土壤冻融是指土壤中的水分随着温度变化在固态冰与液态水之间反复变化的过程，在学术上被称为“相变”。这一过程深刻影响着地球表层的能量平衡、水循环和碳通量，被形象地称为地球表层的“呼吸”。冻融过程还表现出一定的“记忆效应”，即前期的冻融状态会通过改变土壤热传导和水文特性，影响后续的地表能量与水分分配，从而对生态环境产生持续作用。然而，受限于观测技术和算法性能，长期以来，科研人员难以在全球和区域尺度上精细监测冻融动态变化。
近日，中国科学院空天信息创新研究院联合国内外多家科研机构，在冻土遥感监测领域取得进展。研究团队成功研制并发布了全球高精度长时序冻融数据集，系统实现了对全球特别是青藏高原地区冻融过程的连续、精细和长时序观测，为深入揭示冻融变化特征及其对地球系统的影响提供了关键数据。
此次发布的数据集包含两个部分。全球近地表土壤冻融数据集（FT-HiDFA），时间跨度从2002年至2023年，空间分辨率约为5公里，可清晰呈现全球陆地土壤冻结与消融的动态变化。青藏高原近地表土壤冻融数据集（TP-DFA-STA），时间跨度从1979年至2023年，空间分辨率约为25公里，为青藏高原近半个世纪的冻融演变提供了高一致性的历史档案。
青藏高原被誉为“亚洲水塔”，其冻土的稳定性直接影响着亚洲多条大江大河的水源涵养与释放节奏。在全球变暖背景下，其多年冻土正在发生变化。基于该数据集的分析表明，自1988年以来，青藏高原地表冻结日数呈明显减少趋势，平均每年减少0.19天，这一变化主要由秋季冻结开始日期推迟导致。研究还发现，这种变化并非均匀发生：高海拔地区冻结日数的减少速率约为低海拔地区的两倍；多年冻土区变化较季节性冻土区更剧烈。这种以“冻结推迟、冻期缩短”为特征的变化，短期内可能增加河流水量，但长期来看将削弱土壤的水分调蓄能力，或对区域未来的水资源稳定供给构成潜在挑战。上述发现从连续、长期的卫星遥感视角，刻画了青藏高原在气候“暖湿化”背景下的冻融响应过程，为评估寒区水资源演变趋势、预警未来供水风险提供了科学依据。
土壤冻融循环还如同调控农业与生态物候的“隐形开关”，其变化直接影响着春季植被返青、农作物播种等关键物候节点。基于该数据集的分析发现，21世纪以来，北纬45度以北地区，约14.35%的区域土壤冻结持续时间明显缩短，约9.1%的区域冻结开始日期明显推迟。这一变化或改变作物的适宜播种期，影响自然植被的返青时序，并重新分配生长季内的水分与养分。这些精细观测数据，为预测农业气候适宜性、评估生态物候变化、指导农业生产提供了科学支撑。
由土壤中水冰反复“相变”引发的冻融侵蚀，已成为我国高寒地区不可忽视的生态威胁。冻融过程通过周期性的冻胀（结冰时体积膨胀）与融沉（消融时体积收缩），持续破坏土壤的团聚结构，使土壤变得松散，更容易被风吹走或被水冲走。因此，年冻结日数和冻融循环次数是衡量冻融侵蚀强度的两个重要指标。数据分析显示，青藏高原约13.26%的区域冻结日数明显下降，局部地区降幅超过30天，且这种变化主要集中在脆弱的多年冻土区，而东南部季节性冻土区变化相对平稳。这一发现揭示了不同区域对气候变暖的差异化响应，为精准识别冻融侵蚀高风险区、制定防治措施提供了科学依据。
除了对生态环境造成的水土流失影响，冻融循环带来的挑战还延伸至工程建设领域。在冻土地区修建道路、铁路、管道等重大基础设施，需应对冻融循环引发的周期性冻胀与融沉。每当冬季来临土壤冻结抬升，春季来临土壤消融沉降，这种反复的“抬升—沉降”会对工程结构产生持续的应力作用，威胁其长期稳定与安全运营。此次发布的数据集总体精度达到83.78%，有助于界定多年冻土与季节性冻土的分布范围，识别冻融交替频繁、状态波动剧烈的工程敏感地带，为青藏高原及类似区域的重大工程选址、设计和长期运维提供基础数据支撑。
目前，该数据集已面向全球科研用户开放共享，助力科研人员持续观察和理解土壤冻融这一关键自然过程，为应对气候变化、保障区域可持续发展提供了科学数据支撑。
冻融变化重塑北半球生态系统物候的潜在格局
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