《Journal of Hydrology》：Depth-dependent freeze–thaw propagation and antecedent controls on post-thaw soil water storage in a seasonally frozen basin
编辑推荐：
•在50厘米深度的冻融过程中，稳定状态的冻融过程比3厘米深度的滞后16天和8天。•中位数的冻融完成时间比3厘米深度的稳定冻融过程滞后3天和9天。•解冻后的土壤含水量（SWS）比冻结前的增加了23–32%。•不同地点之间的土壤水分持续性在冻结前后的变化起着主导作用。•冻融过程的描述
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在50厘米深度的冻融过程中，稳定状态的冻融过程比3厘米深度的滞后16天和8天。
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中位数的冻融完成时间比3厘米深度的稳定冻融过程滞后3天和9天。
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解冻后的土壤含水量（SWS）比冻结前的增加了23–32%。
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不同地点之间的土壤水分持续性在冻结前后的变化起着主导作用。
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冻融过程的描述变量对R2的贡献仅为0.8–3.2个百分点。
引言
季节性的土壤冻结通过改变土壤的水力性质以及降水在渗透、径流和地下储存之间的分配，对寒冷和温带地区的水文过程产生显著影响（Cheng et al., 2024, Walvoord and Kurylyk, 2016, Zheng et al., 2018）。当液态水冻结时，土壤的水力传导性和液态水之间的连通性会下降，从而限制了水在土壤中的流动（Ming et al., 2020, Qiao et al., 2025）。春季解冻会逐渐恢复液态水的通路，并影响水分的再分布和流域的水文响应（Xie et al., 2021）。解冻后的土壤水分状态为接下来的蒸发蒸腾和地下排水提供了重要的初始条件（Rahmati et al., 2024）。与气候相关的季节性冻结时间和强度的变化可能会进一步改变春季的土壤水分条件，这凸显了量化解冻后土壤水分储存（SWS）的必要性（Guo et al., 2025, Wang and Gao, 2022, Yu et al., 2024）。
由于大气热强迫随深度减弱和延迟，冻融过程（FT）具有很强的深度依赖性（Gao et al., 2021）。表层土壤对温度变化的反应迅速，而深层土壤由于上层土壤的热缓冲作用，温度变化的幅度较小，相位转变也较晚。因此，冻融前沿可能需要数天或数周才能通过整个土壤剖面。尽管在适当的条件下，水可以在部分冻结的土壤和相连的大孔中继续流动，但表面解冻并不一定意味着深层已经完全解冻（Hu et al., 2023）。大多数监测网络在离散的深度测量土壤温度，而不是连续跟踪解冻前沿。因此，从这些网络得出的冻融完成时间代表的是所有监测深度中最后一个稳定解冻的时间，而不是连续物理解冻前沿的确切通过时间。尽管如此，这种操作定义可以确定所有装有传感器的层是否都恢复到了恒定的正温度，这对于剖面尺度的监测是相关的。这种监测到的冻融滞后现象使得评估剖面尺度的水文恢复变得更加复杂。此外，介电传感器对液态水和冰的响应不同，这限制了在冻结期间对土壤湿度观测数据的解释（Salmabadi et al., 2026）。
