青藏高原风火山流域多年冻土活动层土壤水分入渗特征及变化分析

坡向和坡位是影响坡面活动层土壤水分入渗的重要因素,然而当前对多年冻土区活动层土壤冻融循环影响下不同坡向、坡位土壤水分入渗特征的研究甚少。本文设置了不同时空条件的野外试验点,更加系统地分析了青藏高原多年冻土区活动层土壤水分入渗过程的时空差异性。选取青藏高原腹地风火山流域高寒草甸坡面活动层土壤为试验地,分别在不同的坡向(阳坡、阴坡)和坡位(坡顶、坡中)设置观测点,分析活动层土壤在完全融化期(7—8月)和开始冻结期(9—10月)坡面水分的入渗特征及其时空差异性,评估不同入渗模型在研究区的适用性。结果表明,多年冻土区坡面活动层土壤水分入渗特征具有较强的时空差异性。土壤水分入渗过程可以分为入渗瞬变阶段(0～30 min)、入渗渐变阶段(30～100 min)、入渗稳定阶段(>100 min)三个阶段,入渗速率的大小整体表现为阳坡>阴坡,坡顶>坡中,完全融化期>开始冻结期,瞬变阶段>渐变阶段>稳定阶段。五种模型对入渗过程的模拟结果显示,Horton模型对青藏高原多年冻土区土壤水分入渗过程的模拟效果最佳,而通用经验模型和蒋定生公式对入渗的拟合曲线和统计参数几乎完全...     

青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤水分入渗变化研究

在多年冻土区典型坡面上,将坡面划分为坡下（L）、坡中（M）和坡顶（H）三个坡位,每个坡位上各选取92%、60%和30%植被盖度为研究对象,用双环入渗仪测定土壤水分入渗过程,对影响土壤入渗过程的环境因子进行了分析,并基于土壤物理特性及土壤水分的测定进行模型模拟。结果表明：研究区不同植被盖度下土壤水分入渗性能在活动层冻融过程中差异明显,初始含水量和初始入渗率具有较好的负相关关系;稳定入渗率大小为：活动层融化期,92%（0.61 mm·min^-1） > 60%（0.50 mm·min^-1） > 30%（0.29 mm·min^-1）;活动层开始冻结期,60%（0.56 mm·min^-1） > 30%（0.39 mm·min^-1） > 92%（0.26 mm·min^-1）。土壤水分入渗速率具有显著的坡位差异并与冻土的冻融循环过程关系紧密。主要表现为,稳定入渗速率随坡位高度的降低依次递减;同一坡位下,开始冻结期入渗速率小于融化期。在整个入渗阶段,坡顶的累积入渗量是最大的,体现了较好的入渗性能。影响高寒草甸土壤水分入渗的环境因子主要有容重,有机质含量及粒径<0.1 mm微粒。通过比较研究得出,在长江源地区,活动层融化期通用经验模型f（t）=a+bt^-n更适用于该研究区域高寒草甸土壤水分入渗过程的研究,而在开始冻结期Horton模型f（t）=i_c+（i₀-i_c）e^-kt则具有更好的适用性。     

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。     

青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响

青藏高原作为“亚洲水塔”对气候变化极为敏感,研究气候变化下青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响有助于理解多年冻土地区水文过程对气候变化的响应情况。基于Budyko-Fu假设,构建了考虑多年冻土活动层厚度变化的水热耦合模型,建立了符合青藏高原多年冻土区的模型参数化方案,通过设置情景假设探讨了多年冻土退化对蒸散发的影响。模拟结果表明:1982—2018年青藏高原多年冻土区平均年蒸散发为275.6 mm,空间分布由东南向西北递减;研究区年蒸散发整体上以3.57 mm/a的速率上升。多年冻土活动层加深会引起蒸散发的增大,忽略冻土退化因素将导致约2.2%的蒸散发低估。冻土退化对蒸散发的影响呈现显著的空间异质性,土壤有效含水量和植被覆盖度越低的地区,蒸散发对冻土退化的响应越敏感。     

