半干旱地区地表-地下水系统水热运移与裸土蒸发研究

地表-地下水系统水、热迁移转化与裸土蒸发机理研究对于水量平衡以及地表能量转化具有重要意义。以鄂尔多斯盆地风沙滩地区为研究区,基于原位蒸渗仪长期观测,结合数值模拟,选择2种地下水位初始埋深分别为80 cm（浅埋深）和290 cm（深埋深）的情景,研究了变饱和带水热迁移转化的动力学过程以及对裸土蒸发的影响。结果表明:变饱和带土壤水的运动规律受水头梯度和温度梯度的共同驱动,且在不同水位埋深条件下呈现不同的运动方式;浅埋深条件下,受水头梯度的作用,土壤的毛细上升高度能够到达地表,蒸发条件下土壤水在毛细力驱动下向上运移,土壤内部不存在零通量面,温度对水分运动的影响较小,发现当地下水位埋深小于毛细上升高度时,地下水在毛细力作用下直接贡献土壤蒸发;深埋深条件下,水头和温度是土壤水运动过程的关键因素,位于地表以下18 cm以浅土壤内部出现孤立的零通量面,阻止了土壤水的向上运移,导致蒸发量减小。当地下水位埋深大于毛细上升高度的1.6倍时,地下水不再直接参与土壤蒸发,但会间接地影响包气带的水分转化;因此模拟期间浅埋深的裸土累积蒸发量约为深埋深累积蒸发量的4倍。     

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.     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

冻融作用对土壤有机碳库及微生物的影响研究进展

冻融交替是作用于土壤的非生物应力,对土壤的理化和生物学性质均产生直接或间接影响.在气候变暖条件下,冻融作用对冻土区土壤碳库关键生物地球化学循环过程的影响已成为当前研究的热点.经过室内冻融模拟结合野外观测,大量研究结果表明不同冻融温度、速率、次数对土壤有机碳和微生物的影响不同.冻融作用能改变土壤理化性质,降低土壤团聚体稳...     

基于CLM模式的青藏高原土壤冻融过程陆面特征研究

使用位于青藏高原东部若尔盖站的观测数据驱动CLM3.5模式,设计一组去除模式中冻融过程的"退化试验",进行为期一年的模拟研究。通过对比原试验与敏感性试验模拟结果,初步分析冻融过程在土壤温度变化、各能量通量分配中的作用,得到以下结论：（1）冻融过程是土壤温度变化的"缓冲器",冻结过程向周围环境释放能量减缓了土壤降温的速率,使土壤温度不至降得太低,而消融过程从周围环境吸收能量减缓了土壤升温的速率,使土壤温度不至升高太多;（2）冻融过程改变了地表辐射通量,土壤冻结改变了地表反照率,改变了向上短波辐射,且由于冻结过程减缓了地表温度的下降,改变了地表向上长波辐射,进而改变了净辐射通量;（3）冻融过程显著地改变了陆面能量的分配,通过相变能量的释放和吸收增大了地气间能量的传输,显著地增大了地表土壤热通量,且通过改变地表温度和地表蒸发,改变了感热及潜热通量。在冻结过程及完全冻结阶段,感热及潜热通量均增大,但在消融过程阶段,感热及潜热通量均减小。冻融过程对土壤热通量及感热通量的影响在冻结过程及完全冻结阶段更为显著,而对潜热的影响则是在消融过程阶段更为显著。     

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。     

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。     

不同地表条件下冻融土壤的入渗特性分析

通过大量的入渗试验,对不同地表条件下季节性冻融土壤的入渗特性进行了对比分析,结果表明:在冻融期,不同地表条件下土壤入渗能力均经历由高到最低点,然后再增高的变化过程;有覆盖物地块最小土壤入渗能力出现的时间均滞后于裸露地.     

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.     

高寒冻土地区草甸草地生态系统的能量-水分平衡分析

为了揭示青藏高原高寒地区土壤冻融过程对地表植被大气三者之间能量水分循环的影响, 在青藏高原风火山左冒孔流域(长江源)开展了不同植被盖度条件下冻土活动层水热状态的野外观测(在30%、 60%、 90%的草甸盖度下观测分层土壤水分及温度)和相关试验. 选取考虑了积雪、植被覆盖及枯枝落叶层对土壤冻融影响的水热盐分耦合模型SHAW为动力学约束模型, 进行参数率定及其模拟计算. 结果表明: 青藏高原地气间的能量交换主要受冻土、植被生长和地表土壤含水量的影响, 并且呈明显的季节性变化;未退化高寒草甸草地对青藏高原冻土具有明显的隔热保温作用, 可以降低冻土对气候变化的响应. 在土壤活动层冻结过程期间, 土壤水分具有向表层和深层两向分流汇聚的特征, 植被覆盖变化对水分运移通量有明显影响.     

