植被与永久冻土的相互作用决定了边缘永久冻土带土壤水分的分布层次

《Geoderma》：Vegetation and permafrost interactions shape soil moisture stratification in marginal permafrost zones

分层耦合调控高寒区植被-冻土协同影响下的土壤水分垂直分异机制研究。

　　在地球的寒冷地区，土壤水分是地表过程中的关键组成部分，它不仅影响能量交换，还调控着植物生长和碳水循环。随着全球变暖加剧，永久冻土的退化正在改变这些区域的水分格局。尤其是在冻土的边缘地带，土壤水分的变化可能呈现出非线性的、突发的转变。这一现象引起了科学界的广泛关注，因为它不仅影响生态系统的稳定性，还可能对区域水文循环产生深远影响。

本研究聚焦于中国东北部的根河盆地，这是一个典型的冻土过渡区，植被类型和冻土状况在短距离内迅速变化。研究团队通过采集75个浅层土壤剖面（深度为0至3米）和15个钻孔样本（深度可达20米），全面分析了不同植被和冻土条件下土壤水分的垂直分布特征。研究发现，土壤水分在不同深度表现出明显的分层现象，其中表层水分主要受植被类型的影响，尤其是湿地植被，而中层区域则体现出植被与冻土共同作用的耦合效应。在冻土区域，水分在接近冻土表层的位置达到峰值，反映了冻土对水分下渗的抑制作用。这些发现揭示了冻土与植被之间的复杂相互作用如何塑造土壤水分的垂直结构，并为理解冷区水文过程提供了新的视角。

为了深入解析土壤水分变化的驱动因素，研究团队采用了机器学习和结构方程模型（SEM）相结合的方法。通过对25个环境变量进行分析，他们发现表层条件（如湿地覆盖、土壤有机碳含量）对浅层水分的控制作用最为显著，而深层水分则主要受土壤容重和冻土分布的影响。此外，气候因素虽然在直接作用上影响较小，但通过其对土壤热力和结构的间接调控，对水分的维持和转移具有重要影响。这种分层的调控机制表明，冷区土壤水分的变化并非单纯由气候驱动，而是由植被、冻土和土壤结构等多因素共同作用的结果。

研究进一步指出，在冻土边缘区域，水分的垂直分布表现出明显的非均匀性。湿地与冻土的结合显著提高了表层水分含量，而森林和草地则表现出更明显的水分递减趋势。这一现象可能与植被根系的分布、土壤有机质的输入以及微地形的变化有关。在冻土存在的情况下，土壤水分的积累和分布受到冻土表层的强烈影响，这表明冻土在维持水分存储方面具有重要作用。而在非冻土区域，水分的变化则更多地受到季节性降水和土壤结构的调控。这些发现强调了冻土与植被之间相互作用的重要性，特别是在表层和中层区域，两者共同影响水分的分布和保持。

研究还揭示了冻土与植被之间的协同作用如何影响土壤水分的垂直分层。在表层（0至0.5米）中，植被对水分的影响尤为突出，而随着深度增加，冻土的作用逐渐增强。特别是在中层区域（0.5至1.5米），植被和冻土共同作用，形成了一种耦合的调控机制。这种机制不仅决定了水分的分布，还影响了水分的保持和转移。研究还发现，深层水分的积累主要与冻土表层的水文条件有关，例如冻土对水分下渗的抑制作用和冻土边缘的水力传导。这些发现为理解冷区水文过程提供了新的理论支持，也对预测未来冻土退化带来的水文变化具有重要意义。

通过结构方程模型的分析，研究团队进一步明确了土壤水分变化的因果路径。他们发现，土壤容重和冻土存在对水分的直接影响最为显著，而气候变量则通过间接机制（如冻土的保温作用和冻融过程的缓冲效应）对水分产生影响。此外，土壤有机碳含量通过降低容重间接提高了水分保持能力，这表明生物因素在土壤水分调控中具有重要作用。这些结果表明，冷区土壤水分的变化不仅受到表层条件的直接影响，还与深层土壤结构和冻土状况密切相关。

研究的局限性也值得关注。由于观测数据仅来自于一个融雪季节，且气候变量为多年平均值，这可能限制了对季节性和年际变化的全面评估。此外，SEM模型仅解释了43.5%的水分变化，意味着还有其他因素（如地下水深度、侧向流动路径和细粒结构）未被充分考虑。研究团队还指出，冻土表层深度和上覆冻土的水分状况未能被精确绘制，这可能影响对水分动态的全面理解。最后，机器学习模型仅适用于0至1.5米的深度范围，未能涵盖更深层的水分变化。因此，未来的研究需要结合全年水热监测、高分辨率土壤结构分析以及物种级根系数据，以更全面地理解冻土边缘区域的水文过程。

本研究的发现对冷区水文模型的改进具有重要意义。它强调了在建模过程中需要考虑垂直耦合效应，尤其是在冻土与植被相互作用的区域。传统的模型往往忽略了土壤水分的垂直结构，导致对水文过程的预测不够准确。因此，研究团队建议在模型中引入垂直分层的参数化方法，以更好地模拟冻土边缘区域的水分动态。此外，研究还表明，冻土和植被的共同作用在冷区水文调控中具有关键地位，这为制定更有效的生态保护和水资源管理策略提供了科学依据。

综上所述，本研究通过多维度的观测和建模方法，揭示了冻土边缘区域土壤水分的垂直分层特征及其调控机制。这些发现不仅加深了我们对冷区水文过程的理解，还为未来研究提供了重要的理论基础和技术支持。随着全球气候变暖的持续影响，冻土退化可能对生态系统和水文循环产生深远影响，因此，进一步研究冻土与植被之间的相互作用及其对水分分布的影响，对于预测和应对气候变化带来的挑战具有重要意义。