土壤解冻深度通过控制地表径流和入渗来调节高山草甸土壤的融雪侵蚀

《CATENA》：Soil thawed depth regulates snowmelt erosion by controlling surface runoff and infiltration in alpine meadow soil

　　

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  融雪径流主导地表径流形成（贡献率 83.57%）。
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  较高的径流率增强了流动动力学和输沙能力。
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  随着时间推移，更深的融化深度使过程从入渗主导转变为径流主导。
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  融化深度对产沙量的影响取决于融雪径流率。

引言

融雪侵蚀是寒冷地区一种重要的土壤侵蚀类型，在多年冻土区也占主导地位，直接导致地表土壤流失、植被退化和生态系统稳定性降低（Fan et al., 2013; Chen et al., 2021; Shi et al., 2021）。在可比较的水输入条件下，融雪侵蚀可能产生比降雨侵蚀更大的土壤流失。例如，在一个高山流域，1 毫米融雪径流造成的土壤流失量是 1 毫米降雨径流的 1.9 倍（Wang et al., 2023c）。这种增强的融雪侵蚀可能源于融水迅速转化为地表径流，从而增加了泥沙脱离和输运的能力（Wang et al., 2021a）。因此，融雪径流在寒冷地区的融雪侵蚀中起着关键作用。

融雪径流是驱动融雪侵蚀和泥沙输运的水动力输入（Musselman et al., 2021）。其大小主要取决于融雪供水和下垫面条件：积雪深度决定了潜在的融水输入，而植被覆盖和土壤渗透性则调节融水转化为地表径流的比例（Coles et al., 2017; Musselman et al., 2021; Wu and Fang, 2024）。在融雪期间，融水首先被截留在雪盖内；一旦超过积雪储存容量，多余的融水就会被释放并向下输送到土壤表面（Stewart, 2008）。随着融雪进行，表层土壤逐渐融化，允许到达土壤表面的融水渗入融化层（Hou et al., 2026）。当土壤允许足够的入渗时，相当一部分融水渗入融化层，减少了地表径流。相反，当入渗受限时，融水在地表积聚并迅速形成集中的地表径流（Kokulan et al., 2021）。这些过程表明，融化深度可能通过调节土壤入渗以及融水在入渗和地表径流之间的分配来影响融雪侵蚀（Tomaszewska et al., 2020; Musselman et al., 2021）。

以往的研究表明，融化深度可以显著影响融雪侵蚀，但这种效应的大小和方向因实验条件而异。浅层融化层通常与更严重的侵蚀相关，因为有限的入渗促进了地表径流（Sharratt et al., 2000）。与此一致的是，浅层融化深度产生了更高的泥沙浓度，因为摩擦阻力较低且流速较高（Ban et al., 2017b; Van Klaveren and McCool, 1998; Nishimura et al., 2011）。Gao 等人（2018）发现，随着融化深度从 1 厘米增加到 5 厘米，输沙能力下降，然后趋于稳定。然而，这种响应有时不一致。Gao 等人（2021）表明，在低水动力条件下，浅层融化深度促进了侵蚀，但在高水动力条件下则抑制了侵蚀。在相对较低的融水输入下，融雪侵蚀可能更多地受径流形成的控制，而在高水动力条件下，主导控制因素可能转向泥沙供应和输沙能力（Zheng et al., 2024）。这些对比鲜明的结果暗示融化深度的作用可能因不同的融雪径流条件而异。土壤性质、坡度、温度以及实验边界条件的差异可能进一步导致研究间的变异性（Wang et al., 2025）。以往的研究主要评估了径流、泥沙浓度或输沙对融化深度的直接响应（Ban et al., 2017a; Zheng et al., 2024）。然而，很少有研究考察融化深度对不同融雪径流率下融水再分配的变异性影响及其随后的侵蚀响应效应。因此，本研究明确考察了在不同融雪径流率下融化深度如何调节融水分配，以及这种调节如何转化为径流和泥沙响应。