金沙江流域实际蒸散发遥感重建及时空特征分析

通过构建基于重力卫星的实际蒸散发重建方法来获取高精度的实际蒸散发信息,为研究气候变化下的水循环规律提供关键信息。利用GLDAS陆面模式同化数据对GRACE重力卫星水储量观测数据进行空间降尺度,通过水量平衡法,重建了金沙江流域2002-2016年的子流域尺度实际蒸散发月序列。结果表明:①基于重力卫星观测与水量平衡方法重建的实际蒸散发（ET_Recon）与ET_PLSH、ET_Jung和ET_MODIS3种遥感反演产品相比有较高的可靠性,其中与ET_PLSH的相关性最高（r=0.82）,与ET_Jung的平均差和均方根差最小。②研究区年均实际蒸散发为410.8 mm/a,空间分布上由西北向东南递增,年际变化上呈增加趋势。③季节尺度上,实际蒸散发夏季最高,呈逐年增加趋势;冬季最低,波动较平稳。     

青藏高原多年冻土区植被盖度变化对活动层水热过程的影响

不同植被盖度变化下活动层水热过程是多年冻土区水能循环中一个重要的不确定因素.为了研究植被盖度变化对活动层水热过程的影响,在青藏高原多年冻土区,选择坡向、坡型和坡度趋于一致植被覆盖度分别为92%、65%、30%的坡面建立天然径流观测场,觎测多年冻土活动层中的地温和水分状况.结果表明:活动层开始冻结和消融时间随着植被盖度的减少不断提前,且冻结持续时间缩短;随着植被盖度减小,活动层地温水分变化速率增大,植被起到抑制土壤地温水分变化速率的作用;植被盖度对夏季融化过程和秋季冻结过程活动层地温和水分的影响明显大于冬季降温和春季升温过程,对融化过程的影响较冻结过程更明显.     

黄土丘陵沟壑区坡面尺度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究

为研究黄土丘陵沟壑区多种因素对撂荒草地入渗特征的影响,采用野外自然降雨观测法,研究不同降雨特征（降雨量、平均雨强、降雨历时和最大30 min雨强（I₃₀））、土壤前期含水量、坡长（10 m、20 m、30 m、40 m和50 m）和植被盖度条件下土壤入渗特征差异,通过灰色关联度法判断影响撂荒草地入渗特征的主导因子。结果表明:①入渗量随降雨量、降雨历时和I₃₀增加而增大（R2>0.55,P < 0.01）;入渗补给系数随降雨量、I₃₀和平均雨强增大而减小（R2>0.12,P < 0.05）;平均入渗率随降雨强度、I₃₀增加而递增（R2>0.53,P < 0.01）。②入渗量和平均入渗率随前期含水量增加而减少,入渗补给系数随之增加而增大（R2>0.13,P < 0.05）。③入渗量、入渗补给系数和平均入渗率总体随坡长增加而增大（R2>0.56,P < 0.01）,但在坡长30 m和40 m之间存在临界坡长。④在入渗效率较高的情况下,植被对土壤入渗的影响并不显著,降雨特征和坡长成为主导因子。     

陇东黄土塬区不同下垫面条件下侵蚀产沙的降雨阈值

根据陇东黄土高塬沟壑区典型小流域——南小河沟流域1954—2014年实测降雨产沙资料,应用降雨侵蚀力偏差系数法研究不同土地利用类型及空间尺度下侵蚀产沙的雨量阈值、雨强阈值及复合阈值标准,并通过对比分析确定了最优降雨阈值标准。结果表明:① 对于林地和草地坡面小区,其雨量阈值标准平均值（21.0 mm）较裸地（8.7 mm）和农地（9.7 mm）坡面小区分别提高了141%和116%,植被措施能够显著提高降雨阈值标准。② 杨家沟林地小流域的雨量阈值标准为16.5 mm,低于布设在该流域的林地坡面小区,同时对比董庄沟草地小流域及其坡面和全坡面小区的雨量阈值标准,其大小亦为:草地坡面尺度 > 草地全坡面尺度 > 草地小流域尺度,由此可见,降雨阈值标准会随着空间尺度增大而减小。③ 降雨阈值标准综合评价结果表明,各样点最优降雨阈值标准均为P≥a或I₃₀≥b这一复合因子标准,而在降雨单因子阈值标准中,对于农耕地和裸地坡面小区,宜采用最大30 min雨强（I₃₀）标准;对于经过水土流失治理的下垫面,宜采用雨量（P）标准。该研究可为区域土壤侵蚀预报提供参考。     

