兰新第二双线是世界上第一条修建在高海拔季节冻土区的高速铁路，路基填料采用通常认为是冻胀非敏感性材料的粗颗粒土（A、B组填料）。基于2015-2017年军马场-民乐区间（长约38 km）运营期现场监测发现，部分路段仍有较大冻胀量发生，对列车高速运营存在安全隐患。现场监测结果表明：该区间高铁路基平均冻结期为5个月，最大冻深介于3.0~3.8 m，约是天然冻深的2倍，路基2.7 m以上地层最大冻胀量可达27.5 mm。0~0.5 m级配碎石层含水量很低，控制在4%以内，暖季较高，寒季由于冻结而降低；0.5 m以下地层含水量相对较高，介于8%~15%之间，暖季较低，寒季较高，呈现“正弦”式分布，且随着路基深度增加而逐渐减小。路基冻胀发展过程大致可分为三个线性阶段，其中第二阶段（12月中下旬至次年1月中旬）为冻胀发展最快时期，历时约20天可达到稳定冻胀量。

山地多年冻土的异质性影响其植被类型的分布特征，且对有机碳的分布也具有重要影响。通过采集黑河上游多年冻土区三种典型植被类型（高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原）8个活动层的土壤样品，测定其土壤有机碳密度及其理化性质。结果表明：高寒沼泽草甸土壤有机碳密度最高（49.50 kg·m^-2），高寒草甸次之（11.22 kg·m^-2），高寒草原最低（7.30 kg·m^-2）。土壤有机碳密度的剖面垂直分布特征具有差异性，高寒沼泽草甸土壤有机碳密度随深度变化不明显，高寒草原和高寒草甸土壤有机碳密度随深度逐渐减小，存在显著的表层聚集性。有机碳密度与土壤含水率和细粒含量呈显著正相关，与pH值呈显著负相关关系。一般线性模型结果表明土壤含水率、pH值和土壤颗粒组成解释了96.39%的有机碳密度变异，其中土壤含水率贡献了81.53%，pH值和土壤粒度分别贡献了9.33%和4.75%。研究表明多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征具有明显差异，山地多年冻土土壤含水率是控制有机碳密度分布特征的重要影响因素。

我国新型自主的极轨气象卫星风云3号A星（简称FY-3A）上搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI）为大面积雪监测提供了新的遥感数据源。以中国西北祁连山区为例，分析FY-3A/MERSI传感器积雪与其它地物的图谱特征差异，建立了适用于FY-3A/MERSI的归一化差分积雪指数（NDSI），以此为基础，构建了综合利用多光谱判别指标及土地覆盖类型（LULC）定类辅助的积雪判识模型，生成250 m分辨率的日积雪制图产品。模型通过逐步逼近的树状判别结构，去除了易和积雪混淆的部分乔木林、云、云阴影、水体、湖冰、沙（盐）地等地物，并提出应考虑积雪下覆地表特性的影响，调整设定不同LULC类型的积雪判别阈值约束，实时结合区域LULC影像进行积雪的最终判定与优化。对祁连山区2010-2011年积雪季FY-3A/MERSI影像的积雪制图应用结果表明，该资料能够客观精细地反映积雪的空间分布与动态发展过程。同时利用气象台站积雪观测记录及Terra/MODIS积雪判识结果进行对比验证，结果表明基于FY-3A/MERSI建立的积雪判识模型具有较高的精度和稳定性，特别是提高了云雪区分的效能。

全球变暖引发极端气候事件频发、加剧，是干旱区研究关注的热点科学和社会问题。通过分析祁连山东段古浪河流域1960-2012年日气温、降水数据，研究表明：古浪河流域升温显著，作物生长期、夏日高温日数和热持续日数均在频次和幅度上显著增加，显示出对全球变暖的良好响应。降水存在准3年和准8年的高频波动特征，强降水对年降水影响日趋显著，普通日降水强度则反映出区域差异性，持续干燥日数显示本区呈现湿润化。上述认识可为古浪河流域水资源研究及生态服务提供科技支撑。

