岳翠桐, 劉小燕, 劉廷璽, 付青云, 曹文梅, 劉巧玲

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

科爾沁沙坨地—草甸地凍融期地溫與最大凍結(jié)深度的變化規(guī)律

岳翠桐, 劉小燕, 劉廷璽, 付青云, 曹文梅, 劉巧玲

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

[目的] 探究科爾沁沙坨地—草甸地土壤溫度與凍結(jié)深度的變化規(guī)律，為合理指導(dǎo)該區(qū)農(nóng)工生產(chǎn)和建設(shè)提供支持。 [方法] 基于2007—2015年凍融期人工觀測數(shù)據(jù)，對比分析科爾沁沙坨地與草甸地凍融期多年土壤溫度與最大凍結(jié)深度變化規(guī)律。 [結(jié)果] 研究區(qū)100 cm處沙坨地與草甸地多年土壤溫度的標(biāo)準(zhǔn)差變化規(guī)律基本一致，草甸地要小于沙坨地，但融解后期由于草甸地融解期歷時(shí)較長，其標(biāo)準(zhǔn)差大于沙坨地；同時(shí)考慮土壤溫度和土壤水分對最大凍結(jié)深度的影響時(shí)，沙坨地在200 cm處和草甸地在140 cm處的R2分別為0.959和0.788。 [結(jié)論] 研究區(qū)內(nèi)沙坨地先凍結(jié)與先融解，沙坨地最大凍結(jié)深度較草甸地深，同時(shí)考慮土壤溫度與土壤水分的最大凍結(jié)深度的擬合優(yōu)度最好，沙坨地與草甸地中最大凍結(jié)深度與土壤溫度和土壤水分均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

科爾沁沙坨地—草甸地; 季節(jié)凍土區(qū); 凍融期; 最大凍結(jié)深度

土壤凍融是一個(gè)復(fù)雜的過程，伴隨著相變的發(fā)生和土壤物理、化學(xué)及物理化學(xué)、力學(xué)的變化過程，土壤中的水分、熱量與鹽分發(fā)生著復(fù)雜的遷移，并具有強(qiáng)烈的耦合作用[1-2]。凍土層是在土壤包氣帶中存在的一種特有的含冰土體，具有弱透水性、儲水性和抑制蒸發(fā)的作用，使寒區(qū)凍融階段的融雪水入滲、土壤墑情變化狀態(tài)以及降水、徑流、蒸發(fā)的“三水”轉(zhuǎn)換關(guān)系均不同于非寒區(qū)[3]。特別是融解期的下層凍結(jié)鋒面對融解水的阻隔作用與自身融解產(chǎn)生的水分，對春季農(nóng)作物的生長提供了充足的水分[4]。近年來干旱缺水及水體污染災(zāi)情的日益加重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展受到此現(xiàn)象的嚴(yán)重威脅[5]。凍結(jié)層的凍結(jié)與融解對土壤的墑情變化有著重要作用[6]。季節(jié)性凍土融解期土壤溫度對土壤濕度、土壤的形成、地表植被的生長以及地表水熱能量的再分配具有重要作用[7]，掌握凍融期土壤溫度的變化規(guī)律對作物的種植與生長、合理的灌溉等具有重要意義[8-12]，凍融期土壤溫度是土壤水分運(yùn)動的驅(qū)動力，土壤溫度不僅與土壤結(jié)構(gòu)及地表覆蓋物有關(guān)還與大氣、地勢、土壤性質(zhì)等因素有關(guān)[13]，越冬期土壤溫度決定初春土壤溫度[14]，影響著土壤水分入滲，且凍結(jié)土壤其入滲能力也遠(yuǎn)小于非凍結(jié)層土壤，凍結(jié)土壤具有明顯的減滲特性[15]，具有持水保墑作用。凍土是氣候變化的指示劑，氣候的變化可影響到最大凍結(jié)深度的變化，氣候變暖可使最大凍結(jié)深度減小，土壤季節(jié)性凍結(jié)深度可能是總輻射、土壤含水量、土壤特性、地理緯度、海拔高度、積雪等因素共同作用的結(jié)果[16-19]，氣溫、基土土質(zhì)、地下水埋深、表面接受的日照和遮陰程度也會對最大凍結(jié)深度造成不同程度的影響[20-22]，而且在道路工程建設(shè)方面，凍結(jié)深度的確定對基礎(chǔ)工程的冬季施工具有極其重要的意義[23]，因此，了解土壤溫度與凍結(jié)深度的變化規(guī)律，對合理指導(dǎo)春播與合理解決寒區(qū)及其地方的開發(fā)、工程建設(shè)等實(shí)際問題具有重要意義。

