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土壤凍融是指土壤中的水分隨著溫度變化在固態冰與液態水之間反復變化的過程，在學術上被稱為“相變”。這一過程深刻影響著地球表層的能量平衡、水循環和碳通量，被形象地稱為地球表層的“呼吸”。凍融過程還表現出一定的“記憶效應”，即前期的凍融狀態會通過改變土壤熱傳導和水文特性，影響后續的地表能量與水分分配，從而對生態環境產生持續作用。然而，受限于觀測技術和算法性能，長期以來，科研人員難以在全球和區域尺度上精細監測凍融動態變化。

近日，中國科學院空天信息創新研究院聯合國內外多家科研機構，在凍土遙感監測領域取得進展。研究團隊成功研制并發布了全球高精度長時序凍融數據集，系統實現了對全球特別是青藏高原地區凍融過程的連續、精細和長時序觀測，為深入揭示凍融變化特征及其對地球系統的影響提供了關鍵數據。

此次發布的數據集包含兩個部分。全球近地表土壤凍融數據集（FT-HiDFA），時間跨度從2002年至2023年，空間分辨率約為5公里，可清晰呈現全球陸地土壤凍結與消融的動態變化。青藏高原近地表土壤凍融數據集（TP-DFA-STA），時間跨度從1979年至2023年，空間分辨率約為25公里，為青藏高原近半個世紀的凍融演變提供了高一致性的歷史檔案。

青藏高原被譽為“亞洲水塔”，其凍土的穩定性直接影響著亞洲多條大江大河的水源涵養與釋放節奏。在全球變暖背景下，其多年凍土正在發生變化。基于該數據集的分析表明，自1988年以來，青藏高原地表凍結日數呈明顯減少趨勢，平均每年減少0.19天，這一變化主要由秋季凍結開始日期推遲導致。研究還發現，這種變化并非均勻發生：高海拔地區凍結日數的減少速率約為低海拔地區的兩倍；多年凍土區變化較季節性凍土區更劇烈。這種以“凍結推遲、凍期縮短”為特征的變化，短期內可能增加河流水量，但長期來看將削弱土壤的水分調蓄能力，或對區域未來的水資源穩定供給構成潛在挑戰。上述發現從連續、長期的衛星遙感視角，刻畫了青藏高原在氣候“暖濕化”背景下的凍融響應過程，為評估寒區水資源演變趨勢、預警未來供水風險提供了科學依據。

土壤凍融循環還如同調控農業與生態物候的“隱形開關”，其變化直接影響著春季植被返青、農作物播種等關鍵物候節點。基于該數據集的分析發現，21世紀以來，北緯45度以北地區，約14.35%的區域土壤凍結持續時間明顯縮短，約9.1%的區域凍結開始日期明顯推遲。這一變化或改變作物的適宜播種期，影響自然植被的返青時序，并重新分配生長季內的水分與養分。這些精細觀測數據，為預測農業氣候適宜性、評估生態物候變化、指導農業生產提供了科學支撐。

由土壤中水冰反復“相變”引發的凍融侵蝕，已成為我國高寒地區不可忽視的生態威脅。凍融過程通過周期性的凍脹（結冰時體積膨脹）與融沉（消融時體積收縮），持續破壞土壤的團聚結構，使土壤變得松散，更容易被風吹走或被水沖走。因此，年凍結日數和凍融循環次數是衡量凍融侵蝕強度的兩個重要指標。數據分析顯示，青藏高原約13.26%的區域凍結日數明顯下降，局部地區降幅超過30天，且這種變化主要集中在脆弱的多年凍土區，而東南部季節性凍土區變化相對平穩。這一發現揭示了不同區域對氣候變暖的差異化響應，為精準識別凍融侵蝕高風險區、制定防治措施提供了科學依據。

除了對生態環境造成的水土流失影響，凍融循環帶來的挑戰還延伸至工程建設領域。在凍土地區修建道路、鐵路、管道等重大基礎設施，需應對凍融循環引發的周期性凍脹與融沉。每當冬季來臨土壤凍結抬升，春季來臨土壤消融沉降，這種反復的“抬升—沉降”會對工程結構產生持續的應力作用，威脅其長期穩定與安全運營。此次發布的數據集總體精度達到83.78%，有助于界定多年凍土與季節性凍土的分布范圍，識別凍融交替頻繁、狀態波動劇烈的工程敏感地帶，為青藏高原及類似區域的重大工程選址、設計和長期運維提供基礎數據支撐。

目前，該數據集已面向全球科研用戶開放共享，助力科研人員持續觀察和理解土壤凍融這一關鍵自然過程，為應對氣候變化、保障區域可持續發展提供了科學數據支撐。

凍融變化重塑北半球生態系統物候的潛在格局