西北内陆盆地冻结-冻融期的地下水补给与损耗

天山北麓平原区,每年冻结过程的时间远大于融化过程。在昌吉地下水均衡试验场,选择该平原的3种代表性土壤(粉质轻粘土、细砂、砂砾石),利用地中渗透仪观测冻结冻融期的地下水补给与损耗。根据不同岩性的地下水蒸发极限深度,设计了不同的地下水埋深。在冻结期,砂砾石、细砂岩性分布地区有利于浅埋型地下水资源的保护。在冻融期,无论何种地下水埋深水平,3种岩性的地下水都获得冻融水的补给,但细颗粒岩性的补给量相对较少且存在滞后效应,相反,粗颗粒岩性更有利于地下水资源的形成。冻结期一个月的地下水最大损耗量不超过253mm(砂砾石),而冻融期一个月的地下水最大补给量高达1133mm(细砂),冻融期是年内地下水的重要补给时期。     

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.     

西北内陆盆地降水入渗补给季节性变化——以新疆昌吉地下水均衡试验场为例

西北内陆盆地降水稀少,一年中有较长时间的冻结期,了解其降水入渗补给规律的季节性变化对于准确评估其地下水资源量和解释气候变化对其地下水补给的影响非常重要。采用新疆昌吉地下水均衡试验站27套地中蒸渗仪1992—2015年试验资料,应用拉依达法则筛选出长系列观测资料中的异常值,结合昌吉试验场相关气象要素观测资料划分西北内陆盆地冻结期、冻融期和非冻结期的时间区间,分析不同时期影响降水入渗补给地下水的主要因素;计算不同时期多年平均降水入渗补给量占多年平均年降水入渗补给量的百分比,确定不同季节对年降水入渗补给的重要性;依据多年平均降水入渗补给量随潜水埋深的变化规律,确定冻融期、非冻结期不同土质降水入渗的最佳潜水埋深。结果表明：在试验条件下,砂卵砾石和细砂非冻结期最佳潜水埋深为0.5 m,轻黏土非冻结期最佳潜水埋深0.1 m;细砂冻融期最佳潜水埋深为1.0 m,砂卵砾石冻融期最佳潜水埋深为0.5 m,轻黏土冻融期最佳潜水埋深为0.1 m;冻结期地下水位埋深对土壤入渗能力的影响十分明显,潜水埋深和降水入渗补给量之间没有显著的线性关系;冻融期是西北内陆盆地浅埋型地下水降水入渗补给的重要时期,冻结期是西北内陆盆地深埋型地下水降水入渗补给的重要时期。     

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.     

华北山区坡地土壤水分动态实验研究

在北京市怀柔区汤河口镇东台沟坡地径流实验小区上进行人工模拟降雨实验,探索降雨过程中体积土壤含水量和土壤水基质势的动态变化.结果表明:在降雨强度和前期土壤含水量较为稳定以及蒸发微弱等条件下,不同场次降雨过程中土壤水分动态变化时间与降雨强度之间呈现明显的幂函数关系;同一场次降雨过程中,坡地内不同部位不同土壤层次的土壤水分动态变化时间与土壤层次和土层部位相联系.降雨过程中体积土壤含水量和土壤水基质势的动态变化可划分为5个阶段.得出的坡地土壤水特征曲线表明了坡地砂质土壤在含水量较大时土壤吸力较小、含水量减小时土壤吸力迅速增大的水力特性.     

吉林西部盐碱水田区冻融期土壤水盐运移特征及酶活性变化

为研究冻融作用下水田0~50cm土层水、盐、pH、脲酶活性变化规律及其相关关系,采集吉林西部盐碱土区大安市水田土壤,选取冻结12h、融化12h为一个循环,开展室内模拟试验,模拟昼夜反复冻融条件下土壤水盐运移和酶活性的动态变化,分别用质量法、残渣烘干法、电位法、靛酚蓝比色法测定各层土壤含水率、含盐量、pH和脲酶活性,分析其在不同冻融条件下的变化规律和相关性。研究表明,土壤深度是影响含水率、含盐量、pH、脲酶活性的主要因素之一:20~50cm土层的水分和盐分不断向上层运移,使表层含盐量和pH升高,且水、盐之间具有显著的相关性,说明水分运移在一定程度上决定了盐分的运移;除10~20cm土层脲酶活性略有升高外,其他各层脲酶活性出现不同程度的降低。冻融过程中含水率、含盐量、pH均与脲酶活性呈现显著的相关性,脲酶活性是冻融次数、温度、含盐量、pH、有机质等多种因素共同作用的结果。因此,冻融作用在引起或加重水田表层土壤盐碱化方面起到至关重要的作用,冻融作用降低了土壤脲酶的活性,进而会影响土壤的肥力。     

天山北麓细土平原区冻结期包气带水分运移及其生态环境效应分析

依据昌吉均衡试验场负压计和地渗仪观测资料,用土壤水能量的观点,分析研究了天山北麓细土平原区冻结期包气带水分运移的规律及其与潜水的转移关系,并在此基础上,探讨了冻结期包气带水分运移的生态环境效应.     

