青藏高原东北部多年冻土区坡面流路径的季节性转变：基于水化学示踪与端元混合分析(EMMA)的解析

针对多年冻土区水文路径季节性变化机制不清的问题，中国科学院团队通过水化学示踪与端元混合分析(EMMA)，揭示了青藏高原东北部冰沟与垭口流域春融期(SSP)以地表/近地表径流(贡献率61%-64%)为主，夏季降雨期(SRP)转为浅层地下流(30-60 cm)主导(～100%)的路径转变规律，发现解冻土壤层对河水酸中和容量(ANC)的缓冲效应(提升38%-45%)，为气候变化下高寒流域水安全评估提供关键理论支撑。

　　

在全球变暖背景下，多年冻土退化正深刻改变着高寒生态系统的水文循环过程。作为"亚洲水塔"的核心区，青藏高原分布着约127万平方公里的多年冻土，孕育了长江、黄河等十大河流。然而，这片脆弱的冰冻圈如何响应气候变化？其内部的水流路径如何随季节更替？这些问题的答案直接关系到数亿人的水资源安全。传统观测手段在极端环境下捉襟见肘，而遥感技术又难以捕捉地下水流动态，使得多年冻土区水文过程研究成为国际前沿难题。

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的Xiong Xiao团队选择青藏高原东北部两个典型流域——冰沟(30.5 km²
)和垭口(1.4 km²
)作为天然实验室。这两个相邻流域海拔相近(3900-4300米)，却因多年冻土连续性差异形成鲜明对比：冰沟分布着不连续多年冻土，而垭口则以连续多年冻土为主。研究团队创新性地采用水化学指纹与端元混合分析(EMMA)技术，在2017年春季融雪期(SSP)和夏季降雨期(SRP)系统采集了降水、坡面径流、河岸土壤水等12类水体样本，通过电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和离子色谱(ICS-900)分析Ca²⁺
、SO₄
^2-
等8种离子，结合稳定同位素(PICARRO L2130-i分析仪)示踪，首次定量解析了不同季节的水流路径贡献比例。

3.1 水文动态的季相节律
每小时水位监测显示：春融期河流呈现显著的昼夜波动，午后17:00出现峰值(1.2 mm/d)，与冰雪消融同步；而夏季则因蒸发增强和夜间降水主导，流量曲线趋于平缓(0.5-0.7 m³
/s)。值得注意的是，尽管垭口流域面积仅为冰沟的1/20，其径流深度(100.7 mm)却反超后者(65.5 mm)，揭示连续多年冻土对产流过程的强化效应。

3.2 水化学指纹的时空密码
离子分析表明：春融期河水Ca²⁺
浓度(807-1259 μeq/L)显著低于夏季(1226-1785 μeq/L)，而Cl^-
则呈现相反趋势。这种"化学钟摆"现象源于春融期雪冰融水携带大气沉降物快速入河，而夏季延长了水-岩相互作用时间。特别值得注意的是，酸中和容量(ANC)从春到夏提升38%-45%，证明解冻土壤层如同天然"缓冲剂"，有效中和了酸性输入。

3.3 水流路径的季相切换
通过EMMA建模发现：春融期冰沟河水61%来自地表径流，22%源于浅层地下水；垭口流域64%为雪融水直接贡献。而夏季所有样本均向浅层地下流(30-60 cm)化学特征收敛，表明冻土活动层增厚使水流路径向深部转移。有趣的是，传统EMMA在夏季失效，暗示强烈的水-岩反应改变了溶质保守性——这如同"化学调色盘"被打翻，各种离子在迁移过程中不断发生置换反应。

4.1 冻土-水文耦合机制
研究首次量化了多年冻土连续性对水流路径的控制：不连续冻土区(冰沟)存在"双层输水通道"，22%水流通过深层路径入河；而连续冻土区(垭口)则形成"浅层快车道"，雪融水占比超六成。这种差异恰似"地质血管"的分布差异——前者发育深层"动脉"，后者更多依赖表层"毛细血管"。

4.2 气候变化的生态涟漪
模型推演显示：若活性层厚度增加1米，浅层地下流贡献将提升15%-20%，导致河水矿化度升高。这种变化可能打破高寒溪流生态系统的离子平衡，影响水生生物膜的光合作用效率。更值得警惕的是，冻土退化可能激活封存的老碳库，通过增强的 subsurface flow 向河流输送大量有机质——这既是"碳炸弹"的引信，也是微生物的"盛宴邀请函"。

该研究发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》，构建了首个青藏高原多年冻土区坡面流路径的定量模型，其创新性体现在：①创建多示踪剂EMMA解析体系，破解了极端环境下的水文黑箱；②揭示ANC缓冲效应的时间窗(38%-45%提升发生在融雪后60天内)；③预测不同海拔流域对气候变化的异质性响应。这些发现为"亚洲水塔"适应性管理提供了量化的科学依据，其建立的hydrochemical tracers组合方案，已被IPCC第六次评估报告列为高寒区水文监测的推荐方法。未来研究需结合²²²
Rn等新型示踪剂，进一步捕捉冻土退化区的地下水-地表水交换通量。