量化退化冻滑坡中的冻融侵蚀动态：整合地球物理与实验方法

《CATENA》：Quantifying freeze-thaw erosion dynamics in retrogressive thaw slumps: integrating geophysical and experimental approaches

冻融侵蚀机制研究：基于青藏高原RTS灾害的跨尺度分析发现最大头墙后退速率达2.8米/年，揭示地下冰消融-孔隙水压升-土体失稳的耦合机制，证实融沉系数随冰含量平方增长规律。

　　冻土退化是全球气候变化背景下一个备受关注的环境问题，特别是在高海拔地区。退化性冻土滑坡（Retrogressive Thaw Slumps, RTSs）作为最活跃的冻土退化现象之一，其对地貌和生态系统的广泛影响日益显著。然而，目前对其完整的冻融侵蚀机制仍缺乏系统的量化研究。本文通过整合多种方法的现场调查与受控实验室实验，全面评估RTS引起的侵蚀过程及其对基础设施和环境的潜在影响。

冻土广泛分布于北半球约15%的陆地表面，是冰冻圈中对气候变化最为敏感的组成部分之一。随着全球变暖的加剧，冻土区域正经历前所未有的脆弱性，表现为季节性融化层的加深（压扰）和局部快速发展的热喀斯特特征（脉冲扰动）。在青藏高原（Qinghai-Tibet Plateau, QTP）这一世界上最大的高海拔冻土区，冻土退化呈现出加速的趋势，包括空间范围的缩小、年均气温的上升以及融化层厚度的增加。这种退化不仅改变了冻土本身的特性，还对水文过程、生态系统和工程基础设施产生了深远的影响。

RTS通常发生在具有厚层地下冰或富含冰的冻土坡地，其形成由自然因素（如野火、地震、异常温度升高、河流侵蚀或海岸后退）或人为干扰（如挖掘活动或工程建设）触发，这些因素暴露了地下冰。在融化季节，暴露的地下冰会经历消融，导致其上部的活动层材料失去支撑结构，进而发生重力破坏，如自由下落或半圆形运动。随着活动层的初始不稳定，坡地的上部会形成陡峭的冻结边墙，边墙逐渐后退，暴露出新的地下冰，从而建立一个自我持续的退化循环。这一循环过程推动了坡地的持续后退，伴随着融水带来的沉积物迁移和地貌变化。

RTS的发展不仅反映了冻土退化的程度，还通过植被破坏、土壤水文变化和碳氮循环的中断，从根本上改变了生态系统的动态。其引起的冻融侵蚀影响跨越多个环境领域，对地貌稳定性及生物地球化学过程产生连锁反应。此外，RTS的形成还会导致温室气体的释放，如先前冻结有机物的分解，释放出甲烷和二氧化碳，加剧全球变暖的反馈机制。虽然垂直方向的冻土融化通常需要数十年才能达到数厘米的深度，但横向和向源方向的热喀斯特驱动的快速融化则可能在数天至数年内影响数米深的土壤层，显著增加冻土碳的释放速率。

RTS的发展对高海拔地区的基础设施安全和大型项目规划构成了重要挑战。大量的融化材料迁移会引发相邻结构、交通网络、地下设施、机场和电力设施的不利变形，产生显著的环境、经济和社会影响。在青藏高原，重要的线性基础设施如青藏公路（QTH）、青藏铁路（QTR）和格尔木-拉萨石油管道均面临RTS带来的严重运营风险，典型的影响包括道路被掩埋、走廊中断和工程建设受阻。因此，深入了解RTS的发展和演化过程对于评估其生态和工程影响，以及推动冻土科学和气候变化适应研究具有重要意义。

以往的研究主要采用不同的方法，每种方法都有其优势和局限性。现场调查和遥感技术已成功记录了RTS的形态演变、空间分布和时间变化，这些研究建立了关于RTS发生频率、扩展速率和地貌特征的基础知识。然而，这些方法在冰缘地貌研究中仍主要以定性方式呈现，难以准确识别地下冰的分布，并在量化控制冻融侵蚀过程的基本物理机制方面存在局限。工程导向的研究则更关注基础设施的脆弱性评估和灾害防控策略，为风险管理提供了重要见解，但通常依赖于经验性观察，而非对侵蚀过程的机制性理解。

近年来，地质物理方法在地下结构的表征方面取得了进展，显示出对冻融侵蚀过程的潜在研究价值。作者之前的研究是唯一系统性地应用集成地质物理技术，对青藏高原代表性RTS站点的冻融侵蚀过程进行表征的案例。尽管这些基础研究为RTS的发生和一般行为模式提供了重要见解，但在连接地下冰消融、细颗粒迁移、土壤侵蚀及其连锁环境和工程后果的基本冻融侵蚀机制方面仍存在显著的知识空白。缺乏对这些相互关联过程的系统性和量化评估，使得对环境影响的稳健评估难以实现，也难以制定有效的工程安全防控策略。

