高山盆地中不同土壤深度与对比景观位置下冻融相依赖的水热条件

《CATENA》：Freeze–thaw phase-dependent hydrothermal regimes across soil depths and contrasting landscape positions in an alpine basin

　　

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  提出了一种四阶段框架，用于识别剖面尺度的土壤冻融转换过程。
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  冻结推进阶段的中位持续时间为20天，完全冻结阶段的中位持续时间为182天。
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  冻结相关的零温帘持续时间超过解冻零温帘的两倍。
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  深层土壤表现出延迟且减弱的温度响应。
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  对比样地在样地尺度上表现出明显不同的水热格局。

引言

活动层年冻融循环调节着寒冷地区的水分可利用性、能量分配及生态过程。全球平均地表温度相对于1850–1900年基准期已升高约1.1°C（IPCC, 2021），许多山地地区还表现出与海拔相关的增暖趋势（Pepin et al., 2015）。永久冻土覆盖北半球约15%的陆地面积，储存着大量碳库（Obu et al., 2019; Schuur et al., 2015），对气候变暖尤为敏感，这对碳循环、水文格局及生态系统整体功能具有深远意义。然而，年冻融循环通常使用有限的季节性转换日期加以概括，或简化为二元的冻结与解冻状态（Luo et al., 2020）。年循环是否可被有意义地划分为水热特征各异的转换阶段和相对稳定阶段，以及这些阶段在不同土壤深度和不同景观位置之间如何变化，目前尚缺乏充分的实地观测约束。

在阶段转换过程中，冻结释放约334 kJ kg^?1的潜热，而解冻则吸收等量热量（Zhao et al., 2026）。冰的形成减少了液相水流动可用的孔隙空间，从而降低了冻结过程中的水力传导率（Watanabe and Flury, 2008）。反之，体积膨胀和冻融诱导变形可重新组织孔隙网络，导致土壤孔隙度和孔隙连通性增加或减少，具体取决于土壤性质和初始孔隙形态（Liu et al., 2021; Rooney et al., 2022）。冻结过程中的水分再分配涉及由水势和温度梯度驱动的液相水和水蒸气耦合传输（Zheng et al., 2023），而潜热交换维持了零温帘效应，在此期间土壤温度在数天至数周内保持接近0°C（Outcalt et al., 1990）。以往研究表明，冻融过程显著改变了活动层的土壤蓄水及其水文性质（Yang and Wang, 2019; Lv et al., 2022）。由于冻结与解冻转换过程中热交换和水分再分配的方向与强度各不相同，这些过程无法由单一年统计量充分捕捉。然而，年冻融循环的阶段结构仍缺乏充分表征。现有方法通常利用单个土壤深度上的温度阈值或有限的季节性转换日期来确定冻融时间（Luo et al., 2020; Zuo et al., 2025）。近期的一项综合综述指出了冻土水文在观测与尺度外推方面存在的持续差距，特别是在将冻融动力学与不同时空尺度上的水-热耦合过程相关联方面（Zhao et al., 2026）。因此，基于多深度土壤温度记录识别剖面尺度阶段边界，并利用同步的土壤含水量和热通量观测特征化相应阶段的实地方法仍然有限。

这些动力学过程对青藏高原（QTP）尤为重要，该区域拥有世界上面积最大的中低纬度永久冻土。永久冻土覆盖高原约1.06 × 10⁶ km²（Zou et al., 2017），季节性冻土覆盖面积约为1.45 × 10⁶ km²（Cheng et al., 2019）。青藏高原是亚洲水塔的核心组成部分，为下游近20亿人提供水源（Yao et al., 2022）。过去半个世纪，高原气温以每十年约0.3–0.4°C的速率上升（Gao et al., 2021）。气温升高导致地温上升，进而促进永久冻土退化与活动层增厚。具体而言，1980至2015年间，冻土区0–10 cm深度土壤温度以每十年约0.44°C的速率上升（Hu et al., 2019），活动层厚度以每十年约0.195 m的平均速率增加（Zhao et al., 2020）。冻结土条件的变化可通过改变季节性土壤蓄水和释放以及地下水文连通性来影响径流产生的时间和路径（Jiang et al., 2024; Qin et al., 2024; Zhang et al., 2024）。寒冷地区水源区的稳定同位素研究表明，降水、冻结土上层水和冰冻圈融水均可为河流径流做出显著且空间可变的贡献（Li et al., 2023）。此外，同位素证据表明，冻结土上层水可能受到降水、地下冰融水和融雪水等多种来源的贡献，其相对重要性在消融季节中有所变化（Li et al., 2026b）。这些变化还可能影响植被功能和物候（Jin et al., 2021; Fan et al., 2025），而季节性水热条件对高山草甸地表能量分配具有强烈影响（Hu et al., 2024）。青藏高原季节性冻土的长期观测显示，1960至2014年间冻结开始时间延迟、解冻结束时间提前，最大冻结深度和冻融持续时间均呈下降趋势（Luo et al., 2020）。其他野外研究已刻画了高山草甸中冻融锋的季节性传播及相关水热动力学（Zuo et al., 2025）。然而，本研究将三个监测样地视为用于过程对比的不同景观位置，而非用于解析流域尺度格局的空间网络。