长江源区位于青藏高原（QTP）中部，该地区冰冻圈过程强烈影响区域水文学和水资源（Ahmed et al., 2024）。该地区以广泛的多年冻土和季节冻结土为特征，春季融雪对径流形成贡献巨大（Wang et al., 2023b）。2015 年，长江源区平均冻融侵蚀强度达到 0.38，而强度和严重的冻融侵蚀面积分别约为 42,000 平方公里和 38,500 平方公里（Guo et al., 2017）。高山草甸土壤是长江源区的主要土壤类型之一，并广泛受到土壤冻结和融化的影响（Guo et al., 2015）。季节性变化的融化深度、大量的春季融雪、严重的冻融侵蚀以及广泛的高山草甸土壤共存，使该地区成为研究不同融雪径流输入下融化深度对融雪侵蚀影响的代表性地点。

基于以往发现，我们假设融化深度对融雪侵蚀的影响在不同融雪径流率下有所不同。本研究旨在：(1) 阐明在不同融雪径流率下融化深度调节入渗与地表径流之间融水分配的作用；(2) 确定融雪径流率和融化深度对总地表径流量、总入渗量、产沙量和水力特性的影响；以及 (3) 识别地表径流和产沙量的主导控制因素，以及融化深度如何通过其直接效应以及与融雪径流和入渗的相互作用做出贡献。这些发现凸显了需要将融化深度作为入渗 – 径流分配的动力修饰因子纳入融雪侵蚀模型（Asadi et al., 2026, Chalov and Ivanov, 2023, Sukhanovskii, 2008），同时也为识别春季融雪期间高山草甸土壤侵蚀风险升高的条件提供了依据。

章节摘要

测试土壤材料

采样点位于中国青海省玉树藏族自治州称多县，地处青藏高原（QTP）。其海拔在 3600 米至 5000 米之间。地形中部低，周围山区高，地形起伏显著。该地区气候寒冷半干旱，称多县年平均气温为 -4.66°C，年降水量为 508 毫米（Shao et al., 2011）。春季降雪

融雪面积、径流率、入渗率和侵蚀率的时变特征

图 4 显示，在所有处理下，融雪面积随时间推移而增加。在最低融雪径流率 2 L m^?1 min^?1 下，雪盖随时间缓慢融化。在融雪径流率为 4 L m^?1 min^?1 和 6 L m^?1 min^?1 时，融雪面积迅速增加并逐渐接近水槽最大表面积。

图 5 展示了在整个实验期间，不同融雪径流率下径流率、入渗率和侵蚀率的时变动态

融雪径流控制径流和产沙量的主导作用

融雪径流是驱动融雪侵蚀期间径流形成和泥沙输运的直接水输入（Wang et al., 2021b）。在本研究中，融雪径流同时主导了地表径流和产沙量，但它们的响应模式不同。融雪径流率与总地表径流量呈显著线性关系，但与产沙量呈显著幂函数关系（图 7）。

融雪径流率与总

结论

本研究通过高山草甸不同控制条件下的实验室实验，调查了融化深度如何调节融水分配并影响地表径流量、产沙量和水力特性。得出以下结论：

• (1)
  入渗与地表径流之间的融水分配随融雪径流率和融化深度而变化。在低融雪径流率（2 L m^?1 min^?1）下，未融化土壤（0 厘米）显示出增加

CRediT 作者贡献声明

Wenjun Jiang: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，形式分析，数据管理，概念构思。 Honghu Liu: 撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，数据管理，概念构思。 Sergey Chalov: 撰写 – 审阅与编辑，方法论。 Baoyang Sun: 验证，形式分析。 Jing Liu: 撰写 – 审阅与编辑，方法论。 Pengfei Du:

利益冲突声明

作者声明不存在已知可能影响本论文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（资助编号：4237072403, U2240226）的资助。作者感谢中国西北干旱地区生态水文学国家重点实验室、西安理工大学提供室内实验用冷冻设备。作者还感谢青海省水利厅在野外采样期间提供的支持。Sergey Chalov 得到国家任务的资助

Wenjun Jiang|Honghu Liu|Sergey Chalov|Baoyang Sun|Jing Liu|Pengfei Du|Jianye Ma