季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

黑河高山草甸冻土带水热传输过程

以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83).利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加.     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融循环期湿度与温度变化研究

在黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心的综合实验观测场, 利用2011年11月-2012年4月一个冬季冻融循环期的实测黑土耕层剖面土壤湿度和温度数据, 对典型中-深季节冻土区黑土耕层土壤湿度与冻结融化期土壤温度变化进行研究. 根据阳坡的黑土耕层土壤浅层1 cm、 5 cm、 10 cm及15 cm四种不同深度, 对冻融循环过程中土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化特征进行分析, 研究黑土耕层土壤冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 了解降水和温度对不同深度土壤湿度变化的影响. 结果表明: 在北京时间08:00、 14:00及20:00, 阳坡15 cm、 10 cm、 5 cm及1 cm深度黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化的线性相关可决系数分别为0.9298、 0.9216、 0.5989、 0.7281, 斜率平均标准偏差分别为0.017、 0.019、 0.095、 0.056, 截距平均标准偏差分别为0.17、 0.25、 1.31、 0.83. 阳坡10 cm及15 cm深度的黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化呈十分显著的线性相关关系. 阳坡5 cm深度的黑土耕层土壤湿度在冻结融化期与土壤温度变化线性关系稍微显著. 在整个冻结融化期, 因受太阳辐射、 降水及蒸发的强烈影响, 阳坡浅层1 cm深度黑土耕层土壤湿度与土壤温度线性相关性不如10 cm及15 cm深度的关系显著, 但比5 cm深度的关系显著.     

藏北高原D105点土壤冻融状况与温湿特征分析

利用CAMP/Tibet在藏北高原D105点所观测的2002年1月1日-2005年12月31日土壤温度、含水量资料, 分析了该点的土壤温、湿度变化及其冻融特征. 结果表明: D105点40 cm深度以上土壤温度日变化明显, 随着深度增加, 土壤温度日变化相位明显滞后. 各层土壤温度月最高值出现在8-9月, 月最低值都出现在1-2月; 年际气候的差异至少可以反映到185 cm深处的土壤. 土壤冻结和消融都是由表层开始, 土壤随深度增加冻结快, 消融则慢. 冻结期间, 土壤温度分布上部低, 下部高; 消融期间, 则分布相反. 60 cm深度以上的土壤含水量在消融期有显著的波动, 表明60 cm深度以上的土壤与大气之间的水热交换比较频繁. 土壤温度的日变化和平均温度对土壤的冻融过程有较大的影响; 土壤含水量的多少会极大的影响土壤的冻融过程、土壤热量的分布状况以及地表能量的分配. 因此水(湿度)热(温度)相互耦合影响着土壤的冻融过程.     

1961—2019年三江源地区季节冻土冻融状态时空变化及影响因素研究

季节冻土是气候变化的重要指示器,对区域气候变化具有重要的表征作用。本文利用青海省三江源地区20个位于季节冻土区的气象观测站点数据,通过计算最大冻结深度、冻结开始日期、完全融化日期和冻融期4个指标,分析了1961—2019年期间三江源地区季节冻土冻融状态时空变化特征;并通过计算空气冻结、融化指数及其变化趋势,结合地理因子(海拔、经度和纬度)和气候因子(气温、降水和雪深)评估了三江源地区季节冻土最大冻结深度与冻融状态的影响因素。结果表明：三江源地区季节冻土最大冻结深度为64.7～214.1 cm,冻结开始日期为9月初—10月底,完全融化日期为3月下旬—6月底,冻融期为144.7～288.4 d;1961—2019年期间三江源地区季节冻土最大冻结深度呈显著减小趋势[2.5 cm·(10a)^-1],冻结开始日期显著推迟[2.9 d·(10a)^-1],完全融化日期显著提前[2.6 d·(10a)^-1],冻融期显著缩短[5.5 d·(10a)^-1];三江源地区季节冻土冻融状态变化主要受温度变化的影响,表现为冷季...     

