北麓河流域多年冻土区退化草甸的土壤水文特征分析

选取长江源北麓河地区受冻融作用影响而严重退化的高寒草甸典型区域进行取样, 通过实验和模拟等方法, 对该区域内不同深度土层的土壤特征曲线、土壤饱和导水率、土壤粒径、容重和总孔隙度进行了研究和分析.结果表明: 土壤的水分特征曲线由Gardner等与van Genuchten提出的幂函数方程拟合效果良好, 0.1 MPa为土壤水分特征曲线的临界值. 0~5 cm表层土壤的持水能力最小, 20~30 cm土壤的持水能力最大. 0~5 cm表层土壤供水能力最小, 15~30 cm土层的供水性能最好, 适合植被根系的生长.土壤的饱和导水率随着深度的增加而减小.     

青藏高原典型寒冻土壤对高寒生态系统变化的响应

高寒生态系统对全球变化非常敏感,以青藏高原腹地的长江黄河源区为研究区域,利用多期遥感TM数据和生态样带调查数据,提出生态综合指数方法.应用土壤结构、组成与水理特性等物理指标和土壤化学性质与养分含量指标,系统分析了青藏高原典型寒冻土壤如钙积寒性干旱土、简育寒性干旱土、草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土等对高寒生态系统变化的响应特征.结果表明:随着气候变化,主要高寒生态系统如高寒草甸、高寒草原以及高寒沼泽草甸等显著退化,寒冻土壤表层呈现明显粗粝化,草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土表层土壤细粒物质流失38.7%,土壤孔隙度和容重增加;高寒草甸土壤表层饱和导水率随综合生态指标值降低而急剧增大,当植被覆盖度<50%以后,土壤表层水分集聚现象不再存在,高寒草原土壤饱和导水率变化不明显;高寒草甸与高寒草原土壤的有机质和全氮含量均随生态指数减少而分别呈现抛物线和指数曲线形式减少.随着气候变暖和人类活动干扰的加剧,高寒草地生态系统变化将可能导致寒冻土壤环境持续退化并对高原草地碳循环产生重要的影响.     

高寒植被生态系统变化对土壤物理化学性状的影响

在黄河源区选择典型样地,对土壤有机质(SOM)、全氮(N)等化学性状及土壤机械组成、容重和土壤导水率等物理特性进行分析.结果表明,植被退化导致土壤物理化学性状显著退化.灌丛草甸草地土壤表层有机质(SOM)从179.58 g·kg^-1降到49.48 g·kg^-1,表层碱解N流失率为30%,退化嵩草草甸表层有机质SOM减少53%,碱解N损失率为28.4%.沼泽地有机质SOM减少了15.11 g·kg^-1.退化后的土壤土层厚度变薄,土壤颗粒变粗,土壤水分分布和含量出现变化,土壤出现沙化,土壤容重增大,土壤导水率与植被盖度有很好的相关性.研究表明,高寒植被生态系统的变化引起了土壤理化特性的强烈变化,高寒土壤环境出现退化.     

高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环影响研究

土地覆盖变化对流域水平衡的影响是流域水学和生态水学研究的关键问题之一。以黄河源区两个典型小流域为研究对象，通过对流域不同植被类型与植被覆盖土壤的水分含量、入渗过程、蒸散发特征的测定，研究了高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环的影响．结果表明：广泛分布于青藏高原河源区的高寒草甸草地，植被覆盖度与土壤水分之间具有显的相关关系，尤其是20cm深度范围内土壤水分随植被盖度呈二次抛物线性趋势增加；在保持其原有的植物建群和较高覆盖度时，土壤上层具有较高持水能力，降水通过表层向深层土壤的渗透速度缓慢，且具有较均匀的土壤水分空间分布，水源涵养功能明显；高寒草甸草地退化后的高山草甸土壤趋于干燥，持水能力减弱，即使进行人工改良以后，土壤水分含量与持水能力也不会有明显改善．保护河源区原有高寒草甸草地对于河源区水过程意义重大。     

