藏北高寒草地土壤冻融循环过程及水热分布特征

利用活动层土壤剖面的温度、水分观测资料,系统研究了藏北高寒草地多年冻土活动层土壤的冻融过程及其水热分布特征。研究表明:1.土壤剖面温度随气温发生周期性波动,具有明显的滞后效应,且随深度增加变幅减小;2.土壤剖面完全冻结天数为109~123 d,日冻融循环主要发生在表层(0~10 cm)土层中,冻融过程可分为不稳定冻结期、完全冻结期、不稳定消融期、和消融期4个阶段;3.受冻融作用影响,土壤含水量呈现"凹"型变化,变化趋势与土壤温度有较好的一致性;4.冻融作用有利于维持藏北高寒草地土壤水分,在季节转换,生态系统碳、氮循环中具有重要作用。     

青藏高原土壤水热分布特征及冻融过程在季节转换中的作用

利用GAME-Tibet期间所取得的高分辩率土壤温度和含水量资料，对青藏高原（主要是藏北高原）土壤水热分布特征及冻融过程在季节转换中的作用进行了分析。指出藏北高原4cm学深处土壤在10月份开始冻结，次年4-5月份开始消融，冻结持续时间长达5-7个月。冻结过程有利于土壤维持其水分，因此，在刚刚开始消融时土壤含水量仍然很高。从而为夏季风爆发前土壤通过蒸发向大气提供水分打下了基础。指出土壤冻融过程可能在高原季节转换中起着重要作用。     

基于水热变化的青藏高原土壤冻融过程研究进展

青藏高原近地层土壤冻融过程是高原地表最显著的陆面特征之一,也是判断冻土发育、存在以及反映气候变化的重要指标。近地层土壤昼夜、季节性的冻结、融化会导致青藏高原陆—气间能水平衡的变化甚至异常,从而显著影响高原地表水文过程、生态环境、碳氮循环以及高原及其周边区域的天气和气候系统。论文从观测、模拟以及对气候的影响3个角度来探讨1990年以来青藏高原土壤冻融过程的最新研究进展。结果表明：① 在一个完整的年冻融循环过程中,近地表各层土壤大体都经历了夏季融化期、春秋季融化—冻结期、冬季冻结期4个阶段。受局地因素的影响,不同站点的冻结或消融起止时间、速率、类型均有差异。② 多年冻土区和季节冻土区的日冻融循环过程差异较大,主要体现在日冻融循环持续时间上。③ 不同陆面模式都可以很好地抓住冻融过程中物理量的时空变化,但都需要针对高原陆面过程的特点进行参数化改进。④ 规避不稳定的迭代计算并根据热力学平衡方程确定冻融临界温度可以改进不合理的冻融参数化方案。基于已有研究回顾,发现增加高质量的观测站,利用卫星遥感等多种手段来反演高原土壤冻融过程以及加强陆面模式与区域气候模式和全球气候模式的耦合,并立足于高原冻融过程的特点发展相适应的参数化方案以及模拟结构的调整,能够有助于高原冻融过程的模拟。     

艾比湖地区冻融作用对梭梭群落土壤酶活性及微生物数量的影响

冻融作用对酶和微生物活性具有重要影响,进而影响植物群落的生长发育。为深入了解荒漠优势种梭梭群落冬季土壤生态过程,于2012年10月~2013年10月,对土壤冻融期、冻结期、融冻期和生长季的艾比湖典型样地进行野外实地观测、采样和室内分析。通过对比分析不同冻融阶段土壤含水量、pH值、有机质、全氮、酶活性和微生物数量的变化特征。结果表明:(1)土壤含水量,融冻期 >冻结期 >冻融期 >生长季,土壤pH值,生长季 >融冻期 >冻融期 >冻结期,各土层土壤含水量以浅层土表现最为显著(P <0.05),不同冻融阶段各土层pH值差异性较大,冻融期、冻结期和生长季表层土壤pH值较大,融冻期浅层土壤pH值较大。(2)土壤有机质和全氮含量的波动状况相似,分别在融冻期和生长季呈现波峰和波谷,不同土层间全氮和有机质含量差异性较小,以冻融期和生长季表现最为显著(P <0.05)。(3)土壤酶活性的变化中,过氧化氢酶、脲酶和蛋白酶在融冻期含量最大,冻融期次之,蔗糖酶在冻结期活性最大,土壤微生物数量的变化以融冻期最大,除此之外,各冻融阶段细菌和放线菌占主导,真菌含量相对较少。(4)冻融循环次数分布于冻融期和融冻期,对土壤酶活性和微生物数量具有一定的影响,致使融冻期土壤各因子大于冻融期。     