科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态迁移规律

为掌握科尔沁草甸地冻融期土壤水、热、盐迁移规律,以科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站2013年10月—2014年5月土壤冻融期实测气象、土壤等数据为基础,用统计分析法对研究区草甸地冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律进行了分析。结果表明:气温对土壤剖面温度的影响随着土壤深度的增加而降低,土壤剖面温度变化滞后于气温变化的时间取决于气温升降幅度,且没有显著的规律;由于气温回升速度大于降温速度,导致土壤消融速度比冻结速度快;土壤冻结过程由表层向下进行,冻结温度与土壤含盐量呈负相关关系,用温度的线性内插法准确确定草甸地于2014年3月9日达到最大冻深104 cm;土壤消融时受地下暖土层热流和地表温度双重影响,由底部向地表和由地表向冻结层进行双向消融;地下水位埋深较浅,受土壤冻融作用影响,升降趋势显著;草甸地土壤冻结期盐分向地表积聚,并于2月达到最大,后经消融及雨水淋润作用开始下降;冻融期盐分变异性大于水分变异性,说明盐分的运移过程更为复杂。     

黑河源区高山草甸的冻土及水文过程初步研究

介绍了黑河源区野牛沟流域在试验点尺度和山坡尺度上所开展的冻土水文过程初步结果.冻土水文观测场建于最大冻结深度约为3.0 m的季节冻土区,近50 a来,该区降水量变化不大,器测蒸发量(Φ20)和风速呈明显的降低趋势,而气温和地表温度则分别上升约1.0℃和1.7℃.研究区季节冻土冻结上限和下限深度均与地表温度呈二次多项式关系,这表明地表温度与冻结或融化区地温变化之间有一个滞后过程.在地表融化季节,季节冻土存在两层现象.当融化深度接近最大冻结深度时,存在向上和向下的双向融化现象,但自下而上融化速率较慢.2005年9月-2006年9月,具有较高代表性的3个山坡径流场均没有观测到产流量,结合蒸散发观测和野外调查,发现夏季高山草甸具有明显的地表径流拦蓄和水源涵养作用.COUP模型能够较好的连续演算试验场生长季节高山草甸-季节冻土-大气-维水热传输和耦合过程,但因其土壤完全冻结临界温度阀值设置偏高,影响了非生长季节的计算精度.     

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

祁连山疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO2通量特征

研究青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量有助于准确估算该区域的土壤CO₂排放, 对认识高原土壤碳循环及其对全球气候变化的响应具有重要意义. 利用静态箱-气相色谱法和LI-8100土壤CO₂通量自动测量系统对疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量进行了定期观测, 结合气象和土壤环境因子进行了分析. 结果表明: 整个观测期高寒草甸土壤表现为CO₂的源, 土壤CO₂通量的日变化范围为2.52～532.81 mg·m^-2·h^-1. 土壤CO₂年排放总量为1 429.88 g·m^-2, 年均通量为163.23 mg·m^-2·h^-1; 其中, CO₂通量与空气温度和相对湿度、活动层表层2 cm、10 cm、20 cm、30 cm 土壤温度、含水量和盐分均显著相关. 2 cm土壤温度、空气温度和总辐射、空气温度、2 cm土壤盐分分别是影响活动层表层2 cm土壤完全融化期、冻结过程期、完全冻结期、融化过程期土壤CO₂通量的最重要因子. 在完全融化期、冻结过程期和整个观测期, 拟合最佳的温度因子变化分别能够解释土壤CO₂通量变化的72.0%、82.0%和38.0%, 对应的Q₁₀值分别为1.93、6.62和2.09. 冻融期(含融化过程期和冻结过程期)和完全冻结期的土壤CO₂排放量分别占年排放总量的15.35%和11.04%, 在年排放总量估算中不容忽视.     

青藏高原季节冻土的气候学特征

青藏高原季节最大冻土深度变化特征是研究寒区陆面过程的重要方面. 利用青藏高原地区35个地面站1961-1998年最大冻土深度的观测资料及5 cm土壤温度资料, 分析了青藏高原地区土壤季节最大冻结深度时空变化特征. 结果显示: 青藏高原土壤季节最大冻结深度度呈现明显的变化规律, 20世纪60年代至80年代中期土壤季节最大冻结深度相对处于一个增大期, 80年代中期至今土壤季节最大冻结深度在减小. 冻结期间5 cm土壤累积负温距平指标能够较好的描述土壤季节最大冻结深度变化特征, 土壤季节最大冻结深度也是高原地区地面热源强度一个较好的表征参数.     

黄河源区多年冻土活动层土壤水文过程季节变异分析

为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,研究结果表明:(1)冻土层上水位与土壤水热之间存在着相互影响、相互作用的关系,依据活动层土壤温度变化,基于冻融过程,多年冻土活动层土壤水分与冻土层上水位可划分为冻结稳定、快速融化、融化稳定和快速冻结4个阶段。(2)降雨入渗是坡面尺度下活动层土壤水文过程的主要驱动力,活动层冻融锋面是主要限制性因素,受冻融过程影响,冻结期降雨减少,土壤冻结,土壤储水能力下降,土壤水分下渗停止,坡面侧向流动减弱,土壤水分和冻土层上水位处于下降趋势;融化期降雨增多,土壤融化,土壤储水能力上升,土壤水分下渗强烈,坡面侧向流动增强,土壤水分和冻土层上水位处于上升趋势。(3)受坡面地形影响,上坡活动层厚度大于下坡,上坡冻融锋面变化较下坡平缓,上坡土壤水分和冻土层上水位的变化幅度相对下坡较为平缓,而上坡土壤水分相对下坡含量较低,下坡冻土层上水位相对稳定。     