过去20多年甘肃河西走廊内陆河流域的水资源管理经历了各类制度改革，不同程度地推动了地表水和地下水的联合管理。但是，由于机构设置及其权限制约以及改革目标差异，河西走廊地区的3个内陆河流域水资源管理效率差异化越来越显著，与石羊河流域相比，黑河和疏勒河流域的监管制度和管理办法并未完全跳出多头管理体制的窠臼，地表水和地下水没有形成有效的联合管理。通过梳理3个流域的水资源管理机构设置和管理模式，总结农业灌溉用水监管的经验教训，对比分析地表水和地下水联合管理措施在实践操作中的利弊，进一步探讨流域联合管理的实践意义和实现路径，寻求普遍适用于内陆河流域水资源的管理办法，保障内陆河流域节水战略的顺利实施。近10 a的实践经验表明：地表水和地下水联合管理是内陆河流域提高水资源利用效率、促进水资源可持续利用最为有效的路径，更是实现区域生态环境绿色发展的必由之路。

植被变化对区域生态系统稳定和生态环境变化有着重要的影响。基于MOD13A3数据，建立了2000-2015年祁连山地区植被覆盖时空数据集，结合DEM和土地覆盖分类数据，分析了祁连山地区植被时空分布格局及变化特征，并利用同期气象数据探讨其对气候变化的响应。结果表明：祁连山植被呈东多西少的分布格局，其空间分布与降水空间分布一致；2000年以来祁连山地区灌丛和高寒稀疏草甸先增后减，山地森林草原和高寒草甸增加；整体上祁连山植被覆盖有转好趋势，这与区域暖湿化有关。

黑河源区河水水文地球化学特征的研究有助于了解黑河源区河水沿流域水质变化概况，对黑河源区生态环境的保护具有积极意义。以黑河源区干流为研究对象，对河水进行取样检测，结果显示：河水化学组成以K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和Cl^-、NO₃^-、HCO₃^-、SO₄^2-为主。通过聚类分析、舒卡列夫分类和Piper三线图分析发现主要离子中，阳离子主要来源于石灰岩风化产物，SO₄^2-主要来源于蒸发岩矿物风化产物和人类活动，HCO₃^-主要来源于纯碳酸盐风化产物。通过对重金属污染调查发现，V、Co、Cu、Pb、Cr、Mn和Zn含量较高，矿山开采是重金属污染的主要来源。

祁连山生态保护与治理一直是国家、地方政府和当地居民高度关注的重点，如何确保该区域水源安全、生态稳定理所当然成为当前工作的重中之重。通过对目前祁连山生态环境现状及保护与修复状况的深入分析，指出了祁连山生态环境保护与修复中存在的问题和面临的挑战，从强化管理体制机制创新、建立综合生态监测系统、开展生态红线划定研究、加快完善生态补偿机制、加强生态修复技术应用示范等方面，为甘肃省推进祁连山生态保护与修复提出了对策建议。

以黑河山区为研究区域，利用Logic回归模型和空间分析技术对山区土地利用进行适宜性评价.以2011年土地利用现状数据作为背景值，构建气温、降水、海拔、坡度、人口密度、水系、交通网、村镇分布8种因子的评价指标体系.采用多尺度训练的方法确定适宜性评价最佳模拟尺度，对土地利用数据和评价因子进行Logic回归分析，得到评价因子对土地利用适宜性的影响程度.利用Spatial Analyst模块对对黑河山区土地适宜性进行评价，为区域土地资源合理利用提供科学参考.结果表明：（1）适宜性评价最佳尺度为210 m（ROC=0.79）.（2）Logic回归结果显示，坡度、气温（β_Temp=1.11）、降水对林地、草地的影响程度较高，同时距道路距离、人口密度（β_Pop=-0.555）对其分布也有重要影响.（3）山区土地利用适宜性排序为：Max_林地=Max_耕地 > Max_建设用地 > Max_裸地 > Max_草地 > Max_水域，林地与耕地最高，适宜性达到0.99.

