背景是学习冻土的第一步,接下来需要了解冻土的基本概念,从定义的角度理解其分布的环境,进而了解冻土的基本构成要素,以及在人类活动和气候变化影响下的演化过程,从而思考其对人类活动的影响。

(二)冻土教学思路

尽管高中地理教材与冻土相关的内容提及较少,初次接触可能会存在一定的困难,但是依据已学的自然地理要素分析的基本方法,教师在授课之前应充分搜集相关资料文献,掌握冻土基本原理。由易到难,引导学生理解冻土分布环境的特点和冻土随气候变化所产生的相关地理要素的变化,有助于加深学生对冻土概念的理解。课堂教学可以借助地理名词概念图的方式展示(图1),带领学生学会将知识进行外延,一方面说明了冻土名词的基本含义,另一方面帮助学生在理解该地理要素的基础之上完善对关联知识的系统掌握。有助于学生将已学零散的新旧知识进行联想,灵活地对知识进行迁移应用,构建全面的地理概念与严谨的知识发散思维逻辑,有助于加深学生对知识的理解、记忆和掌握,提升思维广度和深度,形成更完善、更系统及更综合的知识结构和体系。图1以冻土为关键词,说明了冻土的基本概念:冻土指的是温度在0 ℃以下,含有冰的各种岩体和土壤。冻土作为冰冻圈六大组成要素之一,其上位概念为冰冻圈;其下位概念包括短时冻土、季节冻土和多年冻土,从垂直剖面的结构看冻土则包括冬季冻结、夏季融化的活动层及底部的永久冻结层。

图1

笔者总结发现,冻土在高中地理阶段与多个知识模块有联系,如自然环境、自然灾害、自然资源与国家安全、区域发展和气候变化等(图2),因此可以结合不同领域和方向的相关知识进行教学,训练地理发散思维,由学习冻土的特征拓展至其对特定区域自然地理环境的影响。例如,从冻土的定义去分析其所在的自然地理环境背景以及冻土分布区常见的地貌和植被状况,冻土的变化对自然环境(如水循环、植被和地貌……)的影响等,辅助已有考查冻土的试题进行分析,提高对冻土知识的全面理解和灵活运用。

图2

二、冻土相关的知识模块

(一)自然环境

高寒高海拔地区是冻土的主要分布区,是寒冷地区环境重要组成部分。冻土及底部地下冰、冰川与积雪等要素是多数河流源头的重要补给来源,对其他自然要素的存在起着至关重要的作用。如在高中中国地理的教学中分析东北平原地区多沼泽的成因,除了分析地势低洼、地形平坦、纬度较高导致的蒸发较弱,还需要引导学生联想到冻土这一要素,因为该地地下冻土的分布,使得地表水难以下渗,有利于地表水的保持,使得表层土壤水分充沛,长期处于饱和状态,发育成沼泽,形成特有的湿地生态系统。这一知识点在高考题中就呈现出来,如2021年全国甲卷37题,要求“说明冲积平原水分条件比山坡和冲积扇好的原因。”由题意可知当地位于祁连山,属于青藏高原的东北边缘,较高的海拔使得该地发育成高寒的环境,因此需要学生联想到冻土对地表水的保持(图3)。

图3

【例1】(2021年全国甲卷,37题)(节选)阅读图文材料,完成下列要求。

图3所示的我国祁连山西段某山间盆地边缘,山坡、冲积扇和冲积平原的植被均为草原,其中冲积平原草原茂盛。山坡表面多覆盖有沙和粉沙物质。附近气象站(海拔3 367米)监测的年平均气温为-2.6℃,年降水量约291毫米,集中在夏季,冬春季多风。

说明冲积平原水分条件比山坡和冲积扇好的原因。

【答题要点】地势低平,地表水汇集;地表颗粒物粒径;深层土壤冻结。

(二)自然灾害

冻土分布区的高寒自然地理环境大多是脆弱的,对人类活动和气候变化的响应相当明显。当过多的工农业生产活动干扰冻土环境,或温度显著上升会使得冻土呈现明显的退化,从而产生伴随冻土融化的一系列自然灾害。主要表现在高海拔斜坡冻土层地下冰融化带动土体沿冻融面滑动产生的热融滑塌,以及边坡体垮塌产生的冻融滑坡,谷地低平处冻土退化产生热融湖塘等(图4),造成寒区地貌形态发生巨大变化,寒区草甸、湿地面积退化,生物多样性显著减少等危害,对寒区人类生产活动和生态环境造成较大破坏。

图4

【例2】(2021年广东省选考,20题)[环境保护]

热融湖是因热融作用引起地表塌陷形成的凹坑集水而成。近年来,我国青藏高原上的热融湖发展迅速,在一些地区形成了繁星一样的“星宿海”,冬季湖泊冰面可见一串串甲烷气泡冻结在冰层中。有些热融湖也会出现停止生长现象,湖盆会被水生植物、泥炭和沉积物充填。图4示意青藏高原热融湖景观。

分析青藏高原热融湖的发展对当地自然地理环境的影响。

【答题要点】水域面积增加,改变水循环和局地小气候;生物多样性增加;陆地和水生生态系统改变;改变地表微地貌形态和土壤结构;增加甲烷等温室气体排放;湖盆中的水生植物、泥炭和沉积物,有一定的固碳、储碳作用。