不同地表条件下土壤冻结、融化规律分析

土壤温度是土壤热状况的综合表征指标,以深耕休闲裸地作为对照,分析了不同地表条件下土壤的冻融过程。结果表明,土壤的冻融作用具有阶段性,不同冻融阶段,土壤具有不同的冻结、融化特点。不同地表处理条件土壤的冻结、融化特点亦不同。     

吉林省土壤冻融的逐日变化及与气温、 地温的关系

土壤冻融过程对气候和生态环境演变有重要影响。为了研究季节冻土区土壤冻融过程及其对气候变化的响应,利用2014-2017年吉林省典型代表观测站逐日冻土、气温和地温数据,研究土壤冻融的逐日变化及其与气温、地温的关系。结果表明：在土壤冻结和融化完整过程中,冻土上限呈直线上升趋势变化,下限呈先增大后减小的三次曲线趋势变化,即从稳定冻结初日起,冻土深度逐渐加深,在达到最大值后,缓慢变浅。冻土融化包括下限和上限融化两个过程,具有“两头化”的变化特征。冻土上限融化与下限同时开始或者晚于下限,但冻土上限融化的日变化量要大于下限。在土壤冻结过程中,活动积温、0 cm地积温、10 cm地积温与冻结深度呈三次曲线变化关系,随负积温的增加,冻结深度加深。在冻土上限融化过程中,活动积温、0 cm地积温、10 cm地积温与冻土上限深度呈三次曲线变化关系,随正积温的增加,上限融化深度加深。在冻土下限融化过程中,活动积温、0 cm地积温、160 cm地积温与冻土下限深度呈显著的直线趋势,随正积温的增加,下限融化深度变浅。     

冻融期土壤水盐变化特征分析——以黑河上游祁连县阿柔草场为例

冻融作用是土地盐碱化的形成机制之一,对冻融区春季积盐有明显的控制作用.在冻融过程中,土壤剖面结构发生变异,形成冻结层、似冻结层和非冻结层.以祁连山黑河上游阿柔草场为例,研究了解冻期土壤水盐运移变化特征.阿柔草场隶属青海祁连山地区,地处西北高寒地区,为季节性冻土区,大面积土壤经历冬冻春融的冻融循环.这种循环引起了土壤中水分和盐分运移的特殊规律,即冻结时土壤中的水分和盐分向冻层迁移,使得冻层的土壤含盐量明显增加;而融化时,由于地表蒸发,土壤中的水分和盐分又向地表强烈迁移,从而造成盐分在地表积聚,诱发盐分两次抬升.     

青藏高原风火山流域坡面尺度活动层土壤水热时空变化特征

以风火山流域某阴坡坡顶、 坡底和阳坡坡底活动层土壤水热及气象资料为基础, 对青藏高原多年冻土区不同地形条件下的土壤水热时空变化特征进行了分析。结果表明： 在融化阶段, 除表层5 cm外, 阴坡坡底各深度土壤开始融化日期均比坡顶早, 比阳坡坡底晚; 阴坡坡脚各深度土壤含水量均大于坡顶和阳坡坡底。在冻结阶段, 开始冻结日期在阴坡坡底均比坡顶早, 但比阳坡坡底晚; 阴坡坡底各深度土壤含水量均高于坡顶相应土层的含水量, 在20 cm、 100 cm、 160 cm深处高于阳坡相应土层的含水量, 但在5 cm、 50 cm深处, 稳定冻结后两者的含水量差异较小。在整个冻融过程中, 阴坡坡底土壤温度对气温变化的响应弱于坡顶及阳坡坡底, 但其土壤水分对降水的响应强于坡顶及阳坡坡底。植被生长发育受水分和热量条件的制约, 不同地形条件下水热时空变化差异将影响植被空间分布特征。在未来气候变暖情况下, 上坡位植被可能因为水分胁迫而退化, 出现荒漠化现象, 而下坡位由于受侧向流的影响, 土壤水分对降水的响应强烈, 植被不会发生显著退化; 在不同坡向之间, 同一坡位阳坡植被退化程度可能大于阴坡。     