1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)點(diǎn)布置

研究區(qū)選在位于科爾沁沙地的東南緣的內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮(zhèn)，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)阿古拉生態(tài)水文試驗(yàn)站，地理位置122°33′00″—122°41′00″E，43°18′48″—43°21′24″N，面積約為55 km2，該區(qū)域?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降水量為389 mm，主要集中在的6—9月，多年平均氣溫6.6 ℃，極端最高氣溫33.48 ℃，極端最低氣溫-27.64 ℃，沙坨地最大凍結(jié)深度為205 cm，草甸地最大凍結(jié)深度為200 cm，多年平均風(fēng)速3.8 m/s，地貌特征為固定沙丘、半固定半流動沙丘、流動沙丘與草甸、農(nóng)田、湖泊相結(jié)合，沙丘草甸相間分布，主要土壤類型為風(fēng)沙土，其次為草甸土。選取2007年10月1日至2015年5月26日凍融期土壤數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地形地貌狀況，選擇人工觀測的12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分析土壤溫度的年際變化規(guī)律及最大凍結(jié)深度變化規(guī)律，試驗(yàn)點(diǎn)按土壤類型可分為沙丘地與草甸地兩類，人工觀測點(diǎn)中沙坨地和草甸地各6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，沙坨地試驗(yàn)點(diǎn)分別為A1，A3，B2，E1，F(xiàn)1和F3，草甸地試驗(yàn)點(diǎn)分別為C2草甸、C2玉米、C3，D1，E2，和E3，將研究區(qū)分為三條線，盡量使試驗(yàn)點(diǎn)的地貌類型包括草甸、固定沙丘、半固定沙丘和流動沙丘，在三條線上布設(shè)了12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，西線為A1，D1，E1和F1，中線為B2，C2玉米、C2草甸和E2，東線為A3，C3，E3和F3，其中重點(diǎn)試驗(yàn)點(diǎn)A3，C3在2007年安裝了土壤氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)，且A3為沙坨地C3為草甸地，便于兩個(gè)不同土壤類型的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，其他8個(gè)部分試驗(yàn)點(diǎn)則在2015年安裝了土壤氣象自動觀測系統(tǒng)，為使A3點(diǎn)與C3點(diǎn)人工觀測數(shù)據(jù)更完整，其土壤溫度和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)分別在5 d一測的基礎(chǔ)上加測了2 d一次。

土壤溫度觀測的兩種儀器分別是曲管地溫計(jì)和電子地溫傳感器，曲管地溫計(jì)的觀測頻率為每5d一次，電子地溫傳感器的觀測頻率為12個(gè)點(diǎn)均為每5 d測量一次和重點(diǎn)試驗(yàn)點(diǎn)A3，C3加測每2 d一次；曲管地溫計(jì)觀測深度分別為5，10，20，40和80 cm，電子地溫傳感器觀測深度分別為10—50 cm每隔10 cm測一次，70，100，140，和200 cm，沙坨地在此基礎(chǔ)上加測到300 cm；土壤水分觀測儀器為CNC503B(DR)土壤水分中子儀，和土壤溫度觀測頻率相同，其中沙坨地與草甸地每5d一測的觀測深度為10—100 cm每隔10 cm測一次，草甸地中100—160 cm每隔20 cm測量一次，沙坨地為100—280 cm每隔20 cm測量一次；沙坨地與草甸地每2 d一測的觀測深度為草甸地10—160 cm每隔10 cm觀測一次，沙坨地10—280 cm每隔10 cm觀測一次。

2 結(jié)果與討論

2.1 沙丘地—草甸地土壤溫度年際變化規(guī)律

對研究區(qū)12個(gè)人工觀測試驗(yàn)點(diǎn)2007年10月1日至2015年5月26日土壤凍融期間的20，40和100 cm土壤溫度5 d測1次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于沙坨地F3點(diǎn)處于陰坡位置，相對于其他5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)F3點(diǎn)土壤各層溫度均較小，排除地形因素對研究結(jié)果的影響，沙坨地選取A1，A3，B2，E1與F1共5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，草甸地選取C2草甸、C2玉米、C3，D1，E2與E3共6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。

