《Journal of Hydrology》：Assessing future soil erosion responses to freeze–thaw cycle representation in SWAT in the seasonally frozen Songhua River watershed
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•由于冰的形成，SWAT-FT估计的液态土壤含水量低于SWAT的估计值。•由于雪盖的隔热作用，SWAT-FT能够更准确地估计土壤温度。•SWAT-FT在模拟3月至6月的流量时更为可靠。•与基准情景相比，在未来气候条件下，土壤侵蚀增加了62%至292%。引言自20世纪中叶以来，快速
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由于冰的形成，SWAT-FT估计的液态土壤含水量低于SWAT的估计值。
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由于雪盖的隔热作用，SWAT-FT能够更准确地估计土壤温度。
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SWAT-FT在模拟3月至6月的流量时更为可靠。
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与基准情景相比，在未来气候条件下，土壤侵蚀增加了62%至292%。
引言
自20世纪中叶以来，快速的气候变暖加剧了寒冷环境中的温度驱动型土壤侵蚀，显著影响了环境质量（Beel等人，2021年；Huss等人，2017年；Zhang等人，2022b年）。冻融循环（FTCs）现在被广泛认为是高纬度和高海拔地区土壤侵蚀的主要驱动因素（Ban等人，2016年；Li等人，2023年；Liu等人，2017a年；Liu等人，2017b年；Su等人，2020年）。然而，这些地区的冻融循环机制存在显著差异。在高海拔地区，冻融循环受气候和海拔高度的共同影响（Draebing等人，2022年；Li等人，2021a年；Li等人，2021b年；Xie等人，2015年；Zhang等人，2022a年）。相比之下，在高纬度地区，冻融循环主要由气温变化驱动，这主要反映了气候因素的影响（Chang等人，2022年；Kong等人，2022年；Shelef等人，2022年）。这种由气候驱动的冻融循环特征使得高纬度地区的水文和土壤侵蚀对全球变暖特别敏感（Chen等人，2022年；Guo等人，2019年；Zhai和Fang，2023年）。冻融循环改变了土壤的温度和湿度条件，进而影响径流和土壤侵蚀（Li等人，2021a年；Li等人，2021b年；Williams和Smith，1989年）。此外，未来的气候变化增加了这些季节性冻结的高纬度地区的土壤和水资源损失复杂性（Deng等人，2024年）。然而，很少有研究明确量化未来气候变化对冻融循环的影响以及这些敏感地区土壤侵蚀的变化（Zhang等人，2025年）。因此，对未来气候变化条件下高纬度地区冻融过程对土壤侵蚀影响的全面研究可以为制定有针对性的土壤保护措施提供科学依据。
松花河流域（SRW）位于中国东北部的寒冷温带地区，冬季漫长且季节性冻融循环频繁（Gou等人，2020年；Li等人，2014年）。然而，由于缺乏区域观测数据和基于物理的模型，以往的研究主要集中在永久冻土带，而对季节性冻结地区对气候变化的响应尚不确定（Fouli等人，2013年；Kokelj等人，2017年）。尽管实地和实验室实验增强了我们对季节性冻融循环如何影响土壤水热变化和土壤侵蚀的理解（Chou和Wang，2021年；Nielsen等人，2022年；Wang等人，2021a年），但目前缺乏有效的方法来量化全球变暖背景下流域尺度上的土壤和水资源损失。此外，现有的基于模型的冻融循环研究很少在多个土壤深度、多个变量和所有子流域范围内系统地评估关键的冻融相关变量。具体来说，土壤温度和雪水当量（SWE）在子流域尺度上很少同时进行评估（Grusson等人，2015年；Qi等人，2016b年；Wang等人，2021b年）。这一限制降低了人们对模拟冻融过程及其对水文和土壤侵蚀影响的信心。
近年来，数值模拟已成为量化冻融循环对流域尺度土壤侵蚀和河流沉积物影响的关键方法（Gao等人，2023年；Wang等人，2021b年；Zhang等人，2013年）。土壤和水资源评估工具（SWAT）被广泛认为是最可靠的半分布式水文模型之一（Arnold等人，2012年；Gassman等人，2007年），用于支持区域土壤和水资源管理及政策决策（Mankin等人，2024年）。然而，原始的SWAT模型缺乏模拟冻融循环驱动过程的重要功能，这严重限制了其在寒冷地区农业流域管理中的应用。为了解决这个问题，Qi等人（2016a年）修改了SWAT模型（并将其命名为SWAT-FT），加入了雪盖效应、隔热作用和土壤水分相变，使其能够更好地模拟冻融过程。SWAT-FT模型最初在加拿大开发，随后在美国得到应用，而本研究是该模型在中国的东北部季节性冻结的SRW地区的首次应用。除了首次应用外，我们还在流域尺度上直接评估了关键的冻融相关变量。具体来说，使用ERA5-Land数据评估了所有子流域和多个土壤深度的土壤温度，并使用ERA5-Land和遥感数据集进一步评估了SWE。这些子流域尺度和多变量的评估提高了模拟冻融过程的可信度。此外，我们系统地在流域尺度上量化了未来气候变化情景下季节性冻融循环对土壤侵蚀的影响，发现地表径流的变化是土壤侵蚀变化的主要驱动因素。
本研究对SRW的SWAT模型进行了校准，以：1）评估不同冻融循环表示方法对土壤水热动态和水文过程的影响；2）比较SWAT和SWAT-FT在SRW中的土壤和水资源损失差异；3）探索两种模型在未来的气候变化情景下，水文和土壤侵蚀对冻融循环变化的响应。
章节片段
研究区域
SRW是中国黄金玉米带的核心区域（Gou等人，2020年）。该流域从长白山的天池湖延伸到黑龙江省通江县东北部，跨越吉林省和黑龙江省。其长度超过1,890公里，涵盖了一个约555,540平方公里的宏观流域（Faiz等人，2020年；Li等人，2020年；Lu等人，2022年）。SRW的主要土地利用类型是耕地等。
模型校准和验证
在SRW中，SWAT模型满足了12个流量监测站的R^2和NS校准和验证标准（Moriasi等人，2007年），显示出满意的模型性能。12个流量监测站的最终水文参数范围以及5个沉积物监测站的沉积物产量相关参数在表S4中提供。此外，作物产量的PB值也在可接受范围内（表S5）。
结论
本研究通过严格地将基于物理的SWAT-FT模型与经验SWAT模型在多个空间尺度和季节窗口上进行比较，推进了对冻融循环（FTC）对宏观寒冷地区农业流域水文和土壤侵蚀影响的过程级理解。
一个核心的方法学贡献是分阶段、季节特定的评估框架，该框架表明SWAT-FT在关键时期显著改善了流量模拟。
CRediT作者贡献声明
Beibei Ding：写作——初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、数据分析、概念化。Siying Huangyi：写作——初稿撰写、软件开发。Junyu Qi：写作——审稿与编辑、软件开发、方法论。Srinivasulu Ale：写作——审稿与编辑、软件开发。Puyu Feng：写作——审稿与编辑、资源协调。De Li Liu：。Raghavan Srinivasan：写作——审稿与编辑、软件开发。Yong Chen：写作——审稿与编辑、验证、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能导致影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