解冻后的土壤含水量（SWS）反映了冻结前的条件和寒冷季节的过程（Xie et al., 2021, Pflug et al., 2021）。冻结前的土壤含水量可能保留了与土壤质地、地形和排水条件相关的持续湿润模式的信息，而冻结强度、零 curtain 持续时间、不同步的解冻以及寒冷季节的降水可能会改变这一先验信号（Song et al., 2026）。然而，冻结前后的土壤含水量之间的强相关性可能反映了不同地点之间的持久性差异，而不是单个地点内部的年际连续性（Rahmati et al., 2024）。这两种连续性的来源在水文和监测方面具有不同的含义。不同地点之间的空间持续性表明，由于土壤、地形、植被和排水条件的持久性差异，持续湿润或干燥的地点会保持其相对排名。相反，同一地点内部的年际连续性表明，在冻结前比平均情况更湿润或更干燥的地点，在解冻后往往仍会保持这种年度异常。如果连续性主要是空间上的，那么预测可能主要依赖于持续的地点基线或静态属性。因此，区分这些成分对于过程解释和监测设计都很重要。
虽然冻融过程及其耦合的水-热传输已经被广泛研究（Gao et al., 2022），但在异质景观中，先前储存和寒冷季节条件的相对重要性仍不明确。然而，很少有多地点研究同时明确区分了不同地点之间的持久性湿润差异和同一地点内部的年际连续性，并量化冻融热描述变量是否提供了超出先前土壤含水量（SWS）的额外解释和预测信息。
本研究使用了2019年至2022年三个完整寒冷季节内，山甸河流域34个地点在五个不同深度的连续土壤湿度和土壤温度观测数据。我们测试了三个假设：H1：随着深度的增加，冻融过程会逐渐延迟并且热效应会减弱，导致监测到的冻融完成时间滞后于3厘米深度的稳定解冻；H2：冻结前后的土壤含水量连续性主要由不同地点之间的持久性湿润差异主导，而同一地点内部的年际连续性较弱，并且对剖面深度和时间窗口的定义更敏感；H3：冻结前的土壤含水量比选定的剖面平均冻融描述变量提供了更多关于解冻后土壤含水量的解释和预测信息，而在更深的剖面和空间受阻的验证条件下，预测性能会不稳定。通过将热转变时间与土壤含水量连续性的空间和时间成分分开，本研究提供了一个季节性冻结流域中解冻后土壤水分状态的剖面尺度评估。
章节片段
研究区域
本研究在中国北部的滦河源头区域——山甸河流域（115.5–116.5°E, 41.5–42.5°N）进行。该流域覆盖了内蒙古南部和河北省北部的大约10,000平方公里的土地，具有温带大陆性气候，年平均降水量约为300–500毫米。降水量具有明显的季节性，主要集中在7月至9月，而寒冷季节则以长时间的零下温度为特征。
季节性土壤温度动态和冻融现象
在所有深度上，土壤温度都遵循明显的季节性周期，但其振幅随深度增加而减小（图2a）。3厘米深度的稳定冻结开始时间从11月20日推迟到50厘米深度的12月5日，对应于16天的延迟（95%置信区间：15–19天；P < 0.001）。稳定解冻时间从3月的15日推迟到3月的25日，对应于8天的延迟（95%置信区间：7–12.5天；P < 0.001）（图2b, c；表2，表3）。
不同深度的冻结期持续时间范围从110天到117天不等。
深度依赖的冻融过程和不同步的剖面解冻
冻融动态显示出随着土壤深度的增加而明显的减弱和时间延迟。50厘米深度的稳定冻结和解冻分别比3厘米深度晚16天和8天，而冻结度日数减少了49.7%。这些模式与大气热强迫通过土壤剖面的减弱和相位移动一致（Li et al., 2021, Grünberg et al., 2024）。50厘米深度的层也比3厘米深度的层多保持接近0°C的状态4天，表明过渡过程更慢。
结论
本研究利用34个监测站点在三个寒冷季节的观测数据，区分了深度依赖的冻融时间和解冻后土壤水分储存的先验状态依赖性。50厘米深度的稳定冻结和解冻分别比3厘米深度晚16天和8天。对于0–20厘米的剖面，中位数的冻融完成时间比3厘米深度的稳定解冻滞后3天；对于0–50厘米的剖面，滞后9天。
解冻后的土壤含水量（SWS）比冻结前的平均高了32%和23%。
CRediT作者贡献声明
郑顺生：撰写——原始草案、方法论、概念定义。陈飞：撰写——审稿与编辑、方法论。刘全山：可视化、形式分析。崔宁博：方法论。吴天翱：撰写——审稿与编辑。王志辉：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了厦门理工大学的高层次人才项目（YKJ26005R）的支持。作者感谢SMN-SDR团队和国家青藏高原/第三极环境数据中心提供了本研究所用的土壤湿度和温度观测数据。
郑顺生|陈飞|刘全山|崔宁博|吴天翱|王志辉