2.1.1 沙坨地土壤溫度時(shí)空分布特征 將沙坨地各試驗(yàn)點(diǎn)凍融期間相同時(shí)間相同土層深度的土壤溫度進(jìn)行平均，得到沙坨地同一土層的平均土壤溫度，記為沙坨地這一層位的土壤溫度，同理后述的草甸地也做同樣處理。圖1為沙坨地20，40和100 cm處凍融期間不同年份的土壤溫度變化曲線。

圖1 沙坨地20,40和100 cm處不同年份凍融期間的土壤溫度變化曲線

由圖1可看出20，40與100 cm處沙坨地土壤溫度最低值分別在2011—2012年，2011—2012年與2010—2011年出現(xiàn)，且沙坨地中A3，B2，E1，F(xiàn)1和F3這5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)最大凍結(jié)深度出現(xiàn)在2010—2011年間，與沙坨地土壤溫度100 cm處最低值出現(xiàn)時(shí)間階段相同，最大凍結(jié)深度與深層土壤溫度關(guān)系密切。沙坨地隨著深度的增加，土壤溫度曲線越平滑，溫度波動不明顯；表層土壤受氣溫外界因素影響較大，土壤溫度波動較明顯，深層土壤受其上層土壤溫度的滯后效應(yīng)影響。由圖1可以看出，在凍結(jié)初期，土壤溫度達(dá)到0 ℃以下時(shí)40 cm處土壤較20 cm處土壤與100 cm處土壤較40 cm處土壤分別滯后5—10 d與15—45 d。

2.1.2 草甸地土壤溫度時(shí)空分布特征 計(jì)算方法同上，可以得到草甸地土壤溫度，圖2為草甸地20—100 cm處不同年份土壤溫度變化曲線，草甸地20，40與100 cm處土壤溫度最低值分別出現(xiàn)在2011—2012年，2012—2013年與2012—2013年，2007—2015年度凍融期間草甸地中6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的最大凍結(jié)深度均出現(xiàn)在2012—2013年，與100 cm處土壤溫度最低值出現(xiàn)時(shí)間相同。

圖2 草甸地20，40和100 cm處不同年份凍融期間的土壤溫度變化曲線

由圖2可以看出，20 cm處土壤溫度波動劇烈，表層土壤受外界環(huán)境因素影響較大，100 cm處土壤溫度波動較平緩，深層土壤受外界因素影響較小，主要受上層土壤溫度滯后效應(yīng)影響；標(biāo)準(zhǔn)差反映了數(shù)據(jù)的離散程度，沙坨地凍融期間各土層土壤溫度2007—2015年度標(biāo)準(zhǔn)差的值較草甸地要大，沙坨地各層土壤溫度更離散，圖3中可看出草甸地下層100 cm處土壤的溫度變化較沙坨地更穩(wěn)定，由于草甸地下層土壤含水率較大，土粒之間空隙較小，透氣性差，土壤導(dǎo)熱率小，晝夜變幅小，草甸地下層土壤溫度變化范圍小。

草甸地與沙坨地在100 cm處的土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)差波動曲線基本一致(圖3)，而在融解期后期沙坨地與草甸地不同，草甸地標(biāo)準(zhǔn)差波動曲線為增大，沙坨地則為減小。

10月16日至12月1日為100 cm處溫度下降至0 ℃以下階段，標(biāo)準(zhǔn)差開始增大，不同年份的100 cm處土壤溫度波動劇烈；后隨著溫度繼續(xù)下降，沙坨地與草甸地標(biāo)準(zhǔn)差均減小；隨著溫度的再次下降，直至100 cm處土壤達(dá)到最低溫度，由于每年最低溫度不同，其溫度離散程度不同，沙坨地與草甸地標(biāo)準(zhǔn)差均再次增大；隨著溫度的再次上升，2月11日至3月26日沙坨地與草甸地100 cm處土壤達(dá)到0 ℃以上，沙坨地與草甸地土溫標(biāo)準(zhǔn)差均減小；沙坨地在100 cm處達(dá)到0 ℃以上后標(biāo)準(zhǔn)差開始增大，達(dá)到穩(wěn)定溫度后標(biāo)準(zhǔn)差再次減小。

