以中-深季节冻土区、黑土区、国家商品粮基地、生态脆弱区保护为基础背景,通过对东北黑土坡耕地自然冻融过程的野外实际监测、土样选取及室内土样实验检测分析等方式,获取研究数据及开展相关研究。首先,应用非结构性决策可变模糊优选方法,对黑土坡耕地自然冻融过程中土壤水及营养盐氮、磷分布影响因素进行优选,系统分析关键影响因素。然后,分别以“土-水-热”、“土-热-水-盐”为主线,对东北黑土坡耕地自然冻融过程中土壤水热及营养盐氮、磷分布进行实验研究。将系统分析与模拟验证方法相结合,取得以下主要成果:(1)开展了黑土坡耕地自然冻融过程分析。系统分析了黑土坡耕地阴坡与阳坡冻融过程,揭示黑土坡耕地季节融化层发育过程(时间和空间特征)。研究表明:融化的土层逐渐向深度发展,融化向深层发展过程中土壤温度日较差越来越小,融化向深度方向经历时间呈减少趋势。根据气温、地温及时间变化提出冻融过程分期方法,从秋末到早春的自然冻融循环分为6个时期:冻结前、冻结期、融化初期、融化中期、融化末期和融化后。并定义6个冻融时期与温度及时间的函数,F-T=f(θ,t)f(θa,θs,t),其中,n=1,2,3,4,5,6。(2)分析了黑土坡耕地冻融过程水热时间分布特征。包括黑土坡耕地自然冻融土壤含水量与土壤温度及冻融时间的分布特征及其验证。根据实测微地貌黑土坡耕地冻融过程中黑土耕层剖面土壤含水量和土壤温度数据,对其进行线性、指数、Gauss模拟,发现土壤含水量与土壤温度变化更接近Gauss分布,并且黑土耕层土壤水含量与冻融时间的变化也符合Gauss分布,利用隔年微地貌坡耕地监测及野外坡耕地定期、定点、分层取样检测数据进一步验证。验证结果表明,黑土坡耕地在冻结前、冻结期、融化初期、融化中期、融化末期和融化后整个冻融过程土壤含水量与冻融时间呈Gauss分布,表层土壤含水量最大值出现在融化初期。这与黑土区初春融化的自然现象是一致的,即:在初春气温上升、积雪融化、土壤表层融化、土壤底层冻结的条件下,季节性冻土区的表层土壤含水量将达到峰值;随融化时间延长,融化层向深度发展,土壤表层含水量从饱和呈现不饱和状态。在冻融过程中,黑土坡耕地土壤含水量从坡顶部向底部逐渐增加。(3)开展了黑土坡耕地冻融过程土壤营养盐氮、磷分布特征分析。在野外坡耕地定期、定点、分层取土样,进行冻融过程土壤营养盐氮、磷含量沿坡耕地垂向及坡向小尺度时空分布分析。结果表明:①冻结前,即秋收后土壤营养盐在坡耕地坡面基本呈均匀分布;②融化后土壤营养盐向地表方向增多;③黑土坡耕地营养盐主要集中在0～20 cm,冻融过程中营养盐在0～10 cm变化显著,从坡顶向坡底方向,在融化后0～10 cm深度营养盐含量增多40%～276%;④融化初期黑土坡耕地营养盐在0～1 cm较冻结前增加显著,可达1～2倍;在融化中期1～5 cm营养盐较冻结前增加十分显著,可达1～2倍;在融化末期1～5 cm营养盐较冻结前增加40%左右,融化后5～10 cm营养盐含量从坡顶向坡底方向逐渐增加。根据研究结果提出控制黑土坡耕地施肥建议,坡顶正常施肥,坡底减少施肥,以保证作物产量降低农业非点源污染的风险。研究成果为季节冻土区东北黑土坡耕地土壤水资源有效利用提供技术支撑,对东北商品粮基地建设的水资源保障及区域水环境修复提供有益借鉴。