莫莫格湿地不同下垫面土壤冻融期的水热状况

为了研究莫莫格湿地不同下垫面土壤冻融期的水热变化特征,在裸地、低湿草甸和草原草甸设置观测区,于2017年10月28日～2018年4月18日期间,观测土壤温度和含水率,对比不同下垫面的土壤温度和含水率的变化规律。研究结果表明,与裸地相比,有枯萎植物覆盖的低湿草甸和草原草甸土壤冻结和消融的时间都滞后,且冻结时间增加;在2018年1月,日平均土壤温度最低,在3个观测深度中,5 cm深度的土温相对最低,裸地、低湿草甸和草原草甸5 cm深度的土壤温度分别为-14.31℃、-13.21℃和-15.22℃;枯萎植物覆盖对土壤温度的影响具有双重性,在土壤冻结阶段,其具有保温作用,在土壤融化阶段,其使土壤升温较慢;低湿草甸土壤比裸地具有更好的保水能力,在土壤融化阶段,融雪水使土壤含水率增加。     

2000-2016年青海湖湖冰物候特征变化

湖冰物候特征是气候变化的灵敏指示器。基于2000-2016年青海湖边界矢量数据,结合Terra MODIS和Landsat TM/ETM+遥感影像及气象数据,利用RS和GIS技术综合分析青海湖湖冰物候特征变化及其对气候变化的响应。结果表明：① 青海湖开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融的时间分别为12月中旬、1月上旬、3月中下旬和3月下旬至4月上旬,平均封冻期和平均完全封冻期为88 d和77 d,平均湖冰存在期和平均消融期为108 d和10 d。② 近16年间青海湖湖冰物候特征各时间节点变化呈现较大的差异性。湖泊开始冻结日期相对变化较小,完全冻结日期呈先提前后推迟的波动趋势,开始消融日期呈先推迟后提前的波动趋势,完全消融日期在2012-2016年呈明显提前趋势。青海湖封冻期在2000-2005年和2010-2016年呈缩短趋势,但减少速率慢于青藏高原腹地的湖泊。③ 青海湖冻结和消融的空间模式相同,即湖冰形成较早的区域则消融较早,且前者持续时间（18~31 d）整体上大于后者（7~20 d）,二者相差约10 d。④ 冬半年负积温大小是影响青海湖封冻期的关键要素,但风速和降水对青海湖湖冰的形成和消融亦发挥着重要作用。     

基于ERA5-LAND的中国东北地区近地表土壤冻融状态时空变化特征

土壤冻融交替是陆地表层极其重要的物理过程,土壤冻融状态的频繁变化对地气能量交换、地表径流、植被生长、生态系统及土壤碳氮循环等均具有重要的影响。本文基于1981—2019年ERA5-LAND逐小时土壤温度数据,借助GIS空间分析功能,利用Python编程处理分析了中国东北地区近地表土壤冻融状态的时空变化特征。结果表明：从不同冻融状态起始日期的空间分布来看,近地表不同阶段的起始日期主要受纬度和地形的影响,具有明显的纬度地带性和垂直地带性。春季冻融过渡期和完全融化期的起始日期由东南向西北均呈逐渐推迟趋势,而秋季冻融过渡期与完全冻结期起始日期则由东南向西北随纬度升高越来越早。就不同冻融状态发生天数的空间分布而言,研究区南部春季冻融过渡期发生天数多于北部,西部多于东部,年均发生天数均在30 d以内;秋季发生冻融的天数空间差异不大,研究区一半以上的地区年均发生天数在10 d以内。完全融化期发生天数最多,从东南向西北呈逐渐减少趋势,年均发生天数主要介于150~240 d之间;完全冻结期发生天数则由南向北日益增多,其空间分布表现为一向南开口的簸箕形,各地年均发生天数集中于90~180 d之间。从时间变化趋势来看,近年来春季冻融过渡期起始日期以提前趋势为主,而秋季冻融过渡期起始日期总体表现为延后,致使完全融化期发生天数以增加趋势为主,年均变化速度高达0.2 d/a;大兴安岭以西、呼伦贝尔高原以北地区及辽河平原春季冻融过渡期发生天数呈减少趋势,其他地区为增加趋势;大兴安岭以西地区、呼伦贝尔高原以北地区完全融化期起始日期明显提前;松嫩平原和长白山区秋季冻融过渡期起始日期推迟显著,发生天数的变化趋势呈北增南减的空间分异特征;不同地区完全冻结期起始日期的变化趋势差异显著,中部广大的平原区呈不显著的推迟趋势,而大、小兴安岭、长白山、辽东半岛和辽西丘陵则提前进入完全冻结状态;研究区完全冻结期发生天数呈减少趋势,研究区中部的季节冻土区完全冻结期明显变短,年均减少速度大于0.2 d/a。     

