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.     

青藏高原中部典型下垫面活动层水热动态及其热扩散率研究

多年冻土活动层, 尤其是浅层土壤的水热传输机制, 以及冻融过程的时空异质性是研究地-气间能水交换的关键。利用位于青藏高原中部的唐古拉和通天河两个活动层观测场2013年的土壤温度和水分数据, 比较了不同下垫面浅层土壤日冻融循环过程的差异, 以及不同冻融阶段的地温日变化及热扩散率特征。结果表明： 根据一日之内地温的正负波动, 浅层土壤的冻融过程可以划分为解冻期、 完全融化期、 始冻期和完全冻结期四个时期, 其中解冻期和始冻期统称为日冻融循环发生期。解冻期的持续天数和深度明显高于始冻期, 高寒草原的日冻融循环天数和发生深度明显高于高寒草甸。浅层土壤（0 ~ 20 cm）日地温变化普遍呈现明显的正弦波动趋势, 且不同冻融阶段的振幅差异较大, 由于相变的缘故, 解冻期的日地温变化振幅最小。高寒草甸的日地温振幅显著低于高寒草原, 说明日地温动态与土壤质地和土壤水分密切相关, 植被作为热绝缘层, 减弱了地温对气温波动的响应。地表下5 ~ 10 cm的热扩散率显著大于10 ~ 20 cm深度, 且5 - 10月融化季的热扩散率显著大于冻结季。热传导对流方程可以描述多年冻土区典型下垫面在季节冻融循环周期内不同月份的水分迁移方向。     

青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征

青藏高原多年冻土区冻融循环过程对地表能量及其分配的影响研究相对较少,青藏高原唐古拉站多年冻土的实测资料,依据10 cm土壤温度划分浅层土壤冻融循环的各个阶段并结合能量闭合率、地表能量各通量等数据探讨浅层土壤冻融循环过程与地气间水热交换过程之间的影响。结果表明：浅层土壤冻融循环过程各阶段均受气候变化的影响,其融化过程起始时间提前同时冻结过程起始时间推后,完全融化阶段持续时间增加,且逐渐接近完全冻结阶段持续时间;在浅层土壤不同冻融状态下,能量闭合率差值较大,其中完全融化阶段能量闭合状况普遍好于完全冻结阶段;净辐射值在完全融化阶段高于完全冻结阶段,净辐射在完全冻结阶段主要转化为感热通量,在完全融化阶段主要转化为潜热通量,地表土壤热通量在完全融化阶段为正值,在完全冻结阶段为负值。     

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。     

青海湖北岸土壤温度变化特征

利用1981-2008年刚察站0～320cm逐月平均土壤温度资料和2001-2008年逐日土壤温度观测资料,分析了青海湖北岸土壤温度变化特征、气候突变和异常年份.结果表明:各层年、季平均土壤温度呈现为极显著的升高趋势,升温率为0.25～0.91℃.(10a)-1;月平均土壤温度呈波形变化,位相随深度增加而滞后;日平均土壤温度呈正弦曲线变化;1月和10月随着深度的增加,土壤温度逐渐增大,4月和7月土壤温度随深度增加而减小;14:00时土壤温度随着深度增加逐渐下降,2:00时、8:00时和20:00时土壤温度随着深度增加而升高;除冬季5cm和15cm,秋季40cm平均土壤温度变化相对平稳,未出现突变现象外,其余各层年、季平均土壤温度均发生了突变;15cm、20cm、40cm、160cm和320cm年平均土壤温度均在20世纪80年代出现了异常偏冷,春季平均土壤温度出现了异常偏暖现象,其余各季和年平均地均表现为异常偏冷.     

青藏高原玉树地区巴塘高寒草甸土壤温湿特征分析

在青藏高原腹地青海省玉树藏族自治州玉树县巴塘高寒草甸草场设立野外试验场, 进行土壤温、湿动态监测. 利用温、湿监测数据及同步气象数据资料, 采用对比分析及线性趋势等方法, 分析了巴塘高寒草甸日、年土壤温、湿变化状况. 结果表明: 土壤温度从10:00时左右开始上升, 至17:00-18:00时达到最高值, 然后开始下降, 在第二天9:00时左右到达最低; 土壤湿度在10:00时达到最低值, 在18:00时达到最大值, 随着土壤深度的增加, 土壤湿度逐渐降低. 土壤温、湿度在不同的季节表现出不同的变化趋势, 二个点不同土层表现出相对一致的变化, 随着土壤深度的增加, 土壤温、湿度逐渐降低; 随着与雪栅距离的增加, 土壤温、湿度的变化幅度减弱; 随着土壤深度的增加, 雪栅的影响也逐渐减小. 通过对土壤温、湿不同时期的特征分析, 5月中旬至8月中旬, 土壤湿度与土壤温度呈现相反的变化趋势, 而在其余时期土壤温湿变化趋势一致; 秋季向冬季转换时, 土壤温湿呈显著下降趋势, 而后土壤进入封冻时期; 冬季向春季转换时, 土壤温湿呈显著上升趋势, 土壤进入解冻时期. 冷季时, 25 cm土壤温度高于5 cm; 暖季时, 5 cm土壤温度高于25 cm.     

