《CATENA》：Effects of snowmelt runoff process on soil erosion in seasonal frozen districts
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本研究通过模拟不同气候条件下雪融径流侵蚀，揭示了风速、温度和辐射强度对雪融速率及侵蚀力的影响机制，提出结合地表粗糙系数的新型计算方法，并验证了径流深度和流速对侵蚀率的提升作用。结果表明，雪融径流对土壤有机碳、氮、磷的流失具有显著驱动效应。
侯仁杰|罗兰|傅强|李天晓|苏安双|王淼|徐海|张健|杨云平|李青林
东北农业大学水资源与土木工程学院，哈尔滨，黑龙江150030，中国
摘要
为了揭示融雪径流过程中径流侵蚀力对土壤侵蚀的机制，本研究设置了9种气候背景条件（即不同的风速、温度和辐射强度）。在此基础上，研究了不同气候背景下融雪入渗的规律以及径流变化的特点，并分析了由融雪径流引起的土壤侵蚀效应。研究结果表明，风速、温度和辐射强度的增加加速了雪层与外部环境之间的能量传递和交换，促进了雪的升华和蒸发。当风速分别为3 m/s和5 m/s时，融雪速率比1 m/s时分别增加了19.12%和36.76%。基于融雪径流的特点，本研究提出了一种考虑表面粗糙度系数的融雪径流剪切应力计算方法。进一步验证表明，径流深度和流速的增加可以提高流体动力学参数，从而通过力学机制增强作用在表面的摩擦力和阻力。当流速分别为0.043 m/s和0.053 m/s时，侵蚀率分别比坡面流速为0.035 m/s时增加了51.31%和81.36%。此外，随机森林算法的预测结果显示，融雪径流深度、土壤可蚀性和径流剪切应力对土壤水稳聚体的分布和破碎具有重要影响，且融雪径流对总有机碳的驱动作用比对总氮和磷的驱动作用更强。
引言
雪是冰冻圈内地表水文过程的重要组成部分，主要发生在高纬度和高海拔的寒冷地区。它在促进物质循环和维持寒冷地区的能量平衡方面起着关键作用（Costa等人，2020年；Griessinger等人，2019年；Iwata等人，2018年；Liu等人，2023年）。中国东北的黑土区作为重要的商品粮基地，每年出口1.45×10^8吨粮食，对保障区域粮食安全和农业可持续发展具有重要意义（Gao等人，2022年）。作为一个典型的季节性冻土区，该地区经历明显的季节性变化。冬季，土壤在雪层覆盖下冻结；春季，土壤随着雪的融化而解冻。根据长期气象数据分析，中国东北黑土区的年平均雪深在20至25厘米之间，年平均融雪量为4.25×10^10立方米（Wei等人，2023年）。融雪水的入渗显著增加了土壤含水量，对缓解农田的“春旱”具有重要作用。此外，融雪水可以促使表层土壤盐分渗入更深的土层，减轻土壤盐碱化对作物的不利影响（Carroll等人，2019年）。然而，冻土层的存在限制了融雪水的垂直迁移路径，导致部分融雪水以径流的形式流失，从而增加了春季融雪引发土壤质量退化的风险（Al-Houri等人，2009年）。
融雪过程可以通过雪的特性参数直接量化，辐射强度、风速和温度被认为是影响这些参数变化的主要环境因素（Musselman等人，2017年）。具体来说，由于雪的低热导率，辐射产生的热量集中在雪层表面，从而显著加快了表面的融雪速率（Vionnet等人，2012年）。此外，风驱动的机制增强了雪与大气之间的对流热交换，影响了大气-雪-土壤系统的能量传递动态，这对融雪过程至关重要（Mott等人，2018年）。持续的风吹雪作用使雪粒变粗，导致雪粒大小增加、雪密度降低，并增加了雪的升华可能性（Hood等人，1999年）。先前的研究表明，在风速为3.2 m/s时，平均融雪速率比静止条件下提高了15%，潜热能量转换效率提高了50-150%（Li等人，2020年）。此外，温度的升高加剧了环境能量向雪的传递，部分雪发生相变，以水蒸气的形式进入大气，而其他部分转化为雪水并通过雪层垂直迁移或入渗（Jacobi，2012年）。
融雪径流在驱动土壤侵蚀过程中起着关键作用。随着雪的融化，土壤也随之解冻，融雪水的入渗补充了表层解冻层的水分。一旦解冻层中的土壤水分达到饱和，地表径流就开始形成（Wu和Fang，2024年）。此外，在季节性冻土区，当土壤冻结时，液态水转化为固态冰，冰的膨胀导致土壤团聚体颗粒破碎，因此冻融循环过程降低了土壤的结构稳定性（Zhang等人，2021年）。基于此，融雪水促进了小地表沟壑内集中水流的形成，从而加剧了融雪径流施加的剪切力，加剧了土壤流失（Islam等人，2021年）。同时，融雪径流输送低密度沉积物所需的能量相对较少，这促进了细小土壤颗粒的优先扩散和重新分布，增强了地表土壤孔隙的压实（Zhang等人，2024b）。持续的融雪径流减少了土壤的通气性和保水能力，导致地表土壤脱离和养分流失，进而抑制了微生物的代谢和繁殖，影响了种群结构和生物多样性（Chen等人，2024年）。此外，土壤中的污染物通过融雪径流进入水生系统，影响了生态系统的健康和稳定性（Yakutina等人，2015年）。
