传统冻胀理论认为，粗粒土在冻结过程中水分迁移积聚和分凝成冰有限，因此常被视为弱冻胀甚至不冻胀材料，并广泛用于寒区工程的防冻胀换填材料。然而，大量工程冻害调查表明，在寒区列车循环荷载诱发地基超孔隙水压力持续发育区域，以及承压水分布的冻结环境中，粗粒土填料和地层也可以出现显著的冻胀现象。 针对这一问题，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室马巍研究团队，联合青海北麓河高原冻土工程安全国家野外科学观测研究站，通过将传统单向冻胀试验升级改造为可模拟有压补水下冻胀的技术创新，利用新装置系统研究了不同水压与不同细粒含量下饱和粗粒土的冻胀试验特性，并基于预融膜理论，揭示了水压诱发粗粒土冰晶分凝机理。在此基础上，研究评估了现行规范在评价粗粒土冻胀敏感性方面的可靠度，厘清了基于颗粒级配的评价方法失效机制，并提出了一种综合考虑水压与细粒含量的粗粒土冻胀敏感性评价方法。 室内试验结果显示，粗粒土冻胀与细粒含量和水压有关。在相同细粒含量下，粗粒土冻胀随水压增大而增大，但当细粒含量为0%时，甚至20 kPa水压也难以诱发饱和粗粒土冰分凝；在相同水压作用下，粗粒土冻胀随细粒含量增大而增大，若在无压补水条件下，即使细粒含量达到15%，饱和粗粒土的冻胀也可忽略不计。 理论分析揭示，冻结后的粗粒土中仍存在部分未冻水，这为外界水分向分凝冰处迁移提供了通道。随着补水压力增大，未冻水膜两侧压力梯度增大，从而促进了水分迁移与冰分凝；随着细粒含量增大，未冻水含量升高、冻融交界面处的界面阻力降低，也会有利于水分迁移与冰晶分凝。 研究指出，现行粗粒土冻胀敏感性评价方法主要基于土体的持水性与吸水能力进行判别，未考虑水压对正冻土水分迁移能力的影响。因此，现行规范在评价受水压影响的粗粒土冻胀敏感性时可靠度较低，且随着冻胀时间的延长，可靠度进一步降低。为此，研究团队考虑到补水压力的影响，提出了一种粗粒土冻胀敏感性评价新方法（细粒含量0-15%、水压0-20 kPa）。 研究深化了粗粒土冻胀特征与冰晶分凝机制认识，为寒区工程冻害治理、土工规范修订提供了科学依据。 相关成果分别以Confined water aggravates frost heave in sands: Implications for assessing frost heave susceptibility of coarse-grained soils 与 Hydraulic pressure initiates ice lens formation and growth in freezing coarse-grained soil为题，发表于Cold Regions Science and Technology和Acta Geotechnica期刊，西北研究院博士后郝小云为论文第一作者，马巍和温智研究员分别为两篇论文的通讯作者。以上研究得到了国家自然科学基金、甘肃省科技计划等项目的联合资助。 论文链接： https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2026.104912 https://doi.org/10.1007/s11440-026-03084-5 水压作用下粗粒土冻胀试验结果 基于预融膜理论的粗粒土冰晶分凝机理 现行规范评价粗粒土冻胀敏感性的可靠度、考虑水压与细粒含量的冻胀敏感性评价方法，以及新模型验证

青藏高原是我国冻土分布最广泛、气候变化响应最敏感的区域之一。近年来，气候变暖与风沙化过程共同影响高原冻土环境，风积沙覆盖通过改变地表与地下之间的热量传输，对冻土热状态和冻融过程产生重要影响。然而，已有研究多集中于风积沙覆盖对多年冻土的影响，对于风积沙层如何调控季节冻土热状况、最大季节冻结深度及冻融节律仍缺乏系统认识。 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室研究团队，以青藏高原北麓河和红梁河流域典型风积沙覆盖区为研究对象，开展不同厚度风积沙层覆盖条件下的连续地温观测，结合XGBoost-SHAP和偏最小二乘路径模型等方法，定量分析了气候因子和地表条件对季节冻土变化的相对贡献，系统阐释了风积沙覆盖调控季节冻土热状态和冻融过程的作用机制。 研究发现，风积沙覆盖层显著改变了季节冻土热状况和最大季节冻结深度。随着风积沙层厚度增加，冻土冻结期明显缩短，红梁河流域与北麓河流域冻结期分别缩短23.5%和35.5%。在冻土融化阶段，风积沙覆盖层同样表现出差异化的调控特征，自上而下的融化期显著缩短，其中红梁河流域厚风积沙覆盖层冻土融化期缩短至11.4±5.7天，北麓河流域厚风积沙覆盖层冻土融化期几乎消失。