圖3 沙坨地與草甸地2007—2015年度凍融期間100 cm處土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)差

由圖3可以看出，草甸地100 cm處土壤溫度則在0 ℃處于較長時(shí)間，融解歷時(shí)較長，標(biāo)準(zhǔn)差較小，隨著100 cm處土壤溫度增加到0 ℃以上未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)差再次增大，這與沙坨地融解后期標(biāo)準(zhǔn)差在土壤溫度達(dá)到0 ℃后未穩(wěn)定期間規(guī)律相同。

2.1.3 沙坨地與草甸地土壤溫度時(shí)空分布特征對比

對沙坨地與草甸地20，40與100 cm處2007—2015年度凍融期間的土壤溫度分別進(jìn)行平均，得出沙坨地與草甸地20，40與100 cm處多年平均溫度，表1與圖4中均可看出凍融期間各土層中沙坨地較草甸地提前達(dá)到0 ℃，沙坨地的凍融歷時(shí)較草甸地要短，且沙坨地與草甸地的凍融歷時(shí)均隨著深度的增加而減?。簧驰绲馗鲗又械耐寥雷畹蜏囟染炔莸榈匾?，土壤最高溫度較草甸地要高，100 cm處沙坨地達(dá)到土壤最低溫度的日期較草甸地提前20 d；隨著深度的增加，沙坨地與草甸地土壤最低溫度的差值也在減小，20，40與100 cm處的差值分別為4.9，4.5與1.8 ℃，將圖1與圖2中的100 cm土層進(jìn)行對比可看出，草甸地的融解歷時(shí)要比沙坨地長；沙坨地與草甸地各土層之間均有個(gè)滯后效應(yīng)，下層土壤后受上層土壤溫度影響后達(dá)到0 ℃。

圖4 沙坨地與草甸地各土層多年土壤平均溫度

土壤深度/cm沙坨地20cm草甸地20cm沙坨地40cm草甸地40cm沙坨地100cm草甸地100cm凍結(jié)期達(dá)到0℃日期112111261126120112260111融解期達(dá)到0℃日期032103260321041003160426凍融歷時(shí)/d12112111612281106最低土壤溫度/℃-124-75-103-58-33-15地溫最低值出現(xiàn)日期01160116011611601260216最高土壤溫度/℃19615218133166144地溫最高值出現(xiàn)日期052605260526100110011001

2.2 沙坨地與草甸地土壤溫度最大值、最小值與最大凍結(jié)深度的變化

空間上沙坨地與草甸地各層土壤溫度的最大值與最小值出現(xiàn)的試驗(yàn)點(diǎn)不同，表2—3分別為沙坨地與草甸地在時(shí)間與空間上最大值、最小值出現(xiàn)的試驗(yàn)點(diǎn)與時(shí)間，草甸地中土壤溫度的最小值均在C3點(diǎn)；在時(shí)間上沙坨地10—70 cm處與草甸地10—40 cm處土壤溫度最小值多出現(xiàn)在1月16日左右，沙坨地100 cm處與草甸地50 —100 cm處土壤溫度最小值多出現(xiàn)在1月26日，其下層土壤溫度最小值一般在2—5月出現(xiàn)，沙坨地10—70 cm與草甸地10—30 cm處土壤溫度最大值均在5月下旬出現(xiàn)，其下層土壤溫度最大值多出現(xiàn)在10月初。