长江源区不同植被覆盖下土壤水分对降水的响应

土壤水分是连接气候变化和植被覆盖动态的关键因子,以长江源区北麓河一级支流左冒西孔曲典型小流域为研究对象,通过观测降水特征、植被覆盖情况、土壤特性、土壤水分变化、入渗过程以及蒸散发和凝结,分析了不同植被覆盖下土壤水分变化与降水之间的响应关系.结果表明:研究区内高寒草甸土壤水分对降水的响应存在十分明显的滞后现象,滞后时间较长;当植被退化较为严重时,20 cm深度范围内土壤水分对降水有一定响应,深层土壤比较干燥,对降水的响应微弱;在保持其原有植物建群和较高覆盖度时,土壤持水能力增强,深层土壤含水量明显提高,土壤水分变化剧烈,对降水的响应深度达到40 cm以下.较高的植被覆盖能有效改善土壤物理结构、提高土壤有机质含量,促进降水入渗.植物根系导致的较大孔隙优先流运动以及根系吸水作用影响了土壤水分对降水的响应和土壤水分的空间分布.不同植被覆盖度下,土壤水分的蒸散发与凝结具有明显差异,高覆盖度的高寒草甸土壤,蒸散发量较小,凝结水量较大.     

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.     

青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析

青藏高原多年冻土区活动层土壤的入渗规律研究是高寒区土壤水循环过程研究的主要内容。以青藏高原多年冻土区高寒沼泽草甸、高寒草甸和高寒草原的活动层土壤为研究对象,裸地为参照对象,分析了不同植被类型土壤的入渗规律及其主要影响因子。结果表明：不同植被类型土壤的入渗能力排序为高寒草原>裸地>高寒草甸>高寒沼泽草甸。高寒草甸土壤中致密的根系对土壤水分的运移具有强烈的阻滞作用,降低了土壤的入渗性能,而高寒草原土壤层根系较为稀疏,对土壤入渗的阻滞作用较弱,土壤水分向深层的渗漏速率较大。通过对比4种土壤入渗模型的模拟结果,发现Horton模型更适用于描述高寒草地土壤水分的入渗过程。另外,不同入渗模型对裸地入渗过程的模拟均优于其他植被类型草地,说明植被类型及植物的生长状况影响土壤入渗过程的模拟效果。全球变暖条件下,多年冻土区土壤入渗研究将为青藏高原多年冻土区陆地水文过程模型提供参数支持,为未来水资源变化研究提供基础数据。     

青藏高原多年冻土区高寒草地生物量与环境因子关系的初步分析

以青藏高原多年冻土区3种高寒草地植被为研究对象,设置6个样地,并结合附近活动层观测场环境因子数据,定量分析生物量与环境因子的关系.结果表明,各高寒草地地下生物量对总生物量的贡献率最大,而地下生物量在0～10cm集中分布;对于总生物量和地下生物量,各因子影响程度大小次序为:土壤盐分土壤含水量空气温度,而对地上生物量,依次为土壤含水量土壤盐分空气温度;土壤温度同生物量存在负相关关系.同时,伴随多年冻土退化,活动层表层不同深度(10～50cm)土壤温度明显升高,含水量逐渐降低,土壤盐分不断增加,从而使高寒草地植被类型出现由高寒沼泽草甸、高寒草甸至高寒草原的逆向演替过程,群落总盖度及生物量均表现出明显降低的趋势.     

多年冻土区活动层土壤水分对不同高寒生态系统的响应

土地覆被变化对土壤水分的影响是生态水文学和流域水文学研究的关键问题,基于长江源典型多年冻土区不同高寒草地土壤水分的观测,结合降水、生物量（包括地上和地下）和土壤理化性质,研究了活动层土壤水分变化对不同高寒生态系统的响应. 结果表明：高寒草甸生物量、土壤养分含量均比高寒草原高,且对降水响应更为强烈,致使高寒草甸土壤水分变异性弱于高寒草原. 在土壤完全融化阶段,高寒草甸土壤活动层存在一个低含水层（50 cm左右）和两个相对高含水层（20 cm和120 cm）,但高寒草原土壤水分在活动层剖面上有随深度逐渐增大的一致性趋势;在秋季冻结过程中,高寒草甸土冻结起始日滞后于高寒草原土3~15 d;在春季融化阶段,高寒草原土更高的含冰量需要更多的融化潜热. 此外,表层土壤中（0~20 cm）,高寒草甸土比高寒草原土有更大的持水特性,而在活动层中下部则呈现完全相反的结果,不同高寒生态系统的演替改变了土壤的水热迁移过程.     