以祁连山南麓中端野牛沟土壤为研究对象，研究了不同海拔下低温原油降解细菌群落的分布特征。结果显示：研究区域具有原油利用潜力的低温降解菌数量为0.3×10⁵~1.4×10⁵CFU ·g^-1，随海拔的升高，菌群明显减少；同时通过16S rRNA基因序列分析共发现4个门、7个属、25种细菌，其中假单胞菌属（Pseudomonas）和节杆菌属（Arthrobacter）是优势属，并且位于海拔3597m处的菌株原油利用潜力均较高，而变形菌门的不动杆菌属（Acinetobacter）利用原油生长的潜力最高。

草地碳通量组分的区分及其与环境因子的关系是了解生态系统碳循环的重要环节。于2013年6-8月在祁连山中部亚高山草地开展了土壤呼吸及其组分研究，利用根去除法区分根系自养呼吸和土壤微生物异养呼吸。采用LI-8100土壤碳通量系统测定生态系统呼吸、土壤呼吸及土壤微生物呼吸速率，同时测定10cm处土壤温度和5cm处土壤湿度。分析呼吸速率和环境因子的昼夜变化动态，自养呼吸和异养呼吸速率占土壤呼吸速率的比例，呼吸速率与土壤温湿度及与生物量的关系。结果表明：生态系统呼吸、土壤呼吸和土壤微生物呼吸速率的日变化趋势均呈单峰型曲线，具体表现为生态系统呼吸（11.07μmol · m^-2 ·s^-1）>土壤呼吸（6.31μmol·m^-2·s^-1）>异养呼吸（4.92μmol·m^-2 ·s^-1）>自养呼吸（1.39μmol·m^-2·s^-1）；自养和异养呼吸速率分别占土壤呼吸速率的22.03%和77.97%；呼吸速率与10cm处土壤温度呈指数相关，Q₁₀值排序为：土壤微生物呼吸（Q₁₀=3.74）>土壤呼吸（Q₁₀=2.76）>生态系统呼吸（Q₁₀=2.49），呼吸速率与5cm处土壤湿度呈显著线性负相关关系，双因素模型明显提高了呼吸速率与温湿度的相关性，能够分别解释土壤微生物呼吸，土壤呼吸和生态系统呼吸速率变异的89%，79%和62%；地上生物量和呼吸速率之间存在显著线性正相关关系，地下生物量与呼吸速率之间呈二次回归关系（P=0.01），未刈割草地呼吸速率大于刈割草地土壤呼吸速率，刈割一年的土壤呼吸速率大于刈割两年的土壤呼吸速率。

冰川地形是构建冰川流动模型的基础,对于认识冰川响应气候变化的动力机制具有重要意义.在2009年和2014年消融季,使用探地雷达对祁连山老虎沟12号冰川进行了厚度测量和冰下地形观测,获得了沿冰川中流线和多条横剖面的厚度资料,并对中流线上的厚度分布特征和槽谷形态进行了研究.研究结果表明,东、西支冰川的平均厚度分别为190m和150m,东支冰川冰下地形起伏大于西支,支冰川的表面坡度都较缓和.东、西支冰川进入汇合区时厚度分别为122m和157m,由于支冰川的横向挤压和汇流,汇合区中部冰川厚度增加到162m.冰川槽谷形态具有空间差异,东、西支冰川槽谷形态近似于对称的V型,但是在冰川汇合区,槽谷底部变宽,边坡变缓,发育有不对称槽谷.

土壤水热对水源涵养功能的发挥影响较大,为了研究流域空间上的水源涵养功能变化规律,在祁连山大野口流域布设90个土壤水热监测探头,对已取得的100多万个数据采取相关分析、变异系数等方法,研究土壤水热空间的变化特征.结果表明:随海拔增大,土壤水分呈波动性增大趋势,增大率约为2.35%·(100m)^-1,土壤温度呈波动性降低趋势,降低率约为0.74℃·(100m)^-1.半阴坡土壤水分比半阳坡高1.2倍、比阳坡高1.7倍,半阳坡土壤水分比阳坡高1.4倍.半阴坡土壤温度比半阳坡低1.6倍、比阳坡低2.2倍,半阳坡土壤温度比阳坡低1.3倍.土壤水分与其深度呈二次函数的抛物线变化关系,土壤温度与其深度呈线性函数关系,深度每增加10 cm,其温度降低约0.536℃.亚高山灌丛林比乔木林土壤水分高1.5倍、比草地高1.7倍,乔林比草地土壤水分高1.2倍.亚高山灌丛林比乔木林土壤温度低1.6倍、比草地低2.3倍,乔木林土壤温度比草地低1.4倍.高海拔半阴坡灌丛林土壤温度变化最剧烈,低海拔阳坡草地土壤变化较小.研究成果可为探索流域水资源管理及利用提供科学依据和参考资料.