近10年来可可西里地区主要湖泊冰情时空变化

基于2000-2011年可可西里地区湖泊边界矢量数据、MODIS和Landsat TM/ETM+遥感影像和气象数据等资料,利用RS和GIS技术综合分析该地区主要湖泊冰情变化特征及其影响因素。结果表明：① 可可西里地区湖泊开始结冰和完全结冰出现在每年的10月下旬至11月上旬和11月中旬至12月上旬,湖泊由开始冻结至完全冻结持续时间约半个月;湖冰开始消融和完全消融时间较为分散,主要出现在每年的4月下旬至6月初和5月初至6月上旬,湖泊完全封冻期和封冻期为181 d和196 d。② 2000-2011年间,可可西里地区湖冰物候特征发生了显著变化,湖泊开始冻结和完全冻结时间推迟,湖冰开始消融和完全消融时间提前,湖泊完全封冻期和封冻期持续时间普遍缩短,平均变化速率分别为-2.21 d/a和-1.91 d/a。③ 湖冰物候特征及湖泊冰情演变是区域气候变化和湖泊自身条件共同作用的结果,其中气温、湖泊面积、湖水矿化度和湖泊形态是影响湖冰物候特征的主要因素,而湖泊热储量、地质构造等因素对湖冰演化的作用亦不可忽视。④ 可可西里地区湖泊冻结空间模式与消融过程相反,以湖冰由湖泊一岸扩展到另一岸的湖泊数量居多。     

藏北高原土壤的温湿特征

通过藏北高原两个站点(D110和安多)土壤温湿特性的分析,表明浅层土壤温度的变化幅度明显的比深层的要大,而且浅层土壤温度受地表随机天气过程的影响较大。浅层(20cm)土壤在未冻结前湿度的变化幅度不但受形成降水的地表随机天气过程的影响,而且受其下层土壤湿度状况的影响。下层土壤湿度越小,浅层(20cm)土壤湿度的变化幅度越大。土壤湿度和土壤温度之间存在着明显的相互关系,土壤的湿度状况能够影响土壤温度变化的幅度和土壤温度变化的趋势。     

念青唐古拉山北麓草甸海拔分布上限土壤温湿度的季节变化

本研究基于西藏念青唐古拉山北麓高山嵩草草甸海拔分布上限(5125 m) 地下10 cm和30 cm土壤温度和水分连续3 年(2008-2010 年) 的监测数据, 分析了草甸海拔分布上限土壤温度和未冻水含量的季节动态特征。结果表明:1) 土壤在4 月中下旬解冻, 10 月中下旬冻结;6-8月份土壤温度日振幅最大, 10 cm和30 cm分别为3.8℃和1.4℃;2) 土壤未冻水含量回升(下降) 在解冻(冻结) 开始后, 5-10 月份未冻水含量较高, 其中10 cm和30 cm 分别为2%~6%和15%~20%;3) 基于10 cm土壤温度推算的本地区高山嵩草草甸海拔分布上限的生长季在6 月初至8 月末或9 月初, 持续时间为80-87 天, 生长季平均土壤温度和含水量分别为6.78±0.73℃和4.14±0.91%, 生长季期间日最低温度集中在3~7℃之间(占90%以上天数);4) 与较低海拔处(4980 m) 相比, 高山嵩草草甸海拔分布上限处10 cm土壤温度和未冻水含量均明显偏低, 生长季8月份出现日最低温< 5℃的天数也明显增加。     

2000-2013年西藏纳木错湖冰变化及其影响因素

湖冰物候事件是气候变化的敏感指示器。本文以西藏纳木错湖为研究对象,基于MODIS多光谱反射率产品数据监测了2000-2013年纳木错湖冰冻融日期,并结合多个气象站点的气象数据和实测湖面温度、湖面辐射亮温分析验证了湖冰变化的原因。纳木错湖冰变化较好地响应了区域气候变暖：开始冻结日期延迟和完全消融日期提前使湖冰存在期显著缩短(2.8 d/a)、湖冰冻结期增长、湖冰消融期缩短,其中消融期变化最为明显,平均每年缩短3.1 d。湖冰冻融日期的变化表明：2000年后纳木错湖冰冻结困难,消融加速,稳定性减弱。纳木错湖冰变化主要受湖面温度、湖面辐射亮温和气温变化的影响,它们可以作为气象因子来解释区域气候变化。     

