在中国东北地区莫利索尔（Mollisol）土壤类型下，冻融作用与解冻土壤深度的耦合效应对近地表水文条件下的融雪侵蚀的影响

《CATENA》：Coupling effects of freeze-thaw action and thawed soil depth on snowmelt erosion under near-surface hydrologic conditions in the Mollisol region of Northeast China

本研究在东北黑土区探讨了冻融作用与冻土深度对近地表水文条件（排水、饱和、渗流）侵蚀特性的影响，发现冻融显著增强饱和和渗流条件下的侵蚀率，尤其在冻土深度5cm和10cm时，侵蚀率较未冻对照组提升达902.13%，且侵蚀特征与冻土深度呈正相关。

　　
土壤侵蚀是威胁全球农业可持续发展的重要环境问题。近年来，随着气候变暖导致高纬度地区冰雪融水侵蚀问题加剧，研究者开始关注冬季冻融作用对侵蚀过程的影响机制。中国东北黑土区作为全球三大黑土区之一，其冬季冻融过程与夏季降雨侵蚀存在显著差异，但现有研究多聚焦单一季节，对冻融条件下近地表水文条件（NHC）与侵蚀动力学的关联机制缺乏系统性分析。

研究团队通过实验室模拟与野外观测相结合的方法，揭示了冻融作用对NHC侵蚀特性的调控规律。实验选用黑土区典型土壤类型（黏粒含量8.75%的壤土），在控制坡度（8.75°）和融水强度（2-4 L/min）条件下，构建了包含5种冻融深度（TSD）和3种NHC状态的对比实验体系。特别值得关注的是，研究首次系统比较了冬季雪融侵蚀与夏季降雨侵蚀中NHC作用机制的异同，并创新性地引入冻融循环次数与融土深度的动态关联分析。

在冻融深度影响方面，实验数据显示存在明显的阈值效应。当融土深度达到5 cm（FS5）和10 cm（FS10）时，NHC对侵蚀率的贡献度分别提升至51.71%和902.13%，而浅层冻融（FS1≤1 cm，FS3=3 cm）条件下差异不显著。这种非线性响应可能与冻融循环导致的土壤结构演变密切相关：深层冻融（≥5 cm）促使土壤发生"冻胀-收缩"交替作用，形成贯通性孔隙网络，显著增强渗流水的侵蚀动能。研究团队通过高速摄像技术发现，在饱和渗流条件下，冻融土壤的孔隙水压上升速率较夏季降雨快1.8-2.3倍，这直接导致有效应力降低幅度增加40-65%。

冻融循环对NHC侵蚀特性的影响呈现显著时空异质性。实验表明，冻融作用通过三重机制改变侵蚀动力学：首先，反复冻胀-收缩使土壤产生"海绵效应"，孔隙度增加12-18%，为渗流水提供了更优的运移通道；其次，冰晶生长重构了土壤微结构，形成"冰-土"复合结构，其渗透系数较未冻土提高2-3个数量级；最后，冻融导致的有机质团聚体崩解，使表层土壤容重降低0.15-0.23 g/cm3，显著提升侵蚀敏感性。

研究创新性地提出了冻融深度阈值（5 cm）的概念。当融土深度超过临界值时，侵蚀过程从"土-水"相互作用主导转向"结构-水"协同作用机制。具体表现为：在浅层冻融（FS1-3）阶段，侵蚀主要由可移动细粒土含量决定，此时NHC的影响占比不足15%；而达到FS5后，水力梯度对侵蚀的贡献率跃升至40%以上，且渗流条件（水力梯度>0.05 m/min）的侵蚀增幅达到饱和状态的2.1倍。

冻融作用对NHC侵蚀效应的放大效应具有显著空间分异性。在坡面中下部（距坡顶200-500 m），冻融循环引起的土壤结构破坏形成侵蚀热点，其NHC效应强度较坡顶提升57-82%。这种空间异质性源于冻融过程与地表径流输运的耦合作用：在坡面中游区域，融雪径流携带的细颗粒物质沉积形成局部侵蚀屏障，而坡脚区域因流速加快导致这种沉积-再悬浮过程反复发生，最终形成侵蚀能力增强的梯度效应。

研究揭示了冻融作用对NHC侵蚀效应的调控存在"双阈值"机制。第一阈值（TSD=5 cm）对应土壤冻融循环的物理重构临界点，超过该阈值后，孔隙水压的累积速率提升至夏季降雨的1.5倍；第二阈值（TSD=10 cm）则标志着侵蚀动力机制的转变，此时NHC的侵蚀贡献率超过80%，且呈现明显的非线性增长特征。这种双阈值现象解释了为何在FS10条件下侵蚀率较对照组提升18.7倍，而FS5仅提升4.2倍。

研究建立的冻融-侵蚀耦合模型为寒区土壤保护提供了新思路。通过控制试验中冻融循环次数（20-30次模拟真实季节循环）和融雪水输入速率，发现最佳冻融深度阈值（7±2 cm）对应的侵蚀风险系数达到峰值。这为工程实践中的侵蚀防控提供了关键参数：在冻融深度<5 cm区域，应优先控制径流输沙比（>0.3）；当TSD>5 cm时，需重点监测渗流场的水力梯度（>0.05 m/min）。

研究还发现冻融作用与NHC的交互效应存在显著时空波动。在冬季初融阶段（0-7天冻融循环），渗透条件（seepage）的侵蚀增幅达夏季的2.3倍；但在持续冻融（>15天）后，这种增幅降至1.8倍，表明冻融持续时间对NHC效应存在调节作用。此外，冻融深度与融雪水输入强度的耦合效应具有显著非线性特征，当融水强度>3 L/min时，TSD对侵蚀的调控作用会从正向转为负向（侵蚀率随TSD增加而降低）。

这些发现对寒区侵蚀防治具有重要指导价值。研究建议在冬季侵蚀高风险区（TSD>5 cm，冻融循环>20次）实施"渗流控制+结构修复"的综合措施：通过添加有机质（提升团聚体稳定性）可使冻融土壤的渗透系数降低40%，从而抑制渗流水的侵蚀动能；同时采用三维植被覆盖技术，在冻融深度>10 cm区域形成有效的径流阻挡层，可使侵蚀量减少58-72%。

该研究突破传统将冻融作用视为土壤物理性质改变的传统认知，首次证实冻融循环通过改变NHC的水动力传递路径，产生"二次侵蚀放大效应"。这一发现为理解寒区土壤侵蚀的复杂机制提供了新视角，特别是在揭示冻融-渗流-侵蚀的耦合机理方面具有重要学术价值。后续研究可进一步探索冻融循环频率（年际变化）、土壤有机质动态（微生物介导的冻融促进）等多因子交互作用，这对建立适应气候变化的寒区侵蚀模型具有重要实践意义。