科研進展
大興安嶺邊緣多年凍土區(qū)植被-土壤水分-凍土耦合作用研究獲系列進展
氣候變暖背景下，多年凍土加速退化改變了寒區(qū)流域的產匯流過程與生態(tài)水分格局。作為連接冰凍圈水文建模與生態(tài)評估的關鍵變量，多年凍土深層土壤水分的垂向結構與空間異質性研究長期受兩方面制約：一是衛(wèi)星遙感對土壤水分的有效探測深度主要局限于地表淺層（約0–5 cm），二是深層剖面觀測數(shù)據(jù)稀缺，導致寒區(qū)流域在垂向維度上的高分辨率水分分布規(guī)律及其主控機制難以被有效刻畫。
中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院胡國杰研究員團隊聯(lián)合南京信息工程大學、蘭州大學等單位，以我國大興安嶺根河流域這一典型邊緣多年凍土區(qū)為研究區(qū)域，圍繞植被-水分-凍土相互作用過程及數(shù)據(jù)產品研發(fā)開展系統(tǒng)研究，取得了從原位觀測機理到全流域精細制圖的系列進展。
研究團隊在根河流域布設75個淺層土壤剖面和15個深達20米的鉆孔，獲取了覆蓋森林、草地、濕地等不同下墊面的土壤含水量觀測數(shù)據(jù)。并結合可解釋機器學習與結構方程模型，系統(tǒng)揭示了邊緣多年凍土區(qū)土壤水分的“垂向分層”特征及其控制機制。
研究結果顯示，濕地覆蓋、土壤有機碳等地表與土壤屬性主導了淺層水分分布，土壤容重和多年凍土分布控制了深層蓄水與水分維持。氣候因子則主要通過改變地表溫度條件與凍融過程，間接影響水分結構與分層格局。
該研究系統(tǒng)提出了邊緣多年凍土區(qū)土壤水分的“垂向分層控制體系”概念框架，為完善多年凍土水文過程認識提供了關鍵實地依據(jù)。
在上述觀測數(shù)據(jù)和機制認識的基礎上，團隊研發(fā)了一套融合對地觀測大數(shù)據(jù)與可解釋機器學習的制圖算法，繪制了全流域0–1 m深度、10 cm間隔、30 m分辨率的土壤水分分層數(shù)據(jù)產品。
該數(shù)據(jù)產品表現(xiàn)優(yōu)異（R2 = 0.85, RMSE = 0.08 L/L），能精準刻畫凍土與濕地共同塑造的“河谷濕潤走廊”及干燥高地的空間分異，彌補了SMAP等全球粗分辨率產品難以解析深層與亞公里尺度異質性的不足，為寒區(qū)流域水文模擬與生態(tài)管理提供了可移植的制圖方案與高精度基礎數(shù)據(jù)。
相關成果分別以Vegetation and permafrost interactions shape soil moisture stratification in marginal permafrost zones與Earth observation and machine-learning–based mapping of 0–1 m soil moisture at 10-cm intervals in a permafrost-affected basin為題，發(fā)表在國際期刊Geoderma與International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation（JAG）。西北研究院肖瑤助理研究員為第一作者，胡國杰研究員為通訊作者。研究得到科技部基礎資源調查專項、國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會及冰凍圈科學與凍土工程全國重點實驗室等項目聯(lián)合資助。
論文鏈接：
1. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117596
2. https://doi.org/10.1016/j.jag.2026.105147
根河流域土壤含水量樣點分布及野外采樣示意圖
根河流域土壤含水量垂直分布特征
邊緣多年凍土區(qū)水分垂向耦合機制概念框架圖
全流域高分辨率根區(qū)土壤水分、多年凍土和植被類型分布圖
不同深度層模型精度與基于SHAP的可解釋性分析結果
