北极冻土滑坡对河流沉积物输送的季节性影响：基于卫星遥感的半自动化监测方法

研究人员针对北极冻土退化导致的滑坡(RTS)如何影响流域沉积物输送这一关键问题，开发了基于Sentinel-2和Landsat卫星影像的半自动化算法，实现了滑坡面积、后退速率与河流悬浮沉积物浓度(SSC)的协同监测。通过加拿大西北部Miner河流域的案例研究，发现夏季滑坡后退速率达30 cm/天且与温度强相关(R2=0.78)，下游SSC浓度较上游增加约2倍。该研究为北极冻土区水土耦合过程研究提供了可推广的技术方案。

　　

随着北极地区持续变暖，冻土退化引发的热喀斯特现象正深刻改变着地表景观。其中，后退式冻土滑坡(RTS)通过侵蚀富含冰层的冻土，成为北极流域沉积物的新型来源。这类滑坡不仅重塑局地地形，还可能通过释放封存的有机碳和改变水生生态系统产生级联环境效应。然而，受限于北极地区恶劣的观测条件，目前对RTS侵蚀动力学及其对河流沉积物输送影响的认知仍存在巨大空白，特别是缺乏对季节性动态的系统监测。

针对这一科学难题，达特茅斯学院(Dartmouth College)的研究团队创新性地将多源卫星遥感技术与自动化算法相结合，建立了RTS侵蚀与河流悬浮沉积物浓度(SSC)的协同监测体系。研究以加拿大西北地区Miner河流域一处近30年持续活动的RTS为对象，通过2016-2024年的高频观测，首次揭示了冻土滑坡侵蚀与河流沉积物输送的耦合机制。相关成果发表在环境遥感领域顶级期刊《Remote Sensing of Environment》上。

研究主要采用三项关键技术：基于Sentinel-2影像的种子分割算法自动提取滑坡疤痕区面积；应用傅里叶变换的亚像元位移检测技术(Leprince方法)量化滑坡后退速率；结合Landsat和PlanetScope数据开发多光谱反演模型估算河流SSC。此外，利用ArcticDEM差分分析计算侵蚀体积，并通过邻近流域水文站数据推演物质通量。

3.1 疤痕区面积
通过对比半自动化分割与人工解译结果，发现研究区RTS在8年间面积从5.9公顷扩张至12.6公顷(增幅112%)，线性增长趋势显著(R²=0.94)。两种方法年均误差仅0.39公顷，验证了算法的可靠性。

3.2 滑坡后退速率
12个监测点的平均后退量达103±31米，夏季日均后退速率(10-30 cm/天)显著高于冬季(<2 cm/天)。温度每升高1°C，后退速率增加2.59±0.57 cm/天，呈现强温度依赖性(r=0.88)。

3.3 悬浮沉积物浓度
下游河段SSC平均值(168±120 mg/L)较上游对照点(67±53 mg/L)提高约2倍。季节性分析显示，尽管春季融雪导致SSC初始峰值，但滑坡影响最显著的时段出现在夏末(7-8月)，此时降水驱动的侵蚀物质集中进入河道。

3.5 体积估算
2013-2017年间滑坡侵蚀体积达166,565±13,700 m³/年，折合沉积物通量58,000±19,140吨/年。DEM重建表明总侵蚀量已超633,000 m³，形成10-12米高的裸露冰崖。

研究结论创新性地揭示了北极RTS系统的季节性耦合机制：夏季高温驱动冰崖后退，侵蚀物质暂时堆积于疤痕区；后期降水事件则成为触发沉积物向河道输送的关键因素。这种"存储-释放"过程使得RTS对河流SSC的影响具有明显滞后性。相较于传统地面观测，该研究建立的半自动化方法能以更低成本实现大范围监测，为理解冻土退化区地貌演化与碳循环提供了新工具。特别值得注意的是，研究预测随着北极增温持续，RTS贡献的沉积物通量可能进一步增加，这将深刻影响北极河流的生态功能与全球元素循环。