表2 沙坨地試驗(yàn)點(diǎn)各層土壤溫度最小值與最大值在空間與時(shí)間上的分布

表3 草甸地試驗(yàn)點(diǎn)各土層土壤溫度最小值與最大值在空間與時(shí)間上的分布

分別繪制沙坨地與草甸地各試驗(yàn)點(diǎn)2007—2015年凍融期間的土壤溫度等值線，對每年土壤溫度0度線進(jìn)行分析，表4為沙坨地與草甸地的最大凍結(jié)深度與融通深度，沙坨地F3點(diǎn)在2010—2011年達(dá)到最大凍結(jié)深度210 cm，草甸地C2玉米點(diǎn)在2012—2013年草甸地達(dá)到最大凍結(jié)深度192 cm；對各點(diǎn)每年的最大凍結(jié)深度與融通深度進(jìn)行平均，2007—2015年凍融期間沙坨地平均凍結(jié)深度最大的點(diǎn)為F3點(diǎn)，其值為175 cm，與F3點(diǎn)處于陰坡的地形有關(guān)，平均凍結(jié)深度最小的點(diǎn)為B2，為117.75 cm。草甸地中2007—2015年凍融期間平均凍結(jié)深度最大點(diǎn)為D1，其值為169.5 cm，平均凍結(jié)深度最小的點(diǎn)為C3，為131.5 cm。雖然草甸地中各層土壤溫度最小值均出現(xiàn)在C3點(diǎn)，但平均最大凍結(jié)深度卻在D1點(diǎn)，說明凍結(jié)深度不止與土壤溫度有關(guān)。C2草甸地平均凍結(jié)深度明顯比C2玉米地淺，C2玉米地秋收后為裸露地表，無明顯覆蓋物，其各層土壤平均溫度比C2草甸地要低，所以其平均凍結(jié)深度更深；沙坨地平均最大凍結(jié)深度要比草甸地深，草甸地平均土壤融通時(shí)間要比沙坨地慢，這與土壤含水率與土壤自身巖性顆粒大小等用關(guān)。

表4 2007—2015年凍融期沙坨地與草甸地試驗(yàn)點(diǎn)平均最大凍結(jié)深度與融通深度 cm

2.3 沙坨地與草甸地最大凍結(jié)深度與土壤溫度和土壤含水率的關(guān)系

找出2007—2015年每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)達(dá)到最大凍結(jié)深度的時(shí)間，再找出該時(shí)間對應(yīng)的各層土壤溫度與土壤水分，后對每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)不同層位的多年土壤溫度、土壤水分進(jìn)行平均，結(jié)果如圖5—6所示。

圖5—6顯示，沙坨地中100—300 cm處土壤含水率較大的E1與B2點(diǎn)的凍結(jié)深度較小，而F1與F3含水率較小的點(diǎn)則凍結(jié)深度較大，這與深層土壤含水量有關(guān)，且F1與F3點(diǎn)的土壤溫度較其他點(diǎn)小，土壤的冰點(diǎn)與融點(diǎn)均受土壤自身的性質(zhì)影響，其中都隨含水率的增大而升高。

圖5 沙坨地試驗(yàn)點(diǎn)各層土壤多年平均溫度和含水率變化

圖6 草甸地試驗(yàn)點(diǎn)各層土壤多年平均溫度和含水率變化

沙坨地地下水埋深均很深，不考慮地下水對凍結(jié)深度的影響，把各點(diǎn)最大凍結(jié)深度與最大凍結(jié)深度出現(xiàn)時(shí)的土壤溫度和土壤水分進(jìn)行回歸分析，表5—6列出了僅考慮土壤溫度或土壤水分條件或同時(shí)考慮兩者的回歸系數(shù)R2值，可以看出沙坨地凍結(jié)深度同時(shí)考慮土壤溫度和水分的影響時(shí)擬合程度較好。200 cm處的擬合最好，與不同層位比較F顯著性統(tǒng)計(jì)量最小，為0.008，標(biāo)準(zhǔn)誤差也最小，為5.727，且最大凍結(jié)深度與此層的溫度和水分呈負(fù)相關(guān)，隨著溫度降低，土壤含水率的減小，土壤的最大凍結(jié)深度增加。沙坨地試驗(yàn)點(diǎn)中F3點(diǎn)土壤溫度最小與含水率最小，故其為沙坨地中最大凍結(jié)深度最深的點(diǎn)；僅考慮土壤溫度時(shí)凍結(jié)深度隨著深度增加影響增大，140 cm處達(dá)到最大隨后隨著深度增加減??；單獨(dú)考慮土壤水分時(shí)隨著深度增加影響先減小后增大，達(dá)到300 cm處時(shí)水分影響最大，F(xiàn)顯著性統(tǒng)計(jì)量與標(biāo)準(zhǔn)誤差均達(dá)到最小值，所以上層140 cm處土壤溫度和300 cm處的土壤水分對沙坨地最大凍結(jié)深度影響較大，同時(shí)考慮兩者作用時(shí)則200 cm處土層影響最大。沙坨地平均最大凍結(jié)深度與200 cm土層處多年多點(diǎn)平均的土壤水分和溫度的回歸方程為：

ds=-0.965ws-7.69Ts+179.228

(1)