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。     

基于蒸散发数据同化的径流过程模拟

采用集合卡尔曼滤波算法,以遥感反演的蒸散发作为观测数据,构建一种基于新安江模型的蒸散发同化系统;根据同化后的蒸散发,采用粒子群算法估计新安江模型的土壤张力水蓄量,进而改进模型的径流模拟效果。选取地表能量平衡系统模型进行汉江流域蒸散发（ET_SEBS）反演,采用基于GRACE水储量距平数据的水量平衡蒸散发（ET_GRACE）进行验证,结果显示ET_SEBS总体表现好于蒸散发产品ET_GLDAS、ET_Zhang、ET_MODIS,且相关系数（R）、均方根误差（E_RMS）、偏差（B）为0.93、11.93 mm/月、-3.47 mm/月,表明SEBS模型能够较好地估算蒸散发。将同化方案在旬河流域进行应用,结果显示同化后径流的纳什效率系数（E_NS）为0.85,较同化前0.81明显提高,且模型对枯水期径流的低估问题有一定改善,对径流峰值模拟效果提高明显。     

祁连山排露沟流域水分状况与径流形成

对祁连山排露沟水源流域水分状况进行测定分析,结果表明:流域内水分状况与径流形成潜力具有在空间上的异质性,随坡向、海拔等地形因子而发生规律性变化;流域降水不论坡向、海拔变化均能在满足植被(乔木)生长需要后有结余,水分状况较好.流域高海拔较低海拔水分状况好,形成径流潜力大;同一海拔阴阳坡径流系数没有显著差异,但阴坡森林由于结余的水分多、径流潜力大,对河川径流形成的贡献和调节作用均大于阳坡草地.流域高海拔和阴坡森林面积越大,水分状况越好,产流能力越强;流域阴坡森林对河川径流的调节作用使其面积越大河川径流越稳定.     

甘肃迭部扎尕那地区山地土壤过程的垂直分带性研究

为了研究迭部扎尕那地区山地土壤过程的垂直分带性, 对不同海拔分布的土壤类型进行垂直分带取样, 并针对不同植被类型和特殊地理因素进行横向取样, 分析土壤的化学成分及其结构. 应用GIS软件数字化研究区地形图, 提取海拔、 坡度、 坡向等地形因子, 结合土地利用资料得到土地利用类型图. 通过采样点数据与数字化地形因子图与土地利用类型图的叠加, 结合属性数据的统计分析, 讨论影响土壤过程垂直分带性各要素的垂直性规律和分布. 结果表明: 有机碳含量和全氮含量呈极好的线性正相关, 并随海拔的升高而增加. 此外, 在同一海拔范围内, 土壤有机碳含量随着土地利用类型和坡向的变化呈规律性变化. 其中, 不同土地利用类型下的土壤有机碳含量依次为有林地>高寒草甸>高覆盖度草地>农村居民点>平原耕地>山地耕地; 不同坡向上, 土壤有机碳含量依次为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡.     

路面类型对多年冻土区片块石路基热状态的影响

为了研究不同路面类型对高温多年冻土区路基的热稳定性的影响,基于温度监测数据,针对沥青混凝土路面和水泥混凝土路面下片块石路基温度、热流密度、热收支变化、冻融循环过程及冻土上限变化进行了详细的分析。发现沥青混凝土路面和水泥混凝土路面都对片块石路基的温度有较大的影响,但沥青混凝土路面影响程度和深度远比水泥混凝土路面大。片块石路基中心热收支量呈上升趋势,沥青混凝土路面下其上升速率大于水泥混凝土路面,且路基阳坡热收支量大于阴坡。无论路面材料为沥青混凝土路面还是水泥混凝土路面,片块石路基阴阳坡路肩冻土仍处于不断退化阶段,而阳坡冻土上限下降速率明显大于阴坡。与普通路基相比,片块石层的存在能大幅度抬升或减缓路基冻土上限下降,且浅色水泥混凝土路面更有利于路基的热稳定性。     

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.     

