冻融循环对高海拔地区短历时强降雨下坡面侵蚀的影响及其泥沙输移机制研究

在全球气候变化背景下，高海拔地区短历时强降雨事件频发，加剧了冻融作用诱发的坡面侵蚀风险。本研究通过模拟降雨实验结合无人机近景摄影测量技术，系统分析了冻融条件下不同坡度（5°–20°）的泥沙输移规律及侵蚀来源变化。结果表明：冻融使累积产沙量和输沙模数分别增加28.1%–60.4%和29.1%–67.2%，并促使侵蚀主导类型由面蚀转为沟蚀。研究为高海拔季节性冻融区土壤侵蚀机制解析和水土保持策略制定提供了重要科学依据。

　　

随着全球气候变暖，高海拔地区短历时强降雨事件的频率和强度显著增加，这类降雨通常指小时雨量超过50毫米、持续时间少于6小时的极端事件。与此同时，冻融循环过程通过破坏土壤结构、降低团聚体稳定性和剪切强度，显著增强了土壤的可蚀性。青藏高原作为“第三极”，其独特的冻融环境和脆弱生态系统对气候变化响应尤为敏感。然而，冻融如何影响强降雨条件下的坡面侵蚀过程和泥沙输移机制，目前仍缺乏系统认知。在这一背景下，研究人员通过控制实验结合先进测量技术，揭示了冻融与坡度交互作用下的侵蚀动态，成果发表于《International Soil and Water Conservation Research》。

研究团队采用人工模拟降雨系统（强度80 mm/h，时长30分钟）和3 m×2 m×0.3 m的土壤槽，对比了冻融与非冻融条件下4种坡度（5°、10°、15°、20°）的侵蚀响应。土壤样品采集自西藏色季拉山海拔4376米的高山草甸土区，属粉壤土（silt loam），冻融后容重降低5.0%，黏聚力下降27.1%，土壤可蚀性K值增加6%。关键技术方法包括：（1）无人机近景摄影测量（DJI Phantom 4 RTK）生成高精度数字高程模型（DEM），用于沟蚀体积提取；（2）径流泥沙定时采集与干重计量；（3）基于切割-填充算法（cut-and-fill）和表面体积工具量化沟蚀与面蚀贡献比例；（4）配对样本t检验评估冻融处理的显著性差异。

3.1. 不同坡度与冻融条件下累积产沙量的变化

累积产沙量随降雨时间呈近似线性增长，且冻融坡面显著高于非冻融坡面（p<0.05）。冻融使产沙量增幅在5°–20°坡度间达28.1%–60.4%，其中10°坡度增幅最大（60.4%）。坡度从5°增至10°时，非冻融与冻融坡面产沙量分别增加116.2%和170.5%，表明坡度与冻融存在协同增强效应。

3.2. 输沙率随降雨历时的变化规律

输沙率随降雨历时呈指数下降，拟合精度超90%（除5°坡度外）。冻融减缓了输沙率下降速率，其常数项绝对值小于非冻融条件。例如在20°坡度下，非冻融与冻融坡面的拟合函数分别为Q=-139.2ln(t)+958.7和Q=-75.2ln(t)+1019.8，说明冻融使土壤持续供给泥沙的能力增强。

3.3. 冻融对输沙模数的影响

冻融使输沙模数增加29.1%–67.2%，其中10°坡度增幅最大（67.2%）。在>5°坡度下，冻融坡面初始输沙模数较低，但随降雨进行反超非冻融坡面，呈现间歇性峰值，可能与沟壁异步崩塌有关。5°坡度因径流能量低，冻融导致的颗粒破碎更易被冲刷，故全程保持较高输沙模数。

3.4. 冻融对沟蚀体积的影响

冻融显著促进沟蚀发育。非冻融坡面沟蚀贡献比例为23%–36%，而冻融坡面达45%–62%，主导侵蚀类型由面蚀转为沟蚀。冻融使沟蚀体积增幅在10°–20°坡度间达116.9%–335.0%，且坡度越小增幅越大，表明冻融在缓坡上对沟蚀的促进作用更显著。

3.5. 坡面侵蚀来源的转变

非冻融坡面泥沙主要来源于面蚀（平均占比69.25%），而冻融坡面沟蚀贡献超50%（平均55%）。冻融通过降低土壤抗剪强度，促进径流汇集和沟道形成，改变了侵蚀泥沙的来源结构。

3.6. 坡度与冻融对侵蚀的贡献率

在10°坡度附近，冻融对输沙模数和沟蚀体积的贡献率分别达52.7%和92.4%，表明此处为冻融作用的临界阈值。随坡度增加，坡度本身的贡献率上升（15°–20°时达59.6%），而冻融贡献率降至40.4%，说明陡坡上水力能量主导侵蚀过程。

研究结论表明，冻融通过破坏土壤结构、增加细粒含量和降低黏聚力，显著增强了短历时强降雨下的坡面侵蚀强度，并改变了侵蚀类型的主导方式。10°坡度是冻融与坡度效应协同作用的临界点。该研究为高海拔冻融区土壤侵蚀预测模型提供了参数依据，强调在未来气候背景下需重点关注冻融与极端降雨的叠加效应，并提出通过植被覆盖、排水优化等措施降低侵蚀风险的实践意义。