(三)自然资源与国家安全

冻土作为高寒生态系统和地理要素的重要组成部分,其所处区域的资源开发利用与国家安全密切相关,也是国家安全的重要组成部分。如我国青藏高原及东北冻土分布地区的高寒草甸中,水体和植被根系时刻发生着物质与能量交换,草甸减弱了热量向下辐射的速率,为冻土起到隔热保温的作用,而冻土则为草甸根系提供了良好的土壤水分。又如,青藏高原为亚洲大陆上诸多河流的发源地,高原冻土及冰川等所处的高寒环境为大江大河补给水资源提供了天然禀赋,同时为高原及其周边地区提供丰富的生物物种资源和气候资源等,在自然环境和生态系统中发挥着重要的安全屏障作用,因此加强对冻土区域的科学研究与保护,可以进一步维护国家的稀缺资源,保障国家安全。

【例3】(2022届山东省高三第一次学业质量检测,19题)(节选)阅读图文材料,回答下列问题。

天然气水合物(俗称“可燃冰”)常见于深海沉积物或陆上永久冻土中,是由天然气和水在高压低温条件下形成的类似冰状的结晶物质。冻土指温度低于0℃并含有冰的土壤和岩石。天然气水合物具有资源与环境并重的双重意义,不仅作为一种新型能源具有潜在的资源价值,而且还是一种会引起环境效应的不稳定因素。天然气水合物在温度升高或压力降低时会分解释放甲烷气体。甲烷捕获热量的能力是二氧化碳的23倍。图5示意气候变暖引起冻土区天然气水合物系统的演变。

图5

说明全球气候变暖背景下冻土区天然气水合物储量的变化及其对环境产生的影响。

【答题要点】全球气候变暖造成冻土融化,天然气水合物分解,造成储量减少。

影响:天然气水合物分解释放出甲烷,加剧全球气候变暖。

(四)区域发展

地理学关注人类活动与自然环境的关系,区域的可持续发展离不开对自然规律的认识和适应。区域经济发展如交通等基础设施的完善、城镇化水平的提高,在初期阶段不可避免对自然环境产生影响,寒冷地区环境下的经济建设如何做到趋利避害,减轻对冻土环境的干扰,是人类在认识自然环境的基础上需要认真思考的问题,教学中可引导学生思考人类生产与自然环境和谐共处的人地协调观。如冻土融化产生的危害使得寒冷地区经济发展停滞,原有的交通干线、输油输气管道的布局常常会受到冻土的冻胀与融沉出现一系列的问题,影响公路、铁路及能源管道等基础设施(图6)。因此要更好地认识冻土规律与特征,在人类活动中科学地加以利用,进而造福人类。在冻土工程建设中需要注意交通选线;管道布局时应尽可能地少穿过冻土区,或是采取相应措施减轻冻土在季节变化产生的冻胀融沉对生产生活的影响。例如,在青藏铁路的修建过程中,就采取了“以桥代路”“碎石路基”“通风管”“热棒”等措施,减轻路基对冻土环境的影响,以及减轻后期冻土温度变化对铁路安全运营的影响。

图6

【例4】(2015年新课标Ⅰ卷,37题)(节选)阅读图文材料,完成下列要求。

多年冻土分为上下两层,上层为夏季融化、冬季冻结的活动层,下层为多年冻结层。我国的多年冻土主要分布于东北高纬地区和青藏高原高海拔地区。东北高纬地区多年冻土南界的年平均气温在-1～1℃,青藏高原多年冻土下界的年平均气温约-3.5～-2℃。

由我国自行设计、建设的青藏铁路格(尔木)拉(萨)段成功穿越了约550千米的连续多年冻土区,是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结,会危及铁路路基。青藏铁路建设者创造性地提出了“主动降温、冷却路基、保护冻土”的新思路,采用了热棒新技术等措施。图6a示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布,其中西大滩至安多为连续多年冻土分布区。图6b为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。热棒地上部分为冷凝段,地下部分为蒸发段,当冷凝段温度低于蒸发段温度时,蒸发段液态物质汽化上升,在冷凝段冷却成液态,回到蒸发段,循环反复。

图6a所示甲地比五道梁路基更不稳定,请说明原因。

【答题要点】甲地活动层更频繁地冻融,危害路基;甲地夏季活动层厚度较大,冬季有时不能完全冻结,影响路基稳定性。

(五)气候变化

随着工业化进程的加快,化石能源燃烧数量的急剧增加,导致地球上的二氧化碳等温室气体浓度不断增加,大气吸收地面辐射增多,使得大气逆辐射增强,大气保温作用也更强,由此带来的全球气候变暖吸引了越来越多的学者、科研机构、政府部门和国家关注。冻土在环境变化中所起的作用也非常特殊,当气候处于较稳定状态,冻土是地球上重要的碳汇,土体和岩体中冻结的水可以将较多含碳物质进行封存。而当全球气候变暖的趋势加强,储藏在冻土中的含碳物质将随着冻土的融化释放至大气中,此时的冻土成为碳源。

【例5】(2023年广东实验中学高二期中,27题)(节选)阅读图文资料,完成下列要求。

多年冻土作为冰冻圈要素之一,因其对气候变化具有高度敏感性和重要的反馈作用而备受关注。热融湖是因自然和人为原因导致多年冻土层局部融化,地表塌陷形成凹坑,集水形成的湖塘。随着全球气候变暖,冻土区热融湖迅速增加。图7为50°N以北地区冻土分布图,图8为热融湖演化过程中的碳循环示意图。

图7

图8

碳循环是指碳元素在各个圈层之间的循环过程,比较图中b、c阶段碳循环过程的差异。

【答题要点】b阶段热融湖吸收少量二氧化碳,向空气中释放大量甲烷气体,增加碳排放,热融湖成为碳源;c阶段水生植物增加,植物通过光合作用吸收大量二氧化碳,碳从大气圈进入到生物圈和岩石圈,热融湖成为碳汇。

三、总结