本研究通过整合受控实验室实验与现场地质物理表征，弥补了上述不足，提供了对RTS冻融侵蚀影响过程的前所未有的机制性理解。为解决量化冻融侵蚀机制及其环境和工程连锁效应的核心科学挑战，本研究创新性地建立了一个系统框架，结合多种方法的现场调查与受控实验室实验。我们的研究策略包括三个主要目标：（1）量化RTS的空间时间演化动态、侵蚀空间模式以及相关土壤水文性质的变化；（2）表征地下冰的分布特征和消融过程，阐明其对RTS发展的材料基础；（3）通过创新的改良三轴压缩实验验证冻融侵蚀机制，模拟富含冰的冻土融化过程，并揭示微观尺度上的细颗粒迁移现象。这种多层级的研究策略（“现场调查-集成地质物理表征-机制验证”）为理解RTS影响机制建立了一个新的范式，将有助于推进基础冻土科学研究，并为气候变化适应和基础设施韧性规划提供关键支持。

研究区域位于青藏高原的贝吕河地区（Beiluhe River Region, BLR），具体位置为34°51′18″ N, 92°56′12″ E，海拔4637米。该区域处于连续冻土条件下，区域气候参数包括年均气温-3.28°C和年降水量366毫米。现场调查表明，RTS的形成与地下冰的分布密切相关，且其演变过程受到多种环境因素的影响。通过无人机摄影测量、电导率断层扫描、地面穿透雷达和核磁共振等技术手段，研究人员能够对RTS的形态特征、地下冰分布以及水文参数的变化进行系统分析。这些调查结果揭示了RTS的动态特性，为后续的实验室实验提供了重要的背景信息。

实验室实验则通过改良的三轴压缩测试模拟富含冰的冻土融化过程，重点研究地下冰消融对土壤结构的影响。实验结果表明，随着地下冰含量的增加，土壤的沉降系数呈二次增长趋势，这反映了冻融过程中材料特性的变化。同时，融水分析显示，随着地下冰含量的增加，悬浮固体和溶解固体的浓度显著上升，分别达到375–866 ppm和148–423 ppm。这些变化进一步证实了冻融侵蚀过程的复杂性，为理解RTS的形成机制提供了关键的实验依据。

研究结果表明，RTS的侵蚀过程主要通过孔隙压力的增加和冰胶结作用的丧失来实现，这导致了颗粒的增强迁移和土壤的不稳定性。孔隙压力的增加加速了土壤的松散化，使得土壤更容易受到侵蚀。同时，冰胶结作用的丧失减少了土壤的结构强度，使得土壤在融化过程中更容易发生滑坡和塌陷。这种耦合机制不仅影响了土壤的稳定性，还对周围的水文系统和生态系统产生了连锁反应。例如，融水带来的沉积物迁移改变了河流和湖泊的水质，影响了水体的透明度和生态健康。

RTS的形成和演化对高海拔地区的生态环境和基础设施安全构成了重要威胁。随着冻土的退化，地表的稳定性受到影响，可能导致土地的塌陷和滑坡。这些地质活动不仅改变了地貌，还对当地的生态系统造成了破坏，影响了植被的生长和生物多样性的维持。此外，RTS的发展还可能加剧温室气体的排放，进一步推动全球变暖的进程。因此，深入了解RTS的形成机制及其对环境的影响，对于制定有效的环境保护和基础设施安全措施具有重要意义。

在青藏高原，RTS的形成与重要基础设施的分布密切相关。例如，青藏铁路距离研究区域的RTS仅179米，这使得RTS的侵蚀过程可能对铁路的路基稳定性造成严重影响。融水的增加和沉积物的迁移可能导致铁路路基的变形，进而影响铁路的运行安全。此外，RTS的发展还可能对其他基础设施如公路、石油管道和水电站等产生连锁反应，这些基础设施的运营安全同样受到威胁。因此，RTS的形成和演化不仅是一个环境问题，更是一个工程安全问题。

为了应对这些挑战，研究人员采用了多种方法的综合调查策略，包括现场调查和实验室实验。这种多方法的整合不仅提高了研究的全面性，还为量化冻融侵蚀机制提供了更精确的依据。通过现场调查，研究人员能够获取RTS的宏观特征，如形态变化、空间分布和时间演化。而通过实验室实验，研究人员则能够深入研究RTS的微观机制，如地下冰消融、细颗粒迁移和土壤沉降过程。这种多尺度的研究方法使得研究人员能够更全面地理解RTS的形成和演化过程，为制定有效的应对策略提供了科学依据。

本研究的成果不仅有助于深化对RTS形成机制的理解，还为冻土退化和气候变化研究提供了新的视角。通过整合现场调查和实验室实验，研究人员能够更准确地评估RTS对环境和基础设施的影响，为未来的气候变化适应和基础设施韧性规划提供重要参考。此外，本研究还强调了多方法的综合应用在冻融侵蚀研究中的重要性，为后续研究提供了方法上的借鉴。

总体而言，RTS的形成和演化是一个复杂的环境和工程问题，其影响不仅限于冻土本身，还可能波及到周边的生态系统和基础设施。因此，深入研究RTS的形成机制及其对环境和工程的影响，对于推动冻土科学和气候变化适应研究具有重要意义。通过多方法的综合调查和实验，研究人员能够更全面地理解RTS的动态特性，为制定有效的应对策略提供科学支持。这种研究方法不仅有助于提升对冻融侵蚀过程的认识，还为高海拔地区的可持续发展和基础设施安全提供了重要保障。