气候变暖背景下，多年冻土加速退化改变了寒区流域的产汇流过程与生态水分格局。作为连接冰冻圈水文建模与生态评估的关键变量，多年冻土深层土壤水分的垂向结构与空间异质性研究长期受两方面制约：一是卫星遥感对土壤水分的有效探测深度主要局限于地表浅层（约0–5 cm），二是深层剖面观测数据稀缺，导致寒区流域在垂向维度上的高分辨率水分分布规律及其主控机制难以被有效刻画。

中国科学院西北生态环境资源研究院胡国杰研究员团队联合南京信息工程大学、兰州大学等单位，以我国大兴安岭根河流域这一典型边缘多年冻土区为研究区域，围绕植被-水分-冻土相互作用过程及数据产品研发开展系统研究，取得了从原位观测机理到全流域精细制图的系列进展。

研究团队在根河流域布设75个浅层土壤剖面和15个深达20米的钻孔，获取了覆盖森林、草地、湿地等不同下垫面的土壤含水量观测数据。并结合可解释机器学习与结构方程模型，系统揭示了边缘多年冻土区土壤水分的“垂向分层”特征及其控制机制。

研究结果显示，湿地覆盖、土壤有机碳等地表与土壤属性主导了浅层水分分布，土壤容重和多年冻土分布控制了深层蓄水与水分维持。气候因子则主要通过改变地表温度条件与冻融过程，间接影响水分结构与分层格局。

该研究系统提出了边缘多年冻土区土壤水分的“垂向分层控制体系”概念框架，为完善多年冻土水文过程认识提供了关键实地依据。

在上述观测数据和机制认识的基础上，团队研发了一套融合对地观测大数据与可解释机器学习的制图算法，绘制了全流域0–1 m深度、10 cm间隔、30 m分辨率的土壤水分分层数据产品。

该数据产品表现优异（R2 = 0.85, RMSE = 0.08 L/L），能精准刻画冻土与湿地共同塑造的“河谷湿润走廊”及干燥高地的空间分异，弥补了SMAP等全球粗分辨率产品难以解析深层与亚公里尺度异质性的不足，为寒区流域水文模拟与生态管理提供了可移植的制图方案与高精度基础数据。

相关成果分别以Vegetation and permafrost interactions shape soil moisture stratification in marginal permafrost zones与Earth observation and machine-learning–based mapping of 0–1 m soil moisture at 10-cm intervals in a permafrost-affected basin为题，发表在国际期刊Geoderma与International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation（JAG）。西北研究院肖瑶助理研究员为第一作者，胡国杰研究员为通讯作者。研究得到科技部基础资源调查专项、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会及冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室等项目联合资助。

论文链接：

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样点分布及野外采样示意图

根河流域土壤含水量垂直分布特征

边缘多年冻土区水分垂向耦合机制概念框架图

全流域高分辨率根区土壤水分、多年冻土和植被类型分布图

不同深度层模型精度与基于SHAP的可解释性分析结果