基于上述考量，本研究聚焦于青藏高原东北部青海湖地区的沙柳河流域源头区。我们分析了2021年10月至2025年9月四个固定分析年份内三个对比监测样地的连续观测数据，包括土壤温度、体积含水量（VWC）和土壤热通量。这些观测涵盖了三个完整的、基于事件定义的自然冻融循环。四阶段框架并非在野外监测计划实施前预先设定，而是在监测期结束后，基于土壤温度剖面中反复出现的由浅至深的冻结和解冻序列，在数据分析过程中回溯性地构建的。具体而言，我们的研究目标为：(1) 定义并应用基于多深度土壤温度记录的操作性四阶段框架，以冻结开始（FO）、深层冻结形成（FF）、解冻开始（TO）和解冻完成（TF）作为关键转换节点；(2) 量化各阶段在土壤温度、VWC和热通量方面的差异，并刻画与局部冻结和解冻转换相关的深度特异性零温帘行为；(3) 比较不同土壤深度和三个对比监测样地之间所识别阶段的时序与水热特征。

摘要片段

研究区

研究区为沙柳河流域（37°10′–37°51′N, 99°37′–100°17′E），位于青藏高原东北部青海湖北岸。流域面积约1679.2 km²，沙柳河是青海湖第二大支流（Cui and Li, 2015）。该河发源于大通山脉可可赛尼垭口，海拔约4200 m，河道自西北向东南流经约95 km后注入青海

冻融识别与阶段划分

在2021年10月至2025年9月四个固定分析年份中，三个样地均识别出了FO、FF、TO和TF（表1）。由于2025年TF之后的FO未被观测到，因此仅有三个完整的基于事件定义的自然冻融循环可用于涉及全部四个阶段持续时间的比较。基于来自这些完整循环的9组样地-循环记录，冻结推进、完全冻结、解冻推进和完全解冻阶段的中位持续时间分别为20天

冻融阶段划分的依据及与以往研究的比较

本研究采用的四阶段框架是一种操作性、基于温度的分类，以FO、FF、TO和TF为锚点。其物理基础是监测土壤剖面中反复出现的持续冻结和解冻的垂直推进过程。FO和TO分别标志着在最浅监测深度处冻结和解冻的开始，而FF和TF则标志着所有三个监测深度处这些转换过程的完成。由此产生的各阶段因此能够区分

结论

本研究建立的四阶段冻融框架表明，监测土壤剖面表现出具有对比性持续时间和水-能量特征的不同阶段依赖性水热格局。冻结推进阶段的中位持续时间为20天，而完全冻结阶段的中位持续时间为182天，占冻融循环的最大比例。独立于剖面尺度的四阶段分类之外，深度特异性零温帘分析表明

资金支持

本研究受甘肃省科技重大专项[资助编号：26ZDFA006]、甘肃省重点人才项目[资助编号：2025RCXM057]、国家自然科学基金[资助编号：42367010]以及甘肃省科技计划项目[资助编号：24JRRA168]支持。资助方未参与研究设计、数据收集与分析、结果解释、论文撰写或投稿决定

作者贡献声明（CRediT）

李浩：撰写——初稿，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理。李宗杰：撰写——审阅与编辑，监督指导，资源获取，项目管理，概念框架。王奕萱：软件，数据管理。杨灵睿：撰写——审阅与编辑，形式化分析。刘芳：软件，数据管理。李晓霞：软件。陈泽溪：软件。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Hao Li|Zongjie Li|Yixuan Wang|Lingrui Yang|Fang Liu|Xiaxia Li|Zexi Chen