式中:ds——沙坨地平均最大凍結(jié)深度；ws——200 cm處沙坨地平均土壤含水率;Ts——200 cm處沙坨地平均土壤溫度。

對草甸地各點(diǎn)最大凍結(jié)深度與最大凍結(jié)深度出現(xiàn)時(shí)的每一層位溫度和水分進(jìn)行回歸分析，其擬合優(yōu)度R2結(jié)果詳見表6。土壤溫度和水分同時(shí)考慮時(shí)其回歸系數(shù)較大，隨著層深增加先增大，在40 cm處達(dá)到一個(gè)較大值，50 cm處減小后又增大，在140 cm處達(dá)到最大值，與凍結(jié)層的上下凍結(jié)鋒面有關(guān)；若草甸地最大凍結(jié)深度只考慮溫度的影響下其擬合優(yōu)度R2在160 cm處達(dá)到最大值；與沙坨地不同，沙坨地中溫度在140 cm處影響較大，而草甸地中各層土壤水分影響較各層土壤溫度均要大，草甸地中土壤水分對最大凍結(jié)深度起主要作用，這與草甸地的地下水埋深較淺有關(guān)，在凍結(jié)過程中地下水可向上補(bǔ)給，使上層土壤水分含量增加；草甸地在140 cm處同時(shí)考慮土壤溫度與土壤水分作用下的最大凍結(jié)深度方程為：

dm=-1.868Wm-31.454Tm+211.881

(2)

式中:dm——草甸地平均最大凍結(jié)深度；Wm——140 cm處草甸地平均土壤含水率；Tm——140 cm處草甸地平均土壤溫度。

最大凍結(jié)深度與土壤溫度、水分呈負(fù)相關(guān)，土壤含水率越大則凍結(jié)深度越小，140 cm處D1點(diǎn)與C2玉米點(diǎn)平均土壤含水率較小，它們的平均凍結(jié)深度較大，而E2與C3土壤平均含水率較大，它們的平均凍結(jié)深度就較小。

表6 草甸地各層土壤溫度與水分對凍深的擬合優(yōu)度

3 結(jié) 論

(1) 100 cm處沙坨地土壤溫度最低值在2010—2011年出現(xiàn)，沙坨地中A3，B2，E1，F(xiàn)1和F35個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)最大凍結(jié)深度也出現(xiàn)在2010—2011年期間；草甸地100 cm處土壤溫度最低值出現(xiàn)在2012—2013年，草甸地中6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的最大凍結(jié)深度均出現(xiàn)在2012—2013年；草甸地下層100 cm處土壤的溫度變化較沙坨地更穩(wěn)定，土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)差更小，由于草甸地下層土壤含水率較大，土粒之間空隙較小，透氣性差，土壤導(dǎo)熱率小，晝夜變幅小，草甸地下層土壤溫度變化范圍小。

(2) 沙坨地與草甸地在凍結(jié)初期與融解初期到達(dá)0 ℃時(shí)的土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)差較小，此期間溫度波動范圍小；凍融期間各土層中沙坨地較草甸地提前達(dá)到0 ℃，沙坨地的凍融歷時(shí)較草甸地要短，沙坨地各層中的土壤最低溫度均比草甸地要低，土壤最高溫度較草甸地要高，隨著深度的增加，沙坨地與草甸地土壤最低溫度的差值也在減小，草甸地的融解歷時(shí)要比沙坨地長。

(3) 對2007—2015年度凍融期間各點(diǎn)的最大凍結(jié)深度進(jìn)行平均，沙坨地平均凍結(jié)深度最大的點(diǎn)為F3點(diǎn)，其值為175 cm，平均凍結(jié)深度最小的點(diǎn)為B2，為117.75 cm；草甸地中平均凍結(jié)深度最大點(diǎn)為D1，其值為169.5 cm，平均凍結(jié)深度最小的點(diǎn)為C3，為131.5 cm，雖然草甸地中各層土壤溫度最小值均出現(xiàn)在C3點(diǎn)，但平均最大凍結(jié)深度卻在D1點(diǎn)，說明最大凍結(jié)深度不止與溫度有關(guān)；沙坨地平均最大凍結(jié)深度要比草甸地深，草甸地平均土壤融通時(shí)間要比沙坨地慢，這與土壤含水率與土壤自身巖性顆粒大小等用關(guān)。