融雪侵蚀对土壤质量退化有很强的催化作用，表现为黑土层变薄、有机物含量减少和土壤养分流失（Batista等人，2023年；Ma等人，2022年；Pathak和Shah，2024年）。在过去的一个世纪里，高强度的耕作严重侵蚀了中国的黑土，每年土壤流失量约为0.1-0.5厘米，其中融雪径流对土壤退化的贡献超过65%（Liu等人，2024年）。此外，土壤有机物是土壤质量的核心指标，其含量的降低导致土壤团聚体稳定性减弱、养分元素流失和微生物代谢活动减少，从而降低了土壤生产力（Wood等人，2018年）。目前，评估土壤质量的最常用方法是土壤质量指数（SQI），该方法通常关注土壤的物理和化学性质（Sollins和Gregg，2017年）。因此，土壤氮和磷的损失、水稳聚体的大小以及孔隙分布特征被用来表征土壤质量的演变，并作为土壤修复的决策依据。
流体动力学参数作为表征流体能量的核心指标，已广泛应用于河流和降雨等情景下的侵蚀风险预测研究。Moon等人（2025年）提出，地表径流是一种极具破坏性的侵蚀机制，流体动力学参数已被明确确定为影响坡地农田侵蚀的主要因素。Karimi等人（2017年）发现，径流深度的增加增强了土壤侵蚀力，当流体携带细颗粒运动时，对介质表面粘性层和边界层的破坏强度也会增加。特别是在寒冷地区，冻融循环会损害土壤结构的稳定性，削弱土壤的抗侵蚀能力，从而导致融雪侵蚀的强度显著高于降雨侵蚀（Wu等人，2018年）。尽管Ren等人（2024年）分析了融雪侵蚀期间的径流-沉积物耦合关系，但基于融雪期间观察到的土壤和水损失数据。尽管有这些发现，计算融雪径流侵蚀力的综合理论框架尚未建立，这种侵蚀力如何导致土壤质量退化的机制理解仍然不足，这阻碍了对黑土地区土壤侵蚀风险的精确评估。
为此，本研究进行了融雪径流侵蚀的模拟实验，分析了在不同风速、温度和辐射强度条件下的雪消融-入渗-径流生成特性，并创新性地构建了一个考虑表面粗糙度的融雪径流侵蚀力计算理论体系。研究目标如下：（1）阐明变化环境条件下融雪入渗与径流生成之间的反馈机制；（2）分析融雪径流对土壤养分损失的驱动作用；（3）确定融雪流体动力学特性对土壤质量退化的影响机制。研究结果为制定寒冷地区坡地农田的特定侵蚀控制策略提供了理论指导，对保障中国东北黑土区的土地资源可持续利用和粮食安全具有实际意义。
部分内容摘录
土壤样本采集与保存
本实验使用的土壤样本采集自黑龙江省哈尔滨市阿城区（45°23′15″ N, 126°55′37″ E），该地区位于松嫩平原的中心，属于典型的黑土区，具体地理位置如图1a所示。该地区春季多风、降雨量少且干旱频繁，融雪水资源的入渗和补给对缓解春季干旱具有积极的作用
融雪速率
不同处理条件下融雪速率的演变趋势如图2所示。总体而言，融雪速率先增加后减少。以N1处理为例，初始融雪速率为0.75毫米/分钟，72分钟后达到峰值1.06毫米/分钟，但100分钟时的融化速率比72分钟时低32.58%（图2a）。这可能是因为在初始融化阶段（0-80分钟），雪层的孔隙率
影响土壤质量退化的因素分析
图10a显示了融雪流体动力学参数与土壤物理和化学特性之间的相关性分析。总体而言，土壤物理和化学特性与径流深度、土壤可蚀性和径流剪切应力之间存在显著相关性（Ayoubi等人，2018年）。其中，土壤结构（MWD、GMD、WR0.25）与径流深度和土壤可蚀性呈显著负相关，相关系数范围为-0.56至-0.59（Yuan和Fan，
融雪过程中流体动力学参数的演变
气象因素（即不同的风速、温度和辐射强度）调节融雪入渗率，从而改变融雪流体动力学参数，这些参数全面反映了土壤侵蚀抗性特征和由融雪过程驱动的流体能量特性（Zhang等人，2025年）。具体来说，环境温度的升高改变了雪层内的温度梯度分布，提高了雪层中的水蒸气迁移效率
结论
风速、环境温度和辐射强度的增加可以加速外部环境与雪层之间的潜热交换过程。环境温度每升高5°C，融雪速率增加0.13毫米/分钟，径流速率增加0.09毫米/分钟。基于此，开发了一种考虑表面粗糙度的融雪侵蚀力计算创新理论，研究发现，增强的融雪径流会导致小的表面
作者贡献声明
侯仁杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，资金获取。罗兰：撰写 – 原稿。傅强：可视化。李天晓：验证。苏安双：概念化。王淼：数据管理。徐海：正式分析。张健：监督，概念化。杨云平：调查。李青林：软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（52422902、52279035、52409075）、黑龙江省自然科学基金（ZD2023E007）、黑龙江省省级科研院所研发经费项目（CZKYF2024-1-A006）、中国博士后科学基金（2023M740570）、城市水资源与环境国家重点实验室（ES202415）对本研究的支持。