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).     

青藏高原典型多年冻土区的一维水热过程模拟研究

了解多年冻土内部的水热过程对寒区工程规划和建设的辅助决策具有重要意义.冻土的水分迁移与温度变化密切相关,然而传统的经验模型局限性大,对水热物理过程考虑不足;陆面过程模型所需的驱动数据多且很难准确模拟深层土温,尽管数值模型在工程上应用的比较多,但很少应用到冻土的演化过程中.基于非饱和土壤渗流和热传导理论,实现了冻土水分场与温度场的水热耦合数值模拟.以唐古拉综合观测场为例,将数值模拟结果与观测数据进行对比,验证水热耦合数值模拟的有效性.结果表明：模型对土壤温度模拟效果较好,15 m以上R²在0.88以上,RMSE在1℃以内;水分模拟尚可,但仍存在一定误差,R²在0.7以上,RMSE在7.65%以内.模拟的活动层厚度约3.6 m,年平均地温所在的深度约为15 m,与实测值基本一致.该水热耦合模型可用于研究多年冻土区土壤水热变化规律.     

多年冻土区土壤多环芳烃污染研究进展

多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）是一种难降解、毒性强的致癌性污染物,其广泛分布于各环境介质中,陆地环境中90%的PAHs累积在土壤中。随着资源的开发,由油品泄漏、垃圾渗滤、污水排放等行为造成的多年冻土区PAHs土壤污染问题日益突显,并且在气候变化背景下,多年冻土中的PAHs具有重新释放而造成二次污染的风险,多年冻土区土壤多环芳烃污染分布特征和迁移规律研究对评估多年冻土区生态环境风险,防治土壤持久性有机物污染,保障广大多年冻土居民生命健康安全具有重要意义。通过回顾目前国内外多年冻土区土壤中PAHs污染的相关研究,分析发现多年冻土区未受污染的土壤中PAHs的污染水平远低于中低纬度人口密集区域,可代表地球土壤中PAHs的背景值;高纬度或高海拔的地理位置以及严寒的气候使得冻土区土壤中PAHs一个普遍且最重要的来源是大气远距离传输;活动层的冻融作用主要通过改变土壤理化性质和控制水分运移方向影响PAHs在多年冻土区土壤中的垂向分布特征,多年冻土的低渗透性具有阻碍PAHs垂向迁移的作用。综合分析已有研究成果,表明目前冻土区土壤PAHs污染研究还是大量集中于表层土壤中的污染分布调查和来源解析,而关于PAHs在活动层和多年冻土层中的垂向迁移研究还仅限于对其在土壤剖面中分布状况的解释性分析,冻融作用对PAHs在土壤中的迁移、转化和归宿的影响机制还不清楚。未来多年冻土区土壤中PAHs的研究将集中于迁移转化机理与污染治理技术两方面,针对PAHs在多年冻土区土壤中迁移行为的模拟模型亟待研究开发,以实现PAHs污染储量和迁移通量的定量预测;此外,多年冻土区土壤污染问题的深入研究还需要紧密联系多圈层、多界面、多介质、多要素以及多目标污染物而开展。     

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.     

气候变暖对多年冻土区土壤有机碳库的影响

多年冻土区存储了大量土壤有机碳。气候变暖、 多年冻土退化导致其长期封存的有机碳逐渐或快速释放, 进入大气圈或水系统, 改变原有多年冻土区碳循环, 并可能显著加速气候变暖。通过综述气候变暖对多年冻土区碳库的影响研究进展, 主要包括多年冻土碳库储量、 降解机理及变化预测, 研究表明： 北半球多年冻土区的碳储量巨大, 但不确定性很高, 尤其是海底多年冻土和水合物碳库储量的评估; 多年冻土碳库对气候变暖的响应速度受土壤水热特性、 土壤有机质C/N比、 有机碳含量和微生物群落特征等多种环境因素的控制或影响; 目前, 关于北半球多年冻土碳库对气候变暖响应模拟结果说明, 多年冻土退化短期内不会导致经济和生产方面的灾难性后果。但是, 无论是针对多年冻土碳库评估, 还是多年冻土有机碳库对气候变暖的响应模拟研究结果, 都有较大的不确定性。未来多年冻土碳库变化的模拟和预测研究应更多考虑多年冻土快速退化和多年冻土区水合物分解, 如中小尺度热喀斯特的生态环境和碳的源汇效应。准确的多年冻土区有机碳排放模拟可为未来多年冻土碳与气候反馈的预估提供重要支持。     