与此相反，冻土自下而上的融化期却随风积沙覆盖层增厚而延长，说明厚风积沙层增强了冻融过程的不对称性，具体表现为上部冻融速率加快，下部冻融速率减缓。 研究进一步表明，冻土最大季节冻结深度总体随风积沙层厚度增加而变浅，风积沙层厚度每增加1厘米，季节冻土最大冻结深度减小0.3厘米。XGBoost-SHAP分析显示，气温是最大季节冻结深度的主导预测因子，降水和净太阳辐射的直接贡献相对较弱；但在厚风积沙层与低植被覆盖度共同作用下，最大季节冻结深度存在增加趋势。偏最小二乘路径模型表明，气候强迫和局地地表条件主要通过地温响应共同调控冻融过程，其中区域气候调控最大季节冻结深度的总体水平，风积沙层厚度和植被覆盖主要调节其局地空间格局。 该研究深化了对风沙化背景下冻土热稳定性变化的认识，为寒区工程热稳定性评估、冻土过程参数化以及风沙化区域生态治理提供了科学依据。 相关成果以Modulating effects of aeolian sand cover on the thermal regime and freeze-thaw processes of seasonally frozen ground on the Qinghai-Tibet Plateau为题发表于国际学术期刊Agricultural and Forest Meteorology。西北研究院博士研究生杜文琰为论文第一作者，蒋观利研究员和吴青柏研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金重点项目、冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室自主部署课题和国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）的资助。 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2026.111269 基于SHAP的最大季节冻结深度（MSFD)关键预测因子解释。(a)：各预测因子的相对重要性；(b)：风沙层厚度（ST）和植被覆盖度（VC）联合指标后的相对重要性；(c)：ST-VC平面上的联合SHAP分布；(d)：固定其他气候因子典型值下XGBoost预测的MSFD响应面

在全球气候变暖背景下，北方高纬度多年冻土区正面临着野火频发导致的强烈热扰动，导致区域内年碳排放异常增加。数据显示，1997-2023年，高纬度冻土区野火年均碳排放量以8.1 ± 2.9 Tg C的速度显著上升，而全球野火总碳排放量呈下降趋势。作为重要的陆地碳库，高纬度冻土区野火频发对区域内储存的大量的碳构成严重威胁，可能引发不可逆的系统性转变。 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室研究团队，联合东北林业大学等多家高校及科研机构，创新性地提出“多年冻土关键区（Permafrost Critical Zone，PCZ）”概念，将经典的地球关键区（Critical Zone）框架拓展至脆弱的冰冻圈生态系统，基于整体的地球系统这一科学视角，重新全面审视了野火扰动对高纬度PCZ的连锁影响。 研究表明，高纬度多年冻土区野火引发的有机层燃烧和地表反照率降低导致了PCZ失稳，使地表温度升高了7°C，冻土活动层厚度增加了六倍。这种剧烈的热冲击从根本上改变了水文路径，并加速了地下冰融化，改变了多年冻土区的水分储存，加剧了地表径流。此外，野火会急剧降低高纬度冻土区土壤微生物多样性，重构适应低温的土壤微生物群落，引发区域内不同的植被演替轨迹。 研究指出，尽管高纬度冻土区生态与水热系统的恢复有助于重建区域内的碳水循环功能，但在气候变暖背景下，野火反复发生所产生的叠加效应，将导致多年冻土生态系统出现不可逆退化。 研究还强调了将PCZ动态纳入地球系统模型，对预测气候临界点（Tipping Points）以及制定长期可持续发展战略（SDGs）具有重要的科学价值。 相关成果以Wildfires destabilize permafrost critical zones in northern high latitudes为题，作为封面文章发表于国际期刊npj Climate and Atmospheric Science。西北研究院李晓英研究员、东北林业大学金会军教授为论文共同第一作者，西北研究院王晓明研究员为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划青年科学家项目、第二次青藏高原综合科学考察项目、碳中和与能源系统转型计划项目等的资助。 论文链接：https://doi.org/10.1038/s41612-026-01450-4 野火对高纬度多年冻土关键区（PCZ）影响示意图