藏北高原土壤温度的变化特征

通过GAME -Tibet野外工作前期所得到的土壤温度资料 ,初步分析了藏北高原不同地点不同深度土壤温度随时间的变化特征 ,并探讨了这种特征形成的原因。认为这可能与降雪、反照率、长波辐射、凝结潜热等的反馈过程及土壤湿度有关。由于土壤湿度等的影响 ,较潮湿的地方下层土壤从开始冻结到完全冻结需要一个较长的时间过程。     

1986—2017年呼伦湖湖冰物候特征变化

湖冰冰情物候特征是气候变化的敏感指示器之一。论文以呼伦湖为研究对象,基于MODIS、Landsat、GF-1、HJ-1等多源遥感影像及气象数据,利用RS和GIS技术综合分析了1986—2017年呼伦湖冰情物候特征及其对区域气候的响应。结果表明：① 呼伦湖年均开始冻结时间在10月下旬至11月上旬,从结冰开始到完全封冻的时间平均只有6.4 d;开始融冰时间在次年的4月上旬,消融期平均为32 d左右,到5月初或5月上旬湖冰完全融化。② 1986—2017年,在整个研究期呼伦湖完全封冻期呈现显著缩短趋势,平均缩短18.5 d;完全结冰时间有一定延迟现象,平均延后8.4 d;冰全部融化时间呈现提前趋势,平均提前了11.2 d。③ 湖冰冻结消融空间特征表现不同,冻结时先从湖岸形态较复杂地区结冰,然后由东岸向西岸迅速封冻,消融时先从湖泊西北岸开始,逐渐向东岸融化。④ 在影响因素方面,呼伦湖冰情特征主要受到区域气温、风速、风向等因素的影响。     

藏北高寒草原土壤温度变化与冻融特征

冻融是藏北高寒区重要的自然环境特征和表生过程,冻融过程中土壤水分和热量迁移及其温湿度的时空分布特征对生态系统具有重要的意义。利用青藏高原申扎站高分辨土壤温度数据资料,对土壤温度不同时间尺度的变化特征,特别是冻融过程中土壤温度日和季节尺度变化特征进行分析。结果表明:观测期内,日尺度和月尺度上气温与土壤温度整体变化趋势具有一致性,但土壤温度变化相对缓和,且随着深度的增加,这种平缓趋势和时滞愈加明显;土壤温度冬春季变幅剧烈,反应了冻融过程对土壤温度的显著调节作用;小时尺度上,土壤温度昼夜变化过程大致呈现正弦波型,随深度增加,振幅减小,峰谷变化相位滞后延长。研究可为该区域生态、土壤、植被、微气候、微地貌等地表原位地理环境过程研究提供相关依据。     

念青唐古拉山西段高海拔陆-气系统水热特征

利用实测的念青唐古拉山脉南坡海拔4800 m和5333 m,以及北坡5400 m的土壤温、湿度和地表气温一年的数据,对该地区水热特征作了初步分析,结果表明：地、气温差冬季大夏季小,且相对邻近地区偏大。同时地温与气温有良好相关,但随深度增加,相关系数减小。土壤热力梯度的方向低海拔由下而上,高海拔则相反。土壤湿度高海拔略大于低海拔,干季和湿季分别受冻融过程和印度洋季风降水影响。高海拔冻结期比低海拔长3~4个月,其下层土壤湿度在冻融交替期表现一个剧烈的跃变现象。念青唐古拉山南、北坡海拔相近区域相同层位土壤温度差异在0~8℃之间。南坡土壤温度年平均高于北坡3~4℃。南坡冻结比北坡晚而融化比北坡早,上层土壤湿度南坡小于北坡,而下层土壤湿度南坡大于北坡,南北坡水热过程存在明显差异。     

季节性冻融对盐荒地水盐运移的影响及调控

季节性冻融是干旱区土壤盐碱化形成的主要驱动因子,但冻融过程中土壤水盐耦合关系及热量调控机理仍不清楚。通过分析2009年11月～2010年5月新疆玛纳斯河流域典型盐荒地季节性冻融过程中土壤剖面160 cm以内的水分、盐分和温度动态变化,探讨了不同土层冻融过程中水热盐的耦合关系。结果表明：土壤最大冻结深度为150 cm左右,表土层（0～40 cm）温度与气温关系密切;土壤剖面水分呈现“C”型垂直分布,表土层和底土层（100～160 cm）含水量较大,而心土层（40～100 cm）含水量不足10%,土层平均含水率在冻融前期增加了12.91%,而在初蒸期减少了10.01%;土壤剖面盐分在冻结期和初蒸期表聚作用明显,心土层和底土层含盐量稳定,土壤剖面含盐量表现为“积盐-脱盐-再积盐”的变化过程。水热盐之间具有高度协同性,心土层和底土层表现为水盐相随、而表土层为水去盐留的耦合特征,热量传输是调控水盐运移的关键因素。     