分析了不同放牧强度下青藏高原高寒杂草类草甸植物群落种类组成与结构、物种多样性、生物量的变化状况.结果表明:重牧(HG)条件下草层垂直分化不明显,仅1层结构,而轻牧(LG)和中牧(MG)与对照(CK)条件下禾草和矮嵩草能得到较好的生长,草场垂直结构分异为2层;不同放牧强度下莎草科、禾本科和杂类草的重要值变化趋势不尽相同,HG会导致种类组成的下降,CK和适度放牧下种类组成仍保持较高的水平;尽管短期过度放牧抑制了优良牧草的生长和发育,种类组成降低,但因放牧时间短,组成群落的主要优势种具有较强的耐牧性以及植物生态-生物学特性和遗传性,其群落结构是稳定的;植物地上生物量表现出MG >LG >CK >HG,即适度放牧可提高地上生物量;地下生物量在CK条件下最高,其次为MG、HG和LG,CK、MG与LG、HG有显著性差异.植物根冠比从大到小依次为HG、CK、MG、LG,HG的根冠比显著大于LG.

采用祁连山老虎沟12号冰川2009年RTK测量生成的数字高程模型(DEM), 建立现代冰川表面横截面拟合的二次方程, 结合差分GPS测量的冰碛垄形态, 运用于祁连山摆浪河上游14号冰川和16号冰川全新世以来冰量变化的估算. 结果表明: 新冰期以来冰储量减少0.38 km³, 小冰期以来14号冰川和16号冰川的冰储量分别减少0.016 km³和0.047 km³; 根据祁连山全新世各个时期最大冰川范围的时间, 估计了全新世以来14号和16号冰川冰储量的减少速率, 新冰期以来为12.2×10^-5~15.0×10^-5 km³·a^-1, 小冰期以来分别为4.0×10^-5~5.3×10^-5 km³·a^-1, 11.75×10^-5~15.7×10^-5 km³·a^-1.

对青海省东北部祁连县周边的冰沟、青羊沟和扎麻什林线地区的祁连圆柏进行了树芯采集, 建立了祁连山中部3个样点林线处祁连圆柏的树轮宽度年表. 相关分析显示, 树轮宽度与前一年积雪深度和当年3-6月积雪面积呈显著负相关. 同时, 建立了树轮宽度与前一年9月份积雪深度的转换函数方程, 解释方差为35.9%, 树轮-雪深重建数据能较好的反映积雪深度变化. 重建序列显示, 自1740年以来, 研究区共有3个积雪深度高值时段, 分别为1740-1780年、1825-1880年和1910-1980年. 并且, 在长时间尺度上, 积雪深度变化与祁连山地区以及中国西部其他地区的冰川进退有较好的对应关系. 另外, 积雪深度在年际变化和长期变化上都与温度变化表现为负相关.

冰川物质平衡是冰川连结气候和水资源的纽带, 对其的观测和模拟始终是冰川与气候变化研究领域的重点和前缘之一. 以祁连山黑河流域十一冰川为参照冰川, 结合实测物质平衡验证资料, 建立了基于冰川表面能量平衡的冰川物质平衡模型(物理模型)和基于温度参数、温度-辐射参数和温度-辐射-水汽压参数的三种度日因子模型(统计模型), 并对模拟结果进行了分析及评估. 结果表明: 净辐射是冰川表面最主要的能量来源, 占能量收入的82.3%; 其次为感热供热, 占收入的17.7%. 净长波辐射基本为负, 吸收的热量主要通过融化和蒸发/升华方式消耗, 分别占能量支出的84.7%和15.3%. 加入净短波辐射和水汽压参数的度日因子-物质平衡模型的模拟效果提高显著, 相对误差为7%, 与能量平衡模型的模拟误差6.7%, 相差不大. 研究表明, 能量-物质平衡模型的物理意义明确, 模拟能力强大, 尤其在日尺度上有绝对的优势; 统计物质平衡模型在特定的地理条件和气候条件下表现出不佳, 对于一些极端值的模拟能力欠缺, 但是具有输入变量少, 计算简单的优点. 研究结果对黑河流域乃至整个祁连山地区的冰川物质平衡模拟方法的建立具有参考意义.

