季节性冻融期间坡向相关的土壤热环境与相位敏感介电响应对比

《CATENA》：Aspect-associated contrasts in soil thermal regimes and phase-sensitive dielectric responses during seasonal freeze–thaw periods

　　**摘要**- 两条监测坡面的冻融时间存在明显差异。- 南向坡面20 cm深处的稳定融化比北向坡面提前5天。- 0°C等温线初始向下传播速率主要随深度变化。- 温度与介电变异性总体随深度减弱。**引言**在中高纬度半干旱地区，季节性冻融循环强烈调控着土壤的热力和水文过程。土壤水的冻结与融化会改变水力传导率、孔隙连通性、水势梯度以及土壤水的相态分配，从而影响土壤剖面中液态水可利用性的时间和垂直分布（Bo et al., 2021; Sun et al., 2021; Li et al., 2024b; Wang et al., 2024）。冻融过程还能改变地表与地下土壤之间的热量和水汽交换，并可能影响冻结和半冻结剖面中水的季节性重新分配（Wu et al., 2023）。土壤冻结与融化的时间和空间分布也随土地利用类型而异，表明地表覆盖状况可以改变局部的冻融制度（Xu et al., 2022）。由于这些过程受地表能量输入和地下热传导的控制，它们对改变局部辐射、积雪覆盖和近地表温度的地形因素尤为敏感。坡向是地表能量平衡最直接的地形控制因素之一。在北半球，南向坡面通常接收到的太阳辐射多于北向坡面，导致近地表条件更暖、昼夜热变化更大、土壤–大气能量交换更强（Badakhshan et al., 2024; Jiang et al., 2024b）。积雪覆盖进一步加剧了这种差异：南向坡面通常积雪更薄或融化更早，而北向坡面可能保留更厚且持续时间更长的积雪。积雪会减少短波能量向土壤的传递，同时隔绝地面免受大气冷却，因此其净效应取决于雪深、积雪覆盖持续时间、地表辐射和季节性增温的时机（Li et al., 2023b）。融雪时机的改变还会进一步对土壤水分可利用性和植物的季节动态产生递进式控制（Dafflon et al., 2023）。现有方法为冻融过程提供了互补但不完整的视角：土壤温度监测可以识别热状态和0°C等温线的垂直传播，但仅凭温度无法刻画同时发生的、对相态敏感的介电响应；积雪观测和遥感产品可以解析地表状况，但通常无法描述多个深度的地下变化；介电土壤水分传感器在未冻条件下十分有用，但在冻结过程中其信号会受到液态水、冰、矿物颗粒、空气以及与温度相关的介电性质的影响（Spaans and Baker, 1995; Zhang and Gao, 2013）；数值模型可以表征耦合的热–水传输过程，但其结果依赖于参数化方案和野外验证（Fu et al., 2022; Huang and Rudolph, 2023）。因此，坡向相关的表面能量条件差异如何沿土壤剖面向下传递，并如何表现为随深度变化的热力信号和相态敏感介电信号，目前仍不清楚。为进一步从野外证据的角度阐明这一问题，本研究在半干旱黄土–风沙过渡带的南向与北向坡面开展观测。在每条监测坡面上，分别在20、40、60、80和100 cm深度同时记录土壤温度和FDR介电信号，且每条坡面设有三个仪器化土壤剖面。FDR信号被解释为对温度和水土相变敏感的响应，而非对土壤总水含量的直接测量。这些剖面观测与坡向平行方向的太阳辐射、雪深、气温以及土壤物理化学和热力学性质测量相结合。该设计允许在同一0–100 cm监测剖面内评估地表热状况、0°C等温线传播、深度衰减以及介电响应。我们检验了三个假设：(1) 坡向相关的表面能量条件差异将伴随冻融时间和0°C等温线传播的差异；(2) 由FDR推导的相态敏感介电响应在两条监测坡面之间以及不同监测深度之间会有所不同；(3) 土壤温度变异性与FDR信号变异性将随深度逐渐衰减。具体而言，我们预期南向坡面融化更早，浅层热力变异性更大，且浅层介电响应更早出现；而北向坡面维持零度以下温度的时间更长，并表现出更持久的深度相关响应。这些观测为理解依赖深度的冻融响应提供了野外证据，并为后续耦合热–水模型的限制与构建提供了依据。**研究区**本研究在中国内蒙古自治区鄂尔多斯市包家沟村流域（110°25′–110°48′ E，39°42′–39°50′ N）开展，该区域为具有侵蚀沟壑和缓坡特征的半干旱黄土–风沙过渡带（图1）。年平均气温为7.2°C，年降水量约为400 mm，年潜在蒸发量约为1965 mm。主要剖面由黄土覆盖于风沙之上。天然草地主要以……为主**季节性土壤温度制度**在2024–2025年冬季，20 cm深处的稳定融化在南向坡面始于3月22日，在北向坡面始于3月27日，表明北向坡面延后了五天（图4a, b）。从11月下旬至2月初，所有监测深度的土壤温度均下降。南向与北向坡面的近地表最低气温分别达到?18.3和?20.7°C，而100 cm处对应的最低温度分别为?4.8和?8.0°C（图4c, ……）**坡间冻融时间和深度的差异**在观测期内，两条监测坡面表现出对比鲜明的季节性冻融制度。南向坡面对春季增暖响应更快，更早进入浅层昼夜冻融循环，且近地表温度变异性更大；而北向坡面在监测剖面内维持了更冷且持续时间更长的零度以下条件。南向坡面20 cm处的稳定融化比北向坡面提前五天……**结论**高频多深度野外监测揭示了黄土坡面在季节性冻融响应上存在明显差异。南向坡面经历了更强的太阳辐射驱动、更早的浅层融化以及更显著的近地表热力变异性；而北向坡面则出现了更冷且持续时间更长的零度以下条件。季节性冻结在两条坡面均达到了100 cm观测边界，因此实际最大冻结深度无法确定。热力学……**CRediT作者贡献声明****Yu Zhang：** 起草初稿。**Long Li：** 可视化。**Hairu Li：** 指导。**Xiaohui Jia：** 调查研究。**Shangxuan Zhang：** 形式分析。**Yanan Ren：** 资源提供。**资助**本研究由内蒙古自治区科技厅科技支撑计划——内蒙古自治区风沙物理与沙障重点实验室（编号：2025KYPT0043）、国家自然科学基金（编号：42267049）以及"泥岩侵蚀沟坡体失稳机理与沟坡岸综合防治关键技术"项目（编号：2025YFSH0001）资助。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。**致谢**我们感谢编辑和审稿人的建设性意见。我们衷心感谢刘刚教授和谭达川教授提供的宝贵指导与支持。同时感谢内蒙古农业大学干旱区水工生态与环境重点实验室提供的技术支持。Yu Zhang|Long Li|Hairu Li|Xiaohui Jia|Shangxuan Zhang|Yanan Ren