科研進(jìn)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(jìn)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(chǎn)匯流過(guò)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(píng)估的關(guān)鍵變量，多年凍土深層土壤水分的垂向結(jié)構(gòu)與空間異質(zhì)性研究長(zhǎng)期受兩方面制約：一是衛(wèi)星遙感對(duì)土壤水分的有效探測(cè)深度主要局限于地表淺層（約0–5 cm），二是深層剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)稀缺，導(dǎo)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(jī)制難以被有效刻畫(huà)。
中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院胡國(guó)杰研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京信息工程大學(xué)、蘭州大學(xué)等單位，以我國(guó)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(guò)程及數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)開(kāi)展系統(tǒng)研究，取得了從原位觀測(cè)機(jī)理到全流域精細(xì)制圖的系列進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)在根河流域布設(shè)75個(gè)淺層土壤剖面和15個(gè)深達(dá)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(cè)數(shù)據(jù)。并結(jié)合可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)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(jī)制。
研究結(jié)果顯示，濕地覆蓋、土壤有機(jī)碳等地表與土壤屬性主導(dǎo)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(guò)改變地表溫度條件與凍融過(guò)程，間接影響水分結(jié)構(gòu)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(guò)程認(rèn)識(shí)提供了關(guān)鍵實(shí)地依據(jù)。
在上述觀測(cè)數(shù)據(jù)和機(jī)制認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套融合對(duì)地觀測(cè)大數(shù)據(jù)與可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)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(chǎn)品。
該數(shù)據(jù)產(chǎn)品表現(xiàn)優(yōu)異（R2 = 0.85, RMSE = 0.08 L/L），能精準(zhǔn)刻畫(huà)凍土與濕地共同塑造的“河谷濕潤(rùn)走廊”及干燥高地的空間分異，彌補(bǔ)了SMAP等全球粗分辨率產(chǎn)品難以解析深層與亞公里尺度異質(zhì)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(chǔ)數(shù)據(jù)。
相關(guān)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(guó)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(guó)杰研究員為通訊作者。研究得到科技部基礎(chǔ)資源調(diào)查專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)及冰凍圈科學(xué)與凍土工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)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(diǎn)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(jī)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(lèi)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(jié)果
