土壤冻融过程引起的地表周期性冻胀与融沉直接或间接的改变地貌特征，促进热喀斯特地貌的形成与发育，显著影响着地表能量平衡、水文循环、土壤质量以及植被生长，是多年冻土区域中最显著的扰动因素之一。尽管现有土壤冻融研究在土壤冻融状态识别方面取得了可观的成果，已发布的热喀斯特地貌数据也有助于更好地了解区域内热喀斯特地貌的分布和形态演变，但相关研究往往较少将热喀斯特扰动与冻融过程联系起来。
本文通过识别青藏高原热喀斯特地貌为冻融扰动区（Freeze–Thaw Disturbance Region, FTDR），提出了一种基于FTDR分布密度特征的冻融扰动指数（Freeze–Thaw Disturbance Index, FTDI），并进一步探讨其与土壤冻融过程之间的关系。结果显示，FTDR覆盖青藏高原总面积的8.85%，主要分布在高原中部和东部地区。这些区域通常具有较长的地表冻结期，且年平均地温（MAGT）接近0 ℃，土壤对变暖十分敏感，更易发生冻融扰动；高原大部分地区的FTDI值较低，而FTDI高值区域通常对应着较高的土壤湿度水平以及由气温升高引发的更高的地表融化概率。此外，研究还发现，FTDI较高的区域往往富含大量有机碳，并呈现植被返青期推迟的趋势，表明冻融扰动不仅影响地表形态，也可能通过影响土壤和生态系统过程而产生更深层次的生态效应。FTDI 的提出为冻融扰动的定量化评估提供了新的参考框架和科学依据，为在气候变化背景下研究冻融过程提供了新的视角。
该项成果以"Soil Freeze–Thaw Disturbance Index and Its Indicative Significance on the Qinghai–Tibet Plateau"为题，发表在《Remote Sensing》期刊上（2025, 17(22), 3682）；对应的冻融扰动指数FTDI数据集已公开发布在国家青藏高原科学数据中心，可开放获取。
本研究基于随机森林模型，利用Sentinel-2卫星影像识别青藏高原以热侵蚀沟（Thermal Erosion Gullies, TEG）为主要地貌特征的FTDR空间分布，并基于地貌扰动区域的面积密度指标换算为FTDI，即某一区域内FTDR的分布密度越高，表示该区域受冻融扰动的影响程度越大（图1）。FTDR样本由Google Earth高分辨率影像通过目视解译获得，共收集样本51,176个，其中包括7,561个FTDR样本和43,615个非FTDR样本。样本按7:3的比例随机划分为训练集和测试集，以确保模型训练的代表性与独立验证的可靠性。基于无人机航拍数据和祁连山多年冻土区斜坡热喀斯特数据集（10.5194/essd-16-2033-2024）的验证结果显示，17个无人机图像采集站点上FTDR的平均识别精度为85.61%，大多数站点的精度高于75%；而斜坡热喀斯特数据集中522个热侵蚀沟特征中的461个与本研究识别的FTDR像元重叠，一致性达到88.34%。上述验证结果说明，本研究中识别的FTDR具有较高的准确性和可靠性，能够有效地代表青藏高原地区冻融扰动的空间分布。
图1 青藏高原土壤冻融扰动指数估算
FTDR的识别结果表明，冻融扰动区域主要分布在青藏高原中部和东部地区（图2），总面积约为2.96 × 10⁵ km²，占青藏高原总面积的8.85%。其中约42%的FTDR位于多年冻土区，58%分布在季节冻土区。FTDR的空间分布呈现出明显的地带性特征，主要集中在不连续多年冻土区以及多年冻土与季节冻土区的过渡带。对FTDR与非FTDR区域不同环境因子的对比分析结果显示（图3），FTDR主要分布在海拔3000–6000 m的范围内，平均海拔为4445 m，其中约87.7%位于4000–4800 m之间。FTDR更倾向于发育在坡度较缓的区域，其平均坡度为4.23º，低于非FTDR区域的平均坡度6.47º。在冻土热状况方面，FTDR区域的平均地温为0.28 ℃，高于非FTDR区域的0 ℃，且大多数FTDR的地温集中在0 ℃附近。基于1980–2020年ERA5-land表层土壤水分均值的分析结果显示，FTDR区域的土壤含水量（中值0.37 m³/m³，范围0.36–0.38 m³/m³）也显著高于非FTDR区域（中值0.30 m³/m³，范围0.15–0.37 m³/m³）。上述结果表明，FTDR多分布于较为暖湿的多年冻土或过渡型多年冻土区域。
