青藏高原东北部高寒区冻融过程对土壤水分动态的差异性影响及其生态水文机制

针对高寒区冻融过程对土壤水分迁移影响的植被类型异质性问题，研究人员采用SHAW模型模拟了祁连山四种植被类型（灌丛草甸、针叶林、山地草原、荒漠草原）2015-2023年土壤水热动态，揭示了冻融过程中液态水-固态水转化率与植被海拔的显著相关性，发现针叶林土壤固态水比例最高达83.78%，为高寒区水文过程模拟提供了关键参数。

　　

在广袤的青藏高原东北部，每年有长达76%的时间土壤经历着剧烈的冻融循环，这种独特的自然现象像一位神秘的"冰水魔术师"，不断改变着土壤中水分的形态和分布。然而，科学家们发现，当前对冻融过程的认识存在三大谜题：首先，不同植被类型下冻融对水分迁移的差异性影响机制尚未阐明；其次，传统研究多关注液态水动态而忽视固态水转化这一关键环节；再者，高海拔极端环境导致实地观测数据严重匮乏。这些问题严重制约着我们对高寒区水文循环和生态过程的认知。

针对这些挑战，中国科学院西北生态环境资源研究院的研究团队选择祁连山大口子流域作为天然实验室，运用SHAW（Simultaneous Heat and Water）模型这一"数字显微镜"，对2015-2023年间四种典型植被（灌丛草甸、针叶林、山地草原、荒漠草原）覆盖下的土壤进行了水热动态的精细模拟。这项开创性研究近期发表在环境科学领域权威期刊《CATENA》上。

研究团队采用三大关键技术方法：1）基于野外实测数据构建SHAW模型参数体系，该模型能同时模拟水热传输（heat and water transport）与相变过程；2）划分冻融周期为冻结期、完全冻结期、融化期和完全解冻期四个阶段；3）结合海拔梯度（2109-3558米）分析植被类型对冻融效应的调节作用。

【研究区域与实验站点】
研究区位于祁连山中段北坡的过渡带，选取的四个观测站点呈现明显垂直带谱：灌丛草甸分布在海拔3100米处，针叶林位于2900米，山地草原和荒漠草原分别处于2500米和2300米。这种设计巧妙捕捉了海拔-植被-冻融的三维相互作用。

【冻融过程土壤温湿度特征】
观测数据显示，不同植被下土壤冻结启动时间相差达44天（针叶林最早于10月9日，山地草原最晚于11月22日）。模型模拟精度验证指标令人振奋：土壤温度的R²>0.88，NSE（Nash-Sutcliffe效率系数）92%超过0.62，证实SHAW模型能精准捕捉高寒环境的水热耦合过程。

【不同植被类型土壤冻融特征】
研究发现植被类型通过改变土壤质地和微气候，形成独特的"冻融指纹"：针叶林和灌丛草甸土壤具有"低温高湿"特性，其液态水-固态水转化速率是草原的2-3倍。完全冻结期固态水占比呈现梯度变化：针叶林（83.78%）>灌丛草甸（78.71%）>荒漠草原（44.59%）>山地草原（21.25%）。

【结论】
该研究首次系统揭示了植被类型通过调控冻融强度影响土壤水分再分配的机制：1）针叶林和灌丛草甸的厚层有机质像"海绵缓释垫"，延长了冻融周期并增强相变效应；2）冻融过程存在"双阶段转化"特征——冻结期和完全冻结前期促进液态向固态转化，而融化期和完全冻结后期则相反；3）海拔每升高100米，固态水峰值比例增加约12%。这些发现为高寒区生态水文模型提供了关键参数，对预测气候变化下的水资源响应具有重要价值。

讨论部分特别指出，冻融过程创造的"固态水库"是高寒区独特的水文缓冲器，尤其在干旱春季的融水释放对下游补给至关重要。该研究建立的植被-海拔-冻融响应关系，为"亚洲水塔"生态安全屏障建设提供了科学依据。正如审稿专家评价："这项工作填补了高寒区冻融水文学的关键知识空白，其方法论框架可推广至全球类似生态系统。"