Evaluating relationships between soil chemical properties and vegetation cover at different slope aspects in a reclaimed dump

Conducting research about the relationships between soil chemical properties and vegetation coverage at different slope aspects is especially important in reconstructed ecosystems of vulnerable ecological regions. This study was conducted in the first reclaimed dump within the Pingshuo mining area of Shanxi Province, China, to analyze patterns of soil chemical properties (soil organic matter (SOM), soil total nitrogen (STN), soil available phosphorus (SAP) and soil available potassium (SAp) and vegetation coverage (NDVI) and their correlations at different slope aspects. In the reclaimed dump, 26 quadrats were established along four slope aspects (i.e., shady, semi-shady, sunny and semi-sunny slopes). There was no significant difference in SOM or STN among different slope aspects, while SAP differed between shady slopes compared to semi-shady, sunny and semi-sunny slopes; SAP differed significantly between semi-shady and semi-sunny slopes. The NDVI of semi-sunny slopes differed significantly from that of the other three aspects. There was variation in the relationships between NDVI and soil chemical properties, depending on the slope aspects. The logarithm of SOM and NDVI was related linearly on shady and semi-shady slopes, while NDVI was inversely related to the natural logarithm of the logarithm of SOM on sunny and semi-sunny slopes. STN and NDVI had a first-order function relationship on shady and semi-shady slopes, yet a quadratic function relationship on sunny and semi-sunny slopes. The relationships between SAP and NDVI were inverse on all types of slopes. On shady and semi-shady slopes, NDVI had a quadratic relationship with the logarithm of SAp, but it was well fitted by using a cubic function on sunny and semi-sunny slopes. The sensitivity coefficients of soil chemical properties and NDVI were different, and soil chemical properties changed differently depending on changes in NDVI at different slope aspects.     

高温冻土地区高等级公路片块石路基降温效果分析

基于长期、连续的地温观测数据,对位于共和至玉树高等级公路沿线、平均海拔为4 260 m且处于高温冻土区的片块石路基温度、热状态、冻融循环过程和冻土人为上限及变化速率等进行了分析,研究了沥青混凝土和水泥混凝土路面对片块石路基下伏多年冻土的影响,以期对其适用性进行评价。研究发现,沥青混凝土路面的铺设使路基吸收了较多的热量,促使下伏多年冻土升温,导致多年冻土快速退化。观测期内,高温冻土地区沥青混凝土路面下片块石路基中心冻土退化速率为33.5 cm/a,几乎是天然地基的5倍。而且路基阴阳坡效应严重,阳坡路肩冻土退化速率为33.0 cm/a,明显大于阴坡路肩 （22.0 cm/a）。与沥青混凝土路面相比,水泥混凝土路面较高的热反射率、较小的热辐射吸收率,有利于抬升冻土上限或减缓冻土退化速率。但在观测期间,发现处于高温冻土区的高等级公路片块石路基在沥青混凝土路面下融化盘面积增长速率为12.24 m2/a,而在水泥混凝土路面下为9.28 m2/a,即融化盘面积以不同程度的速率始终在增大。因此,单纯的片块石层的存在和路面类型的改变,并未彻底解决高温冻土区高等级公路路基热平衡问题,建议增加补强措施或采用复合路基结构来应对其热稳定性问题。     

黄土丘陵沟壑区坡面尺度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究

为研究黄土丘陵沟壑区多种因素对撂荒草地入渗特征的影响,采用野外自然降雨观测法,研究不同降雨特征（降雨量、平均雨强、降雨历时和最大30 min雨强（I₃₀））、土壤前期含水量、坡长（10 m、20 m、30 m、40 m和50 m）和植被盖度条件下土壤入渗特征差异,通过灰色关联度法判断影响撂荒草地入渗特征的主导因子。结果表明：①入渗量随降雨量、降雨历时和I₃₀增加而增大（R²>0.55,P<0.01）;入渗补给系数随降雨量、I₃₀和平均雨强增大而减小（R²>0.12,P<0.05）;平均入渗率随降雨强度、I₃₀增加而递增（R²>0.53,P<0.01）。②入渗量和平均入渗率随前期含水量增加而减少,入渗补给系数随之增加而增大（R²>0.13,P<0.05）。③入渗量、入渗补给系数和平均入渗率总体随坡长增加而增大（R²>0.56,P<0.01）,但在坡长30 m和40 m之间存在临界坡长。④在入渗效率较高的情况下,植被对土壤入渗的影响并不显著,降雨特征和坡长成为主导因子。