图2 青藏高原冻融扰动区域FTDR
图3 FTDR和非FTDR区域内的(a) DEM、(b)坡度、(c) MAGT和(d) SM
基于FTDR的空间分布，本研究计算了青藏高原的冻融扰动指数FTDI（图4）。结果显示，青藏高原冻融扰动较强烈的区域主要分布在青海省南部与东北部、西藏自治区东北部以及四川省西部。同时，结合MAGT以及SM数据的分析结果显示（图5），FTDI与MAGT呈显著负相关，与SM呈显著正相关，说明越接近0℃的正温地表以及较高的土壤含水量，均会对土壤形成更强的冻融扰动。
图4 青藏高原冻融扰动指数FTDI
图5 不同FTDI值与MAGT (a)和SM (b)之间的关系。红色虚线表示总体趋势。
进一步，本研究计算了多种能够表征冻融过程的冻融因子，以分析FTDR以及FTDI所反映的冻融过程。由图6(a)可见，FTDR区域与非FTDR区域在各冻融因子上呈现显著差异：FTDR区域的冻结天数FF明显高于非FTDR区域，而冻融循环天数FT和融化天数TT则表现相反。此外，FTDR区域的冻融循环周期（T–F_period、F–T_period）更短。这些差异说明，地表冻结阶段持续时间而非冻融过渡阶段的时长，可能是导致地表土壤冻融扰动发生的关键因素。尽管FTDR所处的区域冻结期较长，但正如图3所示，其年平均地温MAGT普遍接近0 ℃，对应着较弱的多年冻土热稳定性。这意味着在此类边缘冻土环境中，即使温度升高幅度较小，也足以破坏现有的冻土热平衡，使地表土壤更易受到升温驱动的扰动，从而诱发显著的冻融地貌变化。此外，图6(b-f)显示，FTDI高值区对应着更多的土壤冻结天数FF，以及更短的冻融循环天数FT和融化天数TT，春季解冻期天数F–T_period和秋季冻结期天数T–F_period同样较短，并且F–T_period的差异幅度大于T–F_period。这表明，较高的FTDI值意味着地表在气温升高时更容易由冻结状态转变为融化状态，从而影响相关的地表与生态过程。这些结果强调，在评估冻融过程对土壤环境影响时，有必要充分考虑季节性冻融动态的作用，特别是对气候变化表现出更敏感响应的冻结天数FF和春季解冻期天数F–T_period等变量。
图6 (a) FTDR和非FTDR区域冻融因子统计，(b)冻结天数FF，(c)春季解冻期天数F-T_period，(d)融化天数TT，(e)秋季冻结期天数T-F_period，(f)冻融循环天数FT。
本研究还分析了FTDI与表层土壤有机碳含量及植被物候之间的关系（图7）。FTDI值较高的区域通常具有较高的土壤有机碳含量，这不仅凸显了这些区域在潜在温室气体排放的重要性，也提示应对高FTDI区域给予更加密切的监测与管理。同时，研究发现冻融扰动在一定程度上抑制了气候变暖导致的植被生长季提前趋势。然而，由于植被物候过程高度复杂，这种相互作用的具体机制仍需进一步研究，以揭示冻融扰动与生态系统响应之间的潜在耦合关系。
图7 FTDI与0–30 cm深度土壤有机碳含量的关系(a)，及植被返青期SOS (b)、植被生长季长度LOS (c)和植被生长季结束期EOS (d)在过去二十年间在不同FTDI范围上的变化趋势。
北京师范大学地理科学学部博士研究生靳宗义为论文第一作者，北京师范大学地理科学学部柴琳娜副教授为通讯作者。共同作者包括来自北京师范大学地理科学学部的李小雁教授、赵少杰高工、效存德教授和刘绍民教授。研究得到了第二次青藏高原综合科学考察项目（2019QZKK0306）和国家自然科学基金（42171319）的支持。
原文链接：https://doi.org/10.3390/rs17223682
数据链接：https://doi.org/10.11888/Cryos.tpdc.301082