苗春燕，陳軍鋒，鄭秀清

(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，太原 030024)

土壤與大氣時(shí)刻進(jìn)行著物質(zhì)和能量的交換，隨著外界氣象因素的變化，土壤的季節(jié)性凍融過程表現(xiàn)出凍脹性和沉融性，使土壤的密度、孔隙度、含水量、粘結(jié)性、強(qiáng)度[1-2]以及入滲特性[3-6]等物理性質(zhì)發(fā)生一定的變化，從而影響工程建設(shè)[7-8]和其它相關(guān)的生產(chǎn)活動(dòng)。氣候變化導(dǎo)致的土壤季節(jié)性凍融過程直接影響土壤的結(jié)構(gòu)變化及理化和生物學(xué)性質(zhì)改變[9-10]，進(jìn)而影響冬春季節(jié)作物的播種、生長發(fā)育、土壤養(yǎng)分[11]、鹽分分布。土壤凍融特性主要受到地形、鹽分含量、含水率、水體、雪蓋和植被等因素的影響[12]。此外，凍融期灌水[13]、地表覆蓋[14]會(huì)改變土壤的自然凍融過程和特征。已有研究表明，氣溫與土壤溫度變化趨勢基本一致[15-18]，但目前有關(guān)研究尚未揭示凍融期氣溫變化對土壤凍結(jié)與融化特征的影響。

本文以山西省水文水資源勘測局太谷均衡實(shí)驗(yàn)站2009-2017年8個(gè)凍融期地面氣象和土壤凍融過程監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，分析研究了凍融期土壤凍融過程基本特征、氣溫變化對土壤凍結(jié)與融化速率的影響，揭示了土壤凍融特征與氣溫之間的關(guān)系，研究成果對于季節(jié)性凍土地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物預(yù)防凍害和工程建設(shè)均具有一定的理論和實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省晉中盆地，太原市南部60 km處的山西省水文水資源勘測局太谷均衡實(shí)驗(yàn)站，地理位置112°30′-112°33′E，37°26′-37°27′N，海拔高度777.0 m.試驗(yàn)區(qū)屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，春季風(fēng)大雨少，夏季雨量高度集中，秋季陰雨連綿，冬季寒冷少雪。多年平均(1954-2005年)氣溫9.9 ℃；年降水量415.2 mm，主要集中在6-9月份；水面蒸發(fā)能力1 642.4 mm(小型蒸發(fā)器)；歷史最大凍土深度92 cm(1960年)，多年平均相對濕度74%，多年平均風(fēng)速0.9 m/s，全年平均無霜期200 d.實(shí)驗(yàn)站地下水位埋深25.0 m，氣象站土壤為砂壤土，試驗(yàn)期間地表裸露。土壤各級粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：<0.05 mm為30.54%，0.05～0.1 mm為8.73%，0.1～0.25 mm為53.90%，0.25～0.5 mm為5.90%，>0.5 mm為0.93%；土壤干容重為1.55 g/cm3.

1.2 方法

本試驗(yàn)在試驗(yàn)區(qū)的裸地進(jìn)行，從2009年11月至2017年3月共進(jìn)行8個(gè)凍融期(11月至翌年3月)的連續(xù)監(jiān)測。氣溫監(jiān)測通過實(shí)驗(yàn)站氣象站自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，記錄日內(nèi)最高、日內(nèi)最低和日平均氣溫。凍土深度采用實(shí)驗(yàn)站凍土器(型號LM61-DT-1，由外管和內(nèi)管組成，外管內(nèi)徑30 mm，外徑40 mm)直接測定，每日8∶00和18∶00各監(jiān)測一次。在土壤凍結(jié)前采用稱重烘干法進(jìn)行一次土壤含水率測定，由于干旱少雨，入冬前氣象站0～20 cm平均土壤含水率為18%～19%.

2 氣溫變化特征

氣溫變化特征分析可統(tǒng)計(jì)氣溫變化規(guī)律，根據(jù)氣溫變化曲線可直觀地看出氣溫的最高值和最低值及確定氣溫變化的劇烈程度。2009-2017年11月1日至翌年3月31日的日平均氣溫變化曲線見圖1.