大通河源区位于祁连山中东部, 属高山多年冻土区, 利用源区内冻土钻探及监测资料对源区冻土发育的基本特征及变化趋势进行了分析和探讨. 冻土地温分析表明, 源区冻土年平均地温随海拔的变化梯度约为3.82 ℃·km^-1, 且冻土地温与表层覆被条件关系密切. 盆地平原地带多年冻土厚度约为17~86 m, 且以海拔每上升100 m冻土厚度增加约10 m的梯度增加. 多年冻土活动层厚度受海拔地带性作用不显著, 更多地受局地因素的控制, 地表覆被条件成为其主要影响因素. 在气温升高以及人类活动日益增多的影响下, 源区冻土整体处于退化状态, 多年冻土年平均地温以0.0075 ℃·a^-1的速率上升.

受地形起伏影响, 山区流域的水分和能量通量时空分布差异很大. 利用水文模型VIC (variable infiltration capacity)对黑河上游流域的水文和能量时空分布进行了模拟, 并通过观测对模拟结果进行了验证. 结果表明:VIC模型能够较合理地模拟研究区径流过程, 对净辐射的计算也较准确, 模拟得到的部分水分通量和能量通量(感热、潜热和土壤热通量)在趋势上较一致, 但在数量上存在偏差. 积雪过程对研究区的水文和能量循环有重要影响, VIC模型对积雪的模拟偏差较大, 导致了每年4月左右的模拟径流偏低, 也没有模拟出积雪融化导致的土壤含水量上升; 同时, 积雪模拟的不准确也明显影响到能量通量的模拟. 在研究区, 土壤水分变化受土壤冻融影响明显, VIC模型对气温较高、不发生冻融过程的7-9月土壤水分变化模拟较好, 但是在其他月份, 对积雪及表层土壤消融导致的土壤水分迅速增加和土壤冻结导致的土壤水分迅速减少两个过程的模拟比较差; VIC模型能够给出水分和能量各通量的时空分布, 较好地揭示研究流域各个通量的空间异质性及相互影响.

利用SF-300树干液流仪对祁连山中段青海云杉(Picea crassifolia)2011年生长季树干液流进行监测, 研究了在典型天气条件下青海云杉的夜间树干液流特征, 以及气象因子和树形特征对其夜间液流变化的影响. 结果表明:典型晴天、阴天, 夜间树干液流速率分别在(2.78±0.64)~(5.02±1.06) g·cm^-2·h^-1、(2.31±0.62)~(3.94±1.22) g·cm^-2·h^-1之间波动, 其平均值分别为(3.55±0.28) g·cm^-2·h^-1、(3.06±0.24) g·cm^-2·h^-1; 夜间树干液流量分别占当日总液流量的(34.51±6.20)%、(46.06±11.20)%. 夜间树干液流速率与饱和水汽压差、气温呈显著相关关系, 与风速相关性不显著; 夜间树干液流与胸径、树高、边材面积、胸径平方与树高之积呈显著线性相关, 与冠幅相关性不显著. 青海云杉夜间树干液流的变化是其生理特征与环境因素综合作用的结果, 夜间树干液流可能用于夜间蒸腾和植物体内部的水分补充.

积雪反照率在全球气候和能量收支平衡模型中起着重要的作用. 利用祁连山地区大冬树垭口站点反照率实测数据对由TM/ETM+得到的反照率数据进行标定, 然后将TM/ETM+反照率数据通过升尺度对MODIS逐日积雪反照率(SAD)产品在晴空条件下的精度进行了验证. 同时, 发展了一个基于MODIS SAD与AMSR-E SWE数据融合并结合Noah积雪反照率参数化方案估算MODIS SAD数据云下积雪反照率的算法, 通过统计分析纠正了云对积雪反照率的影响, 对云下积雪反照率进行了验证分析. 结果表明:MODIS SAD产品在祁连山地区的精度要低于大面积积雪覆盖的平坦地区(如格陵兰岛), 其平均绝对误差及均方根误差分别为0.0548和0.0727; 云下积雪反照率估算方法可以有效地获取云覆盖下积雪像元的反照率值, 纠正后的无云MODIS SAD数据与地面观测值有较好的一致性, 其平均绝对误差为0.078.