季节性冻结-冻融期地中蒸渗计资料处理探讨

本文针对地中蒸渗计在冻结-冻融期存在的问题,利用实验站冻土及土壤水分势能资料,探索了冻土层的发育及其水分运移规律,通过对亚砂土不同埋深及不同年度的地中蒸渗计资料处理,得出冻结期和冻融期地中蒸渗计资料的处理方法及其埋深临界值。这对准确利用冻结-冻融期地中蒸渗计资料具有重要的指导意义。     

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。     

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。     

土壤冻融条件下的陆面过程研究综述

冻土是全球中高纬地区和高山地带普遍存在的自然现象,它对全球以及区域性气候、水循环、水平衡等都有着巨大的影响,土壤冻融条件下的陆面过程正是这种影响的重要环节,介绍了土壤冻融条件下陆面过程的研究现状,特别是在大气环流模型(GCM)中引入水文陆面模型以来陆面过程研究的迅猛发展,对现在国际上正在进行的考虑冻土的陆面过程研究项目,如陆面过程参数化比较计划的第二阶段第五期PILPS(2E)以及美国NASA的寒区陆面过程实地试验计划也进行了介绍,并在此基础上对土壤冻融条件下陆面过程的发展趋势进行了分析.     

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。     

黑龙江省土壤冻融期气象要素变化特征

黑龙江省春季土壤冻融剧烈,土壤湿度和温度受土壤冻融影响较大,利用黑龙江省64个气象观测站1961—2018年的逐日最高气温、最低气温、平均气温、降水量、地温资料及34个农气观测站人工观测的1981—2018年的土壤湿度资料,分析土壤冻结期间的气象要素变化,研究春季土壤冻融过程中湿度和温度的变化。结果表明：土壤冻结期从北向南缩短,且逐年缩短,冻结期平均气温从北向南升高,逐年上升,降水量西部少、东部和北部多,逐年增加;春季冻融次数平原少、山区多,逐年减少。春季融雪开始日期由北向南提前,并且呈现逐年提前的趋势,融雪期升温速率北部、东部低,中部、南部高;在春季冻融过程中,土壤湿度随着土壤深度的增加而增多,东部土壤湿度受土壤融冻影响最大;在整个冬季土壤冻结期间,北部、中部及东部土壤湿度是增加的,且随着土壤深度的增加,土壤湿度增加的越多,而西部土壤湿度是减少的,且随着土壤深度的增加,土壤湿度减少的越少;春季土壤冻融期间,0 cm平均地温全省平均在-17.3~22.1 ℃之间,南部与全省变化趋势基本一致,升温趋势明显,而北部升温速度明显慢于南部。     

正冻土水热迁移的移动泵模型

通过引入脉冲函数将流量边界条件转化为源（汇）项,冻结锋面处的假想泵从未冻土中抽吸水分并储存在冻结锋面附近的狭窄区域.将水分扩散方程在整体求解域上等效分解为两个方程,避免了处理移动冻融边界的难题.在一个分解方程中引入汇项以表达未冻区水分的流出,在另一个分解方程中引入相同大小的源项以表达冻土中水分的聚集.将移动泵模型相关场方程和变量输入COMSOL Multiphysics模拟软件的数学模块中,对一个封闭系统非饱和土冻结过程中水分和温度的变化过程进行了数值模拟,将模拟结果与前人试验和模拟结果进行了对比.     

典型天然粗粒盐渍土盐胀微观机制分析

为研究经多次冻融循环后天然粗粒盐渍土的盐胀特性及盐胀机制,对取自甘肃河西走廊地区嘉安一级公路沿线的某天然料场的粗粒盐渍土进行了室内基本工程性质试验和大尺寸多次冻融循环盐胀模型试验,并对经过多次冻融循环试验以后的天然盐渍土进行水盐迁移及扫描电镜分析。试验结果表明,粗粒盐渍土在降温阶段土体产生盐胀后亦会出现下陷,最终土体溶陷量大于盐胀量,冻融循环次数的增加会使粗粒盐渍土大颗粒骨架塌陷破坏及一维土柱体从上而下表现出热筛效应;多次冻融循环后的水分盐分在粗粒土柱剖面中的迁移呈现出不完全对应的分布关系。     

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。     

土壤冻融过程对祁连山森林土壤碳氮的影响

利用祁连山区3个气象站常年监测的冻土与温度资料,研究了0~60 cm层次土壤有机碳和全氮分布及与海拔高度、土壤温度的关系,并在室内模拟研究了冻融过程（-20~15 ℃）对祁连山青海云杉林和高山灌丛林土壤有机碳和氮矿化过程的影响. 结果表明：土壤的有机碳和全氮含量随海拔上升呈增加趋势,土壤有机碳和全氮含量与海拔呈显著正相关关系,与土壤温度呈显著负相关关系. 室内模拟实验表明,经过多次冻融循环过程,冻融处理抑制了土壤有机碳矿化过程,对照处理土壤有机碳矿化速率高于冻融处理. 冻融次数也是影响土壤有机氮矿化的一个重要因素,经过42次冻融,青海云杉林和高山灌丛林土壤中有机氮质量分数分别提高了2.42倍和2.82倍. 土壤冻融过程促进了土壤有机氮的矿化,有利于土壤中有效氮的累积.