2000—2019年赛里木湖湖冰物候特征变化

基于MODIS影像、中国湖泊数据集及气象数据,综合分析了2000—2019年赛里木湖湖冰物候特征变化及影响因素.结果表明:(1)赛里木湖湖冰开始冻结和开始消融日期平均出现在11月2日和4月26日,湖冰完全封冻和完全消融日期平均出现在1月18日和5月17日,湖冰完全封冻期和湖冰冰期平均为99 d和196 d.(2)近20...     

2000—2020年中亚大型湖泊湖冰物候时空变化

湖冰物候变化特征是区域气候变化的敏感指示器之一。近几十年来,由于全球变暖和人为活动的影响,中亚地区的气候发生了显著变化,准确监测湖冰物候对于了解中亚地区气候变化具有重要的科学意义。通过对中亚地区7个大型湖泊(卡拉库尔湖、巴尔喀什湖、咸海、阿拉湖、斋桑泊、查蒂尔-科尔湖以及马卡科尔湖,面积>100 km²)2000—2020年的长期地表反射率数据、气象数据以及湖泊资料的综合分析,利用GIS相关技术探讨其湖冰物候特征及其影响因素。结果表明：(1)中亚地区的湖泊在9月中旬至11月上旬期间开始结冰,11月底到12月底会完全封冻,湖泊平均冻结时间为35 d;湖冰在3月底至5月中开始消融,4月上至6月上会完全消融,湖泊平均消融时间为18 d。(2)2000—2020年中亚7个湖泊中有5个湖泊开始冻结日期呈现延后的趋势,平均延后速率为4.86 d·(10a)^-1,巴尔喀什湖开始冻结日期呈现提前趋势,提前率为1.44 d·(10a)^-1。完全消融日期呈现提前的趋势,平均提前率为2.90 d·(10a)^-1。7...     

怒江流域中上游地表冻融特征及时空分布

冻土水文过程的复杂性使其分析及模拟较为困难,在研究青藏高原冻土退化水文效应的过程中,需要明确流域内土壤冻结和融化状态的时空变化特征。利用被动微波遥感数据反演获得的地表冻融状态,系统地辨识怒江流域中上游地表冻融状态时空变异特征。结果表明:1.怒江流域贡山水文站以上年平均地表冻结天数270 d的区域占研究区总面积的32.0%,而180~270 d的则约占62.3%,海拔高度每升高1 000 m,年地表冻结天数平均增长约62 d;2.研究区不同年份持续冻结的开始和结束时间差异较大,融化-冻结阶段的9—10月平均气温与阶段末10月地表冻结面积的相关系数为-0.80,而冻结-融化阶段的4—6月平均气温与阶段末6月地表冻结面积的相关系数则为-0.87,均在0.01水平上显著负相关,研究区气温的年际波动导致地表冻结面积、冻结日期、融化日期及冻结持续时间等的年际变化;3.被动微波遥感反演获得的高时间分辨率冻融状态数据,可为气候变化背景下,缺资料高原山地流域大范围地表冻融状态变化分析、流域尺度水文过程模拟等提供良好的数据支撑。     

荒漠绿洲湿地土壤水热盐动态过程及其影响机制

以甘肃临泽荒漠绿洲湿地为研究对象，通过对土壤温度、含水量、电导率及蒸散量的野外观测，在植物生长期和冻融期分别深入分析水热盐耦合运移过程及其影响因素，探讨水热梯度对盐分运移及其分布格局的控制作用。结果表明：土壤温度整体呈现出春夏季逐渐升高、秋冬季降低趋势。在冻结期，土壤表现为脱盐状态，表层电导率由2.8 mS·cm^-1降到1.2 mS·cm^-1；而在消融期为积盐状态，表层电导率由1.2 mS·cm^-1升到3.7 mS·cm^-1。在生长期，土壤含水量和电导率波动较为剧烈，表层含水量27%~43%，表层电导率3~5.5 mS·cm^-1，土壤脱盐、积盐反复出现。全年蒸散量总体呈单峰变化趋势，年蒸散量507 mm；土壤电导率与蒸散量呈正比关系，与地下水位呈负相关关系；蒸散发作用是土壤表层积盐的主要驱动力，而地下水波动影响着湿地脱盐、洗盐过程。因此，荒漠绿洲湿地土壤盐分累积过程是水分运移和热量传输过程发生变化的结果。