青藏高原北麓河多年冻土区阴阳坡地表能量和浅层土壤温湿度差异研究

青藏高原海拔高,太阳辐射强,坡向效应显著.其中阴阳坡效应不仅导致多年冻土空间分布格局的差异性,也严重影响了冻土路基工程稳定性.目前虽有大量关于阴阳坡热效应的研究,但定量化和多因素耦合作用的研究,特别是场地内多次重复测量的定量评估研究仍不多见.通过对青藏高原多年冻土区北麓河盆地两个具有相反坡向研究场近4年(2016年9月至2020年5月)近地表温湿度、辐射和风速等野外多重观测资料的分析,研究了高海拔多年冻土区阴阳坡效应对近地表水热及能量平衡的影响.结果表明:在坡向的长期影响下,阴阳坡下垫面性质(辐射、温湿度和土壤质地等)存在较大的差异.其中,阳坡土质相对粗糙,不利于水分的保持,阴坡反之.0.05m深度阳坡(朝南坡向)的日冻融循环次数明显高于阴坡(朝北坡向)o2016-2019年阳坡和阴坡的日冻融循环总次数分别为368和109次,差异非常明显.阳坡各深度土壤温度均显著大于阴坡,温差约1.4℃.浅层地温对地表热量变化的响应速率较快,但随深度的增加阴坡地温的响应速率逐渐滞后于阳坡,且这一现象在融化阶段更为显著.融化阶段,阳坡水分的变化速率较快,随深度的变幅较大,但土壤含水量却明显低于阴坡.地表性质差异如温湿度、反照率和风速等控制着地表能量的交换过程,致使阳坡土壤热通量和短波辐射均大于阴坡.研究对深入理解高海拔、坡地多年冻土区气候—冻土关系及多年冻土模拟边界条件优化具有重要意义.     

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。     

祁连山天涝池流域亚高山草甸冻融期土壤水热变化特征

祁连山是我国重要的生态安全屏障,其高寒生态环境和水源涵养能力广泛受到近地表冻融过程的复杂影响。为了解土壤水热在冻融期的变化情况,以祁连山中部天涝池流域亚高山草甸为研究对象,分析2014—2019年冻融期大气温度、土壤温度及未冻水体积含水量(USWC)变化特征,通过统计分析法对亚高山草甸土壤冻融期土壤温度对大气温度的响应及土壤水热拟合进行了探讨。研究结果表明：冻融期亚高山草甸土壤呈单向冻结双向融化特征,观测时段内冻结深度在100～140 cm,土壤温度与大气温度的相关性较好,其中0～40 cm深度土壤温度与大气温度显著正相关(P<0.01),120～180 cm土壤温度与大气温度显著负相关(P<0.05);冻融过程中土壤USWC变化趋势呈“U”形,40～60 cm深度土壤层和表层分别在冻结期和融化期出现水分高值区;土壤USWC与负温绝对值之间具有较好的幂函数相关关系(y=ax^b),其中经验参数a始终为正值,b始终为负值且逐年增大;观测期间(2014—2019年)的土壤冻结时长、冻结速率和冻结深度等都在减小。本研究可为祁连山亚高山草甸土壤冻融作用对径流形成...     

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".     

祁连山大野口流域土壤水热空间变化特征研究

土壤水热对水源涵养功能的发挥影响较大,为了研究流域空间上的水源涵养功能变化规律,在祁连山大野口流域布设90个土壤水热监测探头,对已取得的100多万个数据采取相关分析、变异系数等方法,研究土壤水热空间的变化特征.结果表明:随海拔增大,土壤水分呈波动性增大趋势,增大率约为2.35%·(100m)^-1,土壤温度呈波动性降低趋势,降低率约为0.74℃·(100m)^-1.半阴坡土壤水分比半阳坡高1.2倍、比阳坡高1.7倍,半阳坡土壤水分比阳坡高1.4倍.半阴坡土壤温度比半阳坡低1.6倍、比阳坡低2.2倍,半阳坡土壤温度比阳坡低1.3倍.土壤水分与其深度呈二次函数的抛物线变化关系,土壤温度与其深度呈线性函数关系,深度每增加10 cm,其温度降低约0.536℃.亚高山灌丛林比乔木林土壤水分高1.5倍、比草地高1.7倍,乔林比草地土壤水分高1.2倍.亚高山灌丛林比乔木林土壤温度低1.6倍、比草地低2.3倍,乔木林土壤温度比草地低1.4倍.高海拔半阴坡灌丛林土壤温度变化最剧烈,低海拔阳坡草地土壤变化较小.研究成果可为探索流域水资源管理及利用提供科学依据和参考资料.     

冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析

活动层含水量是表征多年冻土区气候、水文和生态过程的关键参数。长期以来,由于受多年冻土区活动层水分实测样点数量稀少的限制,各类基于遥感反演、模式模拟乃至数据融合和同化等手段生产的土壤水分空间数据均存在着较大的误差。2020年10—11月在青藏高原腹地（沱沱河源区）测定了 1 072组活动层土壤含水量数据并进行分析,探讨了该时段该区域活动层土壤水分的空间差异,并与全球陆面数据同化系统数据产品（GLDAS-Noah）和欧洲中期天气预报中心发布的第五代再分析资料（ERA5-Land）进行了对比分析。结果表明,在该区域平均厚度为2.72 m的活动层内,土壤质量含水量（总含水量）约为14.0%,活动层土壤含水量与植被发育情况存在正相关关系。除高寒沼泽草甸类型外,高寒草甸与高寒草原类型的活动层含水量随深度的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。不同坡位类型的活动层含水量呈上坡位>下坡位>中坡位>平坡位,阳坡水分高于阴坡且两者活动层剖面水分变化相似。多年冻土区浅表层0~350 cm深度范围内的土壤含水量大于区内融区同深度的土壤含水量,两者土壤剖面水分分布均呈现出先增大后减小再增大的特征。该区域的GLDAS-Noah同化水分产品与实测数据对比的误差在10%以内,比ERA5-Land再分析土壤水分数据更为准确,但两种数据产品对土壤剖面上的水分垂直分布情况描述均与实测数据有较大差异。该研究结果可以为数据同化系统的模式冻融参数化方案优化及遥感水分产品研发提供科学依据。     

表层岩溶带土壤温度和体积含水率对夏季暴雨事件的响应

为揭示表层岩溶带土壤温度和体积含水率对暴雨事件的响应机制,利用HOBO土壤温度和体积含水率监测仪,连续监测2014年7-8月20 cm和70 cm土壤温度与体积含水率。结果表明:研究区域20 cm土壤温度呈日变化,这种日变化格局主要受到大气温度日变化的影响,70 cm土壤温度总体上呈上升趋势,主要受到夏季大气环流使气温升高的影响。夏季暴雨事件降低了20 cm深度的土壤温度、增加其土壤体积含水率,并且导致70 cm处土壤温度先增高后降低、土壤体积含水率升高。土壤体积含水率较低情况下,暴雨事件使得浅层较高温度土壤水快速向下移动引起升温,而后土壤体积含水率到达一定阈值后,便能够快速响应降水事件。研究表明,岩溶地区不同深度土壤温度和体积含水率受到夏季降水事件的影响存在差异。浅层土壤能够快速的响应暴雨事件,深层土壤温度和体积含水率对暴雨事件的响应不仅受到降水量阈值的影响,而且也受到表层土壤温度和体积含水率的制约。      

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。     

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%.     

高寒草甸土壤水分的影响因子及其空间变异研究

以黄河源区典型高寒草甸草地类型为对象,运用旋转主成分分析法对影响高寒草甸土壤水分的植被盖度、群落高度、土层根系深度、草地类型等9个环境因子进行了分析,将这些环境因子分为4个主成分因子依次为:立地与草地类型因子、植被因子、坡向风速因子和地形因子.同时,采用统计方法对于不同深度土壤水分进行了统计分析,揭示了土壤水分在整个土壤剖面上的空间变异可划分为:速变层(0~30 cm)、活跃层(40 cm)、次活跃层(50 cm)和相对稳定层(60 cm).     

季节性冻融作用及其对斜坡土体强度的影响——以甘肃黑方台地区为例

季节性冻土地区黄土斜坡冬春交际常发生崩塌、滑坡等地质灾害,造成了严重的生命财产损失.位于甘肃省永靖县的黄土台塬——黑方台为典型的季节性冻土地区,其3月份黄土滑坡灾害高发.通过对滑坡体的野外调查、原位监测,分析了该地区的冻融作用特征及其对斜坡土体强度的影响,证实了该地区表层土体存在显著的冻融循环作用,总结了斜坡体受冻融作用影响的宏观表现和受气温影响的斜坡表层黄土地温变化过程.在此基础上设计开展了黄土室内力学性质试验,分析了不同初始含水率对冻结黄土三轴抗剪强度参数的影响,对比分析了黄土与冻结黄土的三轴抗剪强度参数变化.由天然和饱和2种状态下的黄土经历15次冻融循环后的直剪实验得出冻融循环作用对黄土强度影响较大的结论.该结果可为冻融期黄土斜坡稳定性分析提供参考.