青藏高原多年冻土和季节性冻土区土壤水分变化及其与降水的关系

使用地面观测数据对欧洲空间局(ESA)发布的气候变化倡议(CCI)土壤水分产品进行精度校准,结合青藏高原及其周边降水气象站数据,分析土壤水分动态变化及其与降水的关系.结果表明:(1)校正后的CCI主被动组合产品所反演的青藏高原土壤水分获得了更高的精度,且显示1986～2016年暖季土壤水分在多年冻土区的逐年变化更为稳定...     

土壤中热量传输计算的研究进展与展望

土壤中热量传输计算的研究分为土壤热通量计算方法和土壤导温率计算方法两方面的成果. 目前已有土壤热通量的计算方法, 在土壤表层可以得到较好结果, 但在土壤深层的适用性无法确定. 多孔介质模型和考虑水的渗流造成的影响, 是多年冻土区土壤导温率的计算方法的研究方面新的进展. 为研究青藏铁路沿线冻土演化趋势找到合适的土壤热量传输计算方案, 应是今后工作的一个重点.     

冻土导热系数研究现状及进展

冻土导热系数是影响冻土温度及热通量变化的一个重要参数,也是研究陆地表层水热盐耦合运移的基本物理参数。根据国内外研究现状,列举了导热系数的测试方法（稳态法和瞬态法）,总结并讨论了冻土导热系数的影响因素及其变化规律,并对目前已有的导热系数计算模型进行了比较分析。现有研究认为：土壤质地、温度和含水（冰）量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素,因此,冻土土导热系数随这些影响因素的变化规律方面的研究工作非常多;而关于未冻水含量、土骨架组成及冻土结构等对冻土导热系数影响的相关研究较为缺乏。通过比较分析国内外土壤热导率计算的相关模型,认为适用于常温下导热系数的模型发展趋于成熟;而现存的适用于冻土区的导热系数计算模型多以一种或几种土壤条件为前提,或者多考虑局地因素影响,模型的适用性具有局限性。考虑到多年冻土区土壤受冻融循环影响较大,以及多年冻土内部水热传输过程的复杂性,多年冻土区导热系数的计算模型仍需进一步深入研究。     

中国冻土地下水研究现状与进展综述

冻土地下水系统不仅在寒区水文循环中扮演着重要的角色,同时也在寒区水文过程和地表过程及其科学研究中起到了集蓄、融冻和泄流等至关重要的作用。近几十年随着全球气候变暖及人类活动（寒区工程量）的增加,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,导致地下水动态特征发生显著变化,从而引起一系列的生态环境变化。近些年,诸多学者通过构建水热耦合模型来研究冻土地下水的运动机理、分布状况和季节动态,促进了寒区地下水理论知识的发展,推动了寒区水文地质知识体系的进步。本文主要针对目前我国多年冻土区地下水的研究现状进行了分析、整理、归纳,为进一步研究气候变化下地下水系统的发展与演变,以及对生态环境的影响提供参考依据。     

基于SHAW模型的青藏高原唐古拉地区活动层土壤水热特征模拟

利用唐古拉综合观测场活动层及气象塔2007年的数据资料, 结合SHAW模型在3种不同地表反照率选取方案下进行模拟试验, 对唐古拉地区活动层土壤水热特征进行了单点数值模拟研究.通过观测值与3种模拟值的对比分析, 结果表明: SHAW模型能够较为好地模拟多年冻土区地表能量通量、 活动层土壤温度特征, 而对土壤含水量模拟不太理想, 但对其变化趋势模拟较好; 在模拟试验中, 模型输入参数地表反照率取1-12月各月平均地表反照率后, 模型对地表能量通量、 活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高; 而用一种地表反照率参数化方案的计算结果对模型输入参数进行修正后, 模型对活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高, 对地表能量通量的模拟效果提高不明显.总体上, SHAW模型对高原多年冻土区土壤冻融过程的模拟具有优势, 是研究高海拔多年冻土区活动层土壤水热过程较为理想的陆面模型.     

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。