由圖1可見，2009-2010年與2015-2016年凍融期日氣溫均出現(xiàn)急速變化，日平均氣溫一日最大下降8.6 ℃(2009年11月8日至9日)和13.2 ℃(2015年11月23日至24日)，5日內(nèi)氣溫持續(xù)快速下降了18.8 ℃.研究區(qū)土壤一般在11月凍結(jié)翌年3月消融解凍[13-14,17-19]，根據(jù)土壤凍融特征確定了每個(gè)凍融期的起始時(shí)間，依據(jù)氣溫變化值統(tǒng)計(jì)了凍融期極端氣溫(氣溫極端值)結(jié)果，近8年凍融期日平均最低氣溫為-8.3 ℃～-17.3 ℃，日平均最高氣溫為14.7 ℃～24.8 ℃，日平均氣溫持續(xù)穩(wěn)定在0 ℃以下期間的平均氣溫為-3.2 ℃～-7.9 ℃，詳見表1.

3 氣溫對土壤凍結(jié)與融化特征的影響

3.1 土壤凍融過程

據(jù)實(shí)驗(yàn)站凍土器實(shí)測凍土深度繪制的土壤凍融過程見圖2.依土壤凍融特征, 土壤的整個(gè)凍融過程一般劃分為3個(gè)主要階段，即不穩(wěn)定凍結(jié)階段、凍層穩(wěn)定發(fā)展階段和消融解凍階段[13-14,17-19]。不穩(wěn)定凍結(jié)階段日平均氣溫在0 ℃以上波動(dòng)，夜間氣溫在0 ℃以下，土壤呈晝?nèi)谝箖鰻顟B(tài)，凍結(jié)深度在0～10 cm波動(dòng)。當(dāng)日平均氣溫穩(wěn)定降低至0 ℃以下時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度持續(xù)減弱，土壤凍層穩(wěn)定向下發(fā)展并進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)階段。2009年11月9日氣溫急速下降至0 ℃以下，之后日平均氣溫持續(xù)穩(wěn)定在0 ℃以下，土壤凍層深度穩(wěn)定向下發(fā)展，無晝?nèi)谝箖鎏卣?，即該凍融期土壤凍融過程中沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定凍結(jié)階段的特征。8個(gè)連續(xù)凍融期土壤最大凍結(jié)深度為80 cm(2011年2月5日)，最小凍結(jié)深度僅34 cm(2017年1月24日)。

消融解凍階段：翌年1月底2月初，隨著太陽輻射增強(qiáng)氣溫波動(dòng)回升，凍層開始從地表向下和由下向上雙向融化，一般在3月初融通，但由于日平均氣溫在0 ℃附近波動(dòng)，地表土壤再次出現(xiàn)晝?nèi)谝箖霈F(xiàn)象[19-20]，因此該階段常常出現(xiàn)“雙凍層”現(xiàn)象。可見，土壤的凍融過程表現(xiàn)為單向凍結(jié)和雙向融化，融化速率高于凍結(jié)速率，不同凍融期最大平均消融速率和凍結(jié)速率分別為1.68 cm/d和1.16 cm/d.

圖1 2009-2017年凍融期日平均氣溫變化曲線Fig.1 Daily average temperature during freeze-thaw periods in 2009-2017

凍融期(年-月-日)歷時(shí)/d日平均最低氣溫日平均最高氣溫日內(nèi)最高氣溫日平均氣溫0 ℃以下t/℃日期t/℃日期t/℃日期起止日期平均值/℃2009-11-09至2010-03-14125-13.62009-12-18 8.52010-03-1117.602-2311-09至01-27-5.72010-11-07至2011-03-29142-17.62011-01-239.52011-03-1322.603-1312-05至02-05-7.92011-11-21至2012-03-27126-12.92012-01-229.02012-03-2621.003-2712-08至02-11-6.22012-11-03至2013-03-11129-16.62013-01-0315.82013-03-0824.503-0811-28至01-29-6.02013-11-16至2014-03-09113-13.22014-02-094.72014-02-2514.702-2511-27至01-21-4.52014-11-03至2015-03-12129-9.22014-12-017.32015-03-1519.803-1111-30至02-09-4.42015-11-24至2016-03-15111-15.32016-01-2311.32016-03-0324.803-1701-05至02-03-6.02016-11-21至2017-03-06105-8.32017-01-197.52017-03-0414.802-1901-07至01-24-3.2

圖2 2009-2017年凍融期土壤凍融過程曲線Fig.2 Soil freezing and thawing process during freeze-thaw periods in 2009-2017

