《REVIEWS OF GEOPHYSICS》：Frozen Soil Hydrological Processes and Their Effects: A Review and Synthesis
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本综述系统梳理了冻土（包括季节性冻土和多年冻土）水文过程的关键进展，强调了冻融（FT）动力学、入渗机制、地下水-多年冻土相互作用（如融区发育和对流热传输）及其对河川径流季节性的影响。文章指出，冻土作为“地下冰坝”调控着水碳循环，其退化重组了地下水流路径，加剧温室气体（CO2、CH4）排放，并威胁基础设施稳定。作者呼吁通过分层建模框架、优先观测及水-植被-碳过程整合，提升寒区水资源与气候反馈的预测能力。
1 引言
冻土（包括季节性冻土SFG和多年冻土）覆盖了地球约20%的陆地面积，其存在与否直接调控着土壤的水热性质、水碳能量平衡乃至局地气候。气候变暖正导致北半球季节性冻土和多年冻土范围显著减少，进而引发一系列水文、生物地球化学和工程地质效应。理解冻土水文过程对于预测高纬度、高海拔地区的水资源演变、生态系统反馈及基础设施风险至关重要。
2 冻土中水流与热传输的过程
冻土由固体颗粒、冰、液态水和空气组成。冰的存在使土壤热导率倍增，并显著降低水力传导度。冻土中的水通过水力梯度和 vapor diffusion 运动，冻结过程会形成冰透镜体，而融化则释放储存水，急剧增加土壤湿度。目前主要存在两种理论描述冻土中水热传输：土壤水势理论（强调水势差驱动水分运动）和流体动力学理论（同时考虑水分运动、热量传递和相变）。然而，尚未有普适理论能完全捕捉冻融（FT）过程的复杂性。
3 冻土水文过程的当前进展
3.1 冻土的历史与预估变化
观测显示，气候变暖已导致季节性冻土深度和持续时间减少，多年冻土范围明显萎缩。例如，青藏高原季节性冻深每十年减少4-12厘米，多年冻土温度每十年上升0.3-0.4°C。在高排放情景下，到2100年近地表多年冻土可能消失高达77%。
3.2 冻土变化的水文响应
冻土状态强烈控制水文响应。在季节性冻土区，冻深变浅使春季融化提前，增强入渗，缓和春汛洪峰。而在多年冻土区，融化增加了地下渗透性，促使径流过程从地表主导转向更深层的地下水路径（如通过融区形成）。这种转变通常会增加地下水补给和基流，稳定河川径流。
3.3 多年冻土与季节性冻土水文过程的差异与联系
多年冻石作为下伏不透水层，限制地下水补给，强调地表径流；而季节性冻土在融化期允许更深层的入渗和更高的基流。多年冻土融化形成的侧向融区增强了水力连通性，显著改变地下水流路径。区域上，青藏高原等高山地区的融化可能导致土壤变干，而北极低地融化则常导致湿地扩张。
4 冻土水文过程的效应与启示
4.1 农业与土壤盐渍化问题
冻融过程影响农田径流和侵蚀，并可能通过冻融循环打破土壤团聚体，增加入渗。然而，冻融驱动的水盐重分布会使表层土壤盐分浓缩，威胁作物生产力。管理措施如秋季淋洗和控冻“冷冻脱盐”显示出潜力。
4.2 工程实践与地面沉降
冻融循环会破坏交通基础设施，而多年冻土融化导致的地面沉降和不均匀沉陷威胁建筑物、管道和道路的稳定性。据估计，到2050年，30%–50%的北极基础设施因融化相关损坏而处于高风险中。
4.3 生态意义与植被变化
植被类型和结构调节积雪、土壤隔热和湿度状况，从而调控多年冻土稳定性。融化驱动的水分和养分再分布推动植被组成转变（如灌木扩张）。地下水-地表水连通性对水生生态系统产生季节性热控制，但长期地下水变暖威胁冷水鱼类物种。
4.4 环境与水质量
冻土动态通过改变水流路径和连通性来调节河湖水质。多年冻土融化可能活化污染物（如汞、砷），并增加溶解有机碳（DOC）和主要离子浓度。野火等干扰可进一步动员营养物质和碳，影响下游水质。
4.5 气候变化与温室气体排放
冻土在碳-能量-水文耦合反馈中起控制作用。多年冻土融化在增加水分和养分刺激植物吸收的同时，也导致新融化有机质分解释放CO2和CH4。冻融循环还能引发氧化亚氮（N2O）爆发式排放。模型预测显示，忽略突然融化事件会严重低估未来碳排放。
5 冻土水文过程量化进展
5.1 冻土水文变量测量技术进展
时域反射计（TDR）、核磁共振（NMR）、热脉冲法等技术提高了对未冻水的估算。地球物理方法（如ERT、GPR）和遥感（如SMAP）有助于在景观尺度上测绘冻融状态。宇宙射线中子探测和分布式温度传感（DTS）等技术实现了多尺度监测。
5.2 冻土热-水文耦合模型
模型从描述冻结/融化锋面运动的Stefan类方案，发展到耦合水热传输的复杂数值模型（如SHAW、HYDRUS-1D、COUP）。这些模型通过土壤冻结特征曲线（SFCC）将冰含量与温度和基质势联系起来，表征毛细作用和冰冻吸力。然而，在缩放微观过程、参数化冰阻抗水力学以及表示优先流方面仍存在挑战。
5.3 冻土参数化方案
关键的参数化方案涉及冻融过程、相变、水力传导度、热导率、土壤冻结特征曲线（SFCC）、入渗、水汽运动和冻融锋面。例如，水力传导度通常表示为温度函数、相对渗透率和冰阻抗因子的乘积。热导率则通过混合模型估算，考虑各相比例。准确的参数化对于减少模拟不确定性和提高预测能力至关重要。
6 未来研究方向
未来研究需解决数据稀缺和网络建设问题，特别是在观测稀少的广大寒区。桥接微观过程与流域乃至全球尺度的模型是关键挑战，需要升级网格参数化和嵌套框架。必须加强多年冻土-碳-水文反馈的理解，特别是突然融化过程。地下水与深层过程的研究亟待加强，需要直接观测和耦合的地下水模型。气候变化对水资源的影响评估需整合极端事件和长期预测。新兴技术如人工智能（AI）和机器学习（ML）在数据分析、模型优化和填补观测空白方面潜力巨大。最后，推动包括自然科学、社会科学和工程学在内的跨学科整合，对于制定有效的适应策略至关重要。
7 结论与综合
本综述强调了冻土水文过程在寒冷地区水循环中的基础性作用，以及气候变暖对其动力学的扰动。虽然在表征冻融循环和水热特性方面取得了进展，但在表示非传导热传输、优先流以及上标尺度过程方面仍存在重大不确定性。未来的优先事项包括开发多尺度建模框架、建立全面的冻土属性数据库、增强监测网络以及促进持续的国际跨学科合作，以降低不确定性并为寒区的适应性管理提供信息。