(4) 對凍融期沙坨地與草甸地試驗(yàn)點(diǎn)的每一層土壤溫度與含水率進(jìn)行多年平均，沙坨地凍結(jié)深度同時(shí)考慮土壤溫度和水分的影響時(shí)擬合程度較好，200 cm處的擬合最好，與不同層位比較F顯著性統(tǒng)計(jì)量最小，標(biāo)準(zhǔn)誤差也最小，且最大凍結(jié)深度與此層的溫度和水分呈負(fù)相關(guān)，隨著溫度降低，土壤含水率的減小，土壤的最大凍結(jié)深度增加；草甸地凍結(jié)深度同時(shí)考慮土壤溫度和水分的影響時(shí)140 cm處擬合程度較好，土壤水分與土壤溫度均與最大凍結(jié)深度呈負(fù)相關(guān)，與沙坨地不同，草甸地全層土壤水分對最大凍結(jié)深度的影響基本上較土壤溫度要大，草甸地中土壤水分對最大凍結(jié)深度起主要作用，與草甸地的地下水埋深較淺有關(guān)。

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Change Rules of Soil Temperature and Maximum Freezing Depth During Freezing-thawing Period in Horqin Sand and Meadow Land

YUE Cuitong, LIU Xiaoyan, LIU Tingxi, FU Qingyun, CAO Wenmei, LIU Qiaoling

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot，InnerMongolia010018,China)

[Objective] The changes of soil temperature and maximum frozen depth in Horqin sand and meadow land were to provide support for reasonable guide of the agricultural production and construction. [Methods] Based on the artificial observation data from 2007 to 2015 during the freezing and thawing period, variability of soil temperature and maximum frozen depth in Horqin sand and meadow land were analyzed and compared during the freezing-thawing period. [Results] Changes of the standard deviation of soil temperature in sand and meadow land at 100 cm were basically the same, and values of meadow land were less than the ones of sand land. But the later melting period of meadow land lasted longer time, whereby its standard deviation was greater than the one of sand. Considering the impact of soil temperature and soil moisture on maximum frozen depth at the same time, the determinant coefficient ofR2at depth of 200 cm in sand and 140 cm in meadow land were 0.959 and 0.788, respectively. [Conclusion] Sand land froze and melted in advance in the study area, maximum frozen depth in sand was deeper than the one of meadow land. If soil temperature and soil moisture were considered at the same time, correlation coefficient to the maximum frozen depth was greater than the corresponding value of only single variable included. Soil temperature and soil moisture were negative correlated with the maximum frozen depth in sand and meadow land.

Horqin sand and meadow land; seasonal frozen soil regions; freezing and thawing period; maximum freezing depth

2016-04-19

2016-05-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“寒旱區(qū)凍融期土壤水—熱—鹽—能耦合運(yùn)移的野外試驗(yàn)與模擬”(50769003)，“科爾沁沙地(沙丘—草甸地)凍融期土壤水—熱—鹽耦合運(yùn)移機(jī)理及其模擬方法”(51169012),“荒漠化地區(qū)水文過程及其生態(tài)響應(yīng)研究”(51139002)

岳翠桐(1989—),女(漢族),黑龍江省齊齊哈爾市人,碩士研究生,研究方向?yàn)楹涓珊档貐^(qū)土壤水熱鹽運(yùn)移規(guī)律。E-mail:moonlightyct@qq.com。

劉小燕(1989—),女(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事凍土物理學(xué)方面的研究。E-mail：liuxy6675@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.015

A

1000-288X(2016)06-0084-08

S152.7, S152.8

文獻(xiàn)參數(shù)： 岳翠桐, 劉小燕, 劉廷璽, 等.科爾沁沙坨地—草甸地凍融期地溫與最大凍結(jié)深度的變化規(guī)律[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：084-091.