青藏高原多年冻土活动层土壤水分对高寒草甸覆盖变化的响应

对青藏高原高寒草甸30%、60%和93%三种覆盖度下,多年冻土活动层的土壤水分随季节变化的观测研究,结果表明:多年冻土活动层土壤水分分布对植被覆盖变化响应强烈.年内不同时期,植被覆盖度为65%和30%的土壤表层20cm深度内水分含量及分布相似,每次降水后30%覆盖度土壤水分的变率略大于65%覆盖度的;而93%覆盖度土壤水分在年内解冻开始到冻结前均小于前两种覆盖类型;植被覆盖度越小,土壤冻结和融化响应时间越早,响应历时也越短;浅层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度较强,接近深层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度降低.覆盖度为30%和65%土壤水分在整个冻结过程的减少幅度比93%覆盖度土壤大10%～26%,而融化期水分增加幅度更大为1.5%～80%;土壤冻融的相变水量对植被覆盖度变化响应明显,植被覆盖度降低,土壤冻结和融化相变水量增大.由于受植被蒸腾与地表蒸散发和土壤温度梯度的影响,融化期土壤剖面的水分重新分配,总体上呈现水分向剖面上部和底部迁移,剖面中部60～80cm深度左右的土壤出现"干层".     

硬壳覆盖条件下土壤冻融期水盐运动规律研究

采用大田试验,研究了水泥硬壳覆盖后冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律,采用室内土柱试验,研究了冻融交替时期土壤中的水盐运动规律,试验表明,土壤水泥硬壳覆盖后土壤的冻结时间减少,冻结深度变浅;明显抑制土壤水分的无效蒸发;明显抑制土壤在融冻时期的土壤返盐,同时由于“冻层滞水”在春季的融化,有淋洗表层土壤盐分的作用,使土壤表层脱盐,土柱脱融试验进一步说明,土壤经冻融过程后,土壤中的水盐发生了重新分布。     

渭河流域西部季节冻融对浅层非饱和土壤水热变化的影响

以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为研究区域,建立了野外观测场地,对该区域浅层非饱和土体冻融过程及水热运移规律对气候作用的响应过程进行了研究与分析。结果表明：气温对地温及地温变幅的影响随深度增加而迅速衰减,地温振幅随深度增加按指数规律衰减且温度波的相位随深度的增加而滞后,地表下200 cm深度以内地温振幅受气温影响较大。该区域裸露地表土壤的最大冻结深度在20～50 cm之间。在土壤冻结过程中,深层土壤未冻水逐渐向冻结层运移,导致深层含水量逐渐减少。不同深度土壤冻结系数随土壤深度的增加而减小,融化系数则相反。地表下50 cm深度以内的土体含水量受降水影响波动显著。土壤含水量与温度呈相似变化,地温峰值出现的时间总滞后于土壤水分,其变异程度均随土壤深度的增加而减小。     

大兴安岭秋季冻结期土壤水热变化对多年冻土泥炭地可溶性有机碳的影响北大核心CSCD

土壤温度和含水量是影响可溶性有机碳(DOC)变化的重要因素。然而,多年冻土泥炭地土壤DOC变化对秋季冻结期土壤水热变化的响应尚不明确。本研究选取大兴安岭3种多年冻土泥炭地[小叶章泥炭地(CP)、兴安落叶松-泥炭藓泥炭地(LP)、白毛羊胡子苔草泥炭地(EP)]作为研究对象,开展野外原位试验探究秋季冻结期土壤水热变化对多年冻土泥炭地土壤DOC变化的影响。结果表明:秋季冻结期土壤DOC含量表现为EP>CP>LP,平均含量分别为83.99、45.75和43.13mg·L^(-1)。在秋季冻结前期3种类型多年冻土泥炭地土壤DOC含量均呈波动下降趋势,中、后期CP,LP土壤DOC变化较平缓。在秋季冻结前期,CP整体土壤DOC含量随浅层土壤温度的降低而减少;在后期CP浅层和整体土壤DOC含量随浅层土壤含水量的增加而增加。在秋季冻结中期,LP浅层土壤温度升高和含水量的减少,降低了土壤DOC含量;LP整体土壤DOC的变化随着浅层温度的升高逐渐降低。在秋季冻结后期,EP深层和整体土壤DOC含量随深层含水量增加而增加。在整个秋季冻结期,LP浅层土壤DOC主要受地表温度驱动,深层土壤DOC则主要受深层含水量的影响;整体土壤DOC则受地表温度影响较大。研究表明秋季冻结期多年冻土泥炭地土壤水热变化驱动土壤DOC含量的变化。研究结果为多年冻土区碳循环和“双碳”背景下的碳排放研究提供基础科学数据。