Experimental study of water and salt redistribution of clay soil in an opening system with constant temperature

Temperature changing in soil has an influence on the redistribution of water and salt. With constant temperature in an open system we performed two unidirectional freezing tests with different temperature settings of clay collected at Beiluhe test site along Qinghai–Tibet Railway. The groundwater supply of the soil was simulated during the experiments by attaching a liquid replenishment system to the bottom of the sample container. Water content and ions content of the soil were measured after the experiments. By analyzing the two main ions in the soil we obtained the laws and the properties of water and salt redistribution during freezing of clay soil. The results show that the water content increases in freezing section while it decreases in unfrozen section compared with initial water content. To the salt, under this circumstance the diffusion due to the concentration gradient dominated the transfer way in clay soil, so the ions content in the unfreezing section decreased with the decreasing of the distance to freezing front. At the ice segregation layer the ions content is less due to the ice self-purification, and almost nothing changed in frozen section.     

冻土与盐溶液系统中热质迁移及变形过程试验研究

用1.2MPa外载固结并冻结的高岭粘土与2mol浓度的氯化钠低温溶液相接触,由于冻土与盐溶液间的水势梯度,引起等温条件下,水分和盐分从溶液向冻土中迁移。冻土中部分区段由于含盐浓度增高,冰点下降、冻土融化并产生吸热效应。融化界面以上的冻土中,由于水分积聚,冰分凝,形成条带状构造并产生放热效应。冻土出现以冻胀为主的变形。水、盐迁移通量及变形量随时间按指数规律衰减并随外载增大和温度降低而减小。     

不同地下水补给条件下非饱和砂壤土冻结试验及模拟

为研究土壤冻融过程中不同地下水位对土壤的补给规律,在室内进行了两组不同地下水边界条件下的土柱冻结试验: A组无地下水补给,土柱高度60cm;B组地下水维持在距土柱表层60cm深度处。土壤在冻结过程中水分及盐分均呈向上运移趋势,稳定浅地下水补给会加剧水分及盐分向上运移,造成上层土壤盐分的聚积,影响土壤剖面的热量平衡,引起剖面温度的重新分布,从而减缓冻结锋的推进速度。运用HYDRUS-1D冻融模块对不同地下水埋深（0.5m,1.0m,1.5m,2.0m,2.5m）情况下冻结过程中水分运移规律进行了模拟。模拟结果表明:累积补给量在埋深小于1.5 m时随埋深增加而有所增加,而当地下水埋深大于1.5 m时,累积补给量随着埋深增加而有所减小,甚至保持不变。     

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。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

季节冻土区水盐迁移及土体变形特性模型试验研究

为研究盐渍化冻土水分、盐分迁移规律以及变形特性,探索寒区旱区土壤盐渍化机制,配制了不同含盐量的粉质黏土进行模型试验。试验结果表明,温度、水分、盐分和土体变形之间相互耦合。温度降低有利于盐晶体析出和未冻水结冰;反之,温度升高易于晶体溶解和冰融化。水盐相变过程中伴随能量的释放或吸收,影响土体温度。盐分改变了流体的动力黏度和土体冻结温度,并且盐分结晶使土体产生较大的吸力,加剧了未冻水含量的变化。水分是盐分迁移的介质,盐分以离子形式随未冻水迁移。降温期水分盐分向上迁移,升温期迁移方向相反。迁移速率与吸力有关,冻结缘附近吸力最大,速率最快。盐渍化冻土的变形是盐分和水分共同作用的结果,含盐量较低时冻胀和融沉是土体变形的主要因素;当含盐量较高时盐胀和溶陷占主导作用。     

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。     

Influences of alpine ecosystem degradation on soil temperature in the freezing-thawing process on Qinghai–Tibet Plateau

The alpine ecosystem is very sensitive to environmental change due to global and local disturbances. The alpine ecosystem degradation, characterized by reducing vegetation coverage or biomass, has been occurring in the Qinghai–Tibet Plateau, which alters local energy balance, and water and biochemical cycles. However, detailed characterization of the ecosystem degradation effect is lack in literature. In this study, the impact of alpine ecosystem degradation on soil temperature for seasonal frozen soil and permafrost are examined. The vegetation coverage is used to indicate the degree of ecosystems degradation. Daily soil temperature is monitored at different depths for different vegetation coverage, for both permafrost and seasonal frozen soils. Results show that under the insulating effort of the vegetation, the freezing and thawing process become quicker and steeper, and the start of the freezing and thawing process moves up due to the insulating effort of the vegetation. The influence of vegetation coverage on the freezing process is more evident than the thawing process; with the decrease of vegetation coverage, the integral of frozen depth increases for seasonal frozen soil, but is vice versa for permafrost.     

水分迁移对冻土细观结构的影响

冻结作用导致土体中产生了水分迁移,从而改变了土体密度,进而改变了土体结构性及其物理力学性质。利用CT设备,对冻融前后的土样进行CT细观试验,通过CT数变化定量分析土样的损伤程度,反映冻土结构的变化。结果表明：冻结过程中同时发生了裂纹的张开与闭合,冰透镜体位置裂纹数量在冻结后明显增加。冻结区土样在水分迁移并结晶的作用下被切割成多个多边形,造成土样孔隙增大,导致CT数减小,损伤量增大。融土区土体在冻胀力作用下产生了一定的固结,使得其密度增大,CT数增大,损伤量表现为负值。上部荷载对土体损伤有抑制作用,而冻融作用却加剧了土体损伤。