3.2 氣溫與土壤最大凍結(jié)深度的關(guān)系

地表累積負(fù)溫是影響土壤凍結(jié)深度的最主要因素[21]，而地表負(fù)積溫與氣溫息息相關(guān)，因此氣溫的變化影響土壤最大凍結(jié)深度。當(dāng)日平均氣溫持續(xù)穩(wěn)定在0 ℃以下時(shí)，凍層在地表負(fù)積溫持續(xù)增加的作用下穩(wěn)定向下發(fā)展；當(dāng)日平均氣溫逐漸回升至0 ℃以上時(shí)，凍層開始雙向融化。因此，日平均氣溫持續(xù)穩(wěn)定在0 ℃以下期間的平均氣溫(簡稱日平均負(fù)氣溫)高低決定了最大凍結(jié)深度，根據(jù)8個(gè)凍融期日平均負(fù)氣溫和最大凍結(jié)深度分析可知，二者具有如下密切的線性相關(guān)關(guān)系(見圖3)：

Fm=10.91×Tn(R2=0.95) .

(1)

式中：Fm為最大凍結(jié)深度，cm；Tn為日平均負(fù)氣溫，℃.

圖3 最大凍結(jié)深度與日平均負(fù)氣溫的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum freezing depth and daily average negative temperature

3.3 氣溫變化對土壤凍結(jié)與融化速率的影響

大氣與地面間的熱交換影響地面和地中土壤溫度狀況，從而決定土的季節(jié)性凍結(jié)和融化特征。隨著氣溫的不斷下降和地表負(fù)積溫的增加[17]，土壤凍結(jié)深度逐漸增加，凍結(jié)期土壤平均凍結(jié)速率為0.61～1.16 cm/d，與日平均負(fù)氣溫具有密切的線性相關(guān)關(guān)系，如圖4所示，土壤平均凍結(jié)速率隨著日平均負(fù)氣溫的增加而增大，二者關(guān)系如下:

Vf=0.15×Tn(R2=0.96) .

(2)

式中：Vf為土壤平均凍結(jié)速率，cm/d；Tn為日平均負(fù)氣溫，℃.

圖4 土壤平均凍結(jié)速率與日平均負(fù)氣溫關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum freezing depth and daily average negative temperature

消融期日平均氣溫在0 ℃附近上下波動(dòng)并逐漸回升，由于太陽輻射增強(qiáng)，土壤吸收太陽的輻射熱量大于熱量支出，地表土壤不再累積負(fù)溫，表層土壤由上而下消融，深部凍層開始由下向上消融，消融期土壤平均消融速率為1.0～1.68 cm/d，消融速率較凍結(jié)期凍結(jié)速率高35%以上，最高達(dá)1.32倍(2014-2015年凍融期)，土壤平均消融速率受消融期日內(nèi)最高氣溫影響明顯(見圖5)，二者關(guān)系如下：

Vt=0.06×Tm+0.15 (R2=0.94) .

(3)

式中：Vt為土壤平均消融速率，cm/d；Tm為消融期日內(nèi)最高氣溫，℃.

圖5 平均消融速率與消融期日內(nèi)最高氣溫關(guān)系Fig.5 Relationship between average soil thawing rate and maximum temperature in thawing periods

4 結(jié)論

1) 土壤凍融過程一般劃分為不穩(wěn)定凍結(jié)階段、凍層穩(wěn)定發(fā)展階段和消融解凍階段，當(dāng)氣溫急速下降至0 ℃以下且日平均氣溫持續(xù)為負(fù)值時(shí)，土壤無晝?nèi)谝箖鎏卣?，直接進(jìn)入凍層穩(wěn)定發(fā)展階段。

2) 凍結(jié)期土壤最大凍結(jié)深度、土壤平均凍結(jié)速率均與日平均負(fù)氣溫具有密切的線性相關(guān)關(guān)系，穩(wěn)定的日平均負(fù)氣溫使得地表土壤累積負(fù)溫穩(wěn)定增加和凍層穩(wěn)定向下發(fā)展，日平均負(fù)氣溫的大小決定了土壤最大凍結(jié)深度和凍結(jié)期土壤平均凍結(jié)速率。

3) 消融期土壤雙向融化，平均消融速率較凍結(jié)期凍結(jié)速率高35%～132%，土壤平均消融速率與日內(nèi)最高氣溫具有較好的線性關(guān)系。

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