科爾沁沙坨地—草甸地凍融期地溫與最大凍結深度的變化規律

岳翠桐, 劉小燕, 劉廷璽, 付青云, 曹文梅, 劉巧玲

(內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 內蒙古 呼和浩特 010018)

科爾沁沙坨地—草甸地凍融期地溫與最大凍結深度的變化規律

岳翠桐, 劉小燕, 劉廷璽, 付青云, 曹文梅, 劉巧玲

(內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 內蒙古 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深度的變化規律，為合理指導該區農工生產和建設提供支持。 [方法] 基于2007—2015年凍融期人工觀測數據，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深度變化規律。 [結果] 研究區100 cm處沙坨地與草甸地多年土壤溫度的標準差變化規律基本一致，草甸地要小于沙坨地，但融解后期由于草甸地融解期歷時較長，其標準差大于沙坨地；同時考慮土壤溫度和土壤水分對最大凍結深度的影響時，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。 [結論] 研究區內沙坨地先凍結與先融解，沙坨地最大凍結深度較草甸地深，同時考慮土壤溫度與土壤水分的最大凍結深度的擬合優度最好，沙坨地與草甸地中最大凍結深度與土壤溫度和土壤水分均呈負相關關系。

科爾沁沙坨地—草甸地; 季節凍土區; 凍融期; 最大凍結深度

土壤凍融是一個復雜的過程，伴隨著相變的發生和土壤物理、化學及物理化學、力學的變化過程，土壤中的水分、熱量與鹽分發生著復雜的遷移，并具有強烈的耦合作用[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、儲水性和抑制蒸發的作用，使寒區凍融階段的融雪水入滲、土壤墑情變化狀態以及降水、徑流、蒸發的“三水”轉換關系均不同于非寒區[3]。特別是融解期的下層凍結鋒面對融解水的阻隔作用與自身融解產生的水分，對春季農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情的日益加重，農業生產的可持續發展受到此現象的嚴重威脅[5]。凍結層的凍結與融解對土壤的墑情變化有著重要作用[6]。季節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動的驅動力，土壤溫度不僅與土壤結構及地表覆蓋物有關還與大氣、地勢、土壤性質等因素有關[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，且凍結土壤其入滲能力也遠小于非凍結層土壤，凍結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深度的變化，氣候變暖可使最大凍結深度減小，土壤季節性凍結深度可能是總輻射、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果[16-19]，氣溫、基土土質、地下水埋深、表面接受的日照和遮陰程度也會對最大凍結深度造成不同程度的影響[20-22]，而且在道路工程建設方面，凍結深度的確定對基礎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深度的變化規律，對合理指導春播與合理解決寒區及其地方的開發、工程建設等實際問題具有重要意義。

1 研究區概況及試驗點布置

研究區選在位于科爾沁沙地的東南緣的內蒙古自治區通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮，內蒙古農業大學阿古拉生態水文試驗站，地理位置122°33′00″—122°41′00″E，43°18′48″—43°21′24″N，面積約為55 km2，該區域屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，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 ℃，沙坨地最大凍結深度為205 cm，草甸地最大凍結深度為200 cm，多年平均風速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、農田、湖泊相結合，沙丘草甸相間分布，主要土壤類型為風沙土，其次為草甸土。選取2007年10月1日至2015年5月26日凍融期土壤數據，根據試驗區地形地貌狀況，選擇人工觀測的12個試驗點分析土壤溫度的年際變化規律及最大凍結深度變化規律，試驗點按土壤類型可分為沙丘地與草甸地兩類，人工觀測點中沙坨地和草甸地各6個試驗點，沙坨地試驗點分別為A1，A3，B2，E1，F1和F3，草甸地試驗點分別為C2草甸、C2玉米、C3，D1，E2，和E3，將研究區分為三條線，盡量使試驗點的地貌類型包括草甸、固定沙丘、半固定沙丘和流動沙丘，在三條線上布設了12個試驗點，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，其中重點試驗點A3，C3在2007年安裝了土壤氣象自動監測系統，且A3為沙坨地C3為草甸地，便于兩個不同土壤類型的試驗點數據進行對比分析，其他8個部分試驗點則在2015年安裝了土壤氣象自動觀測系統，為使A3點與C3點人工觀測數據更完整，其土壤溫度和土壤水分數據分別在5 d一測的基礎上加測了2 d一次。

土壤溫度觀測的兩種儀器分別是曲管地溫計和電子地溫傳感器，曲管地溫計的觀測頻率為每5d一次，電子地溫傳感器的觀測頻率為12個點均為每5 d測量一次和重點試驗點A3，C3加測每2 d一次；曲管地溫計觀測深度分別為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 結果與討論

2.1 沙丘地—草甸地土壤溫度年際變化規律

對研究區12個人工觀測試驗點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次數據進行分析，由于沙坨地F3點處于陰坡位置，相對于其他5個試驗點F3點土壤各層溫度均較小，排除地形因素對研究結果的影響，沙坨地選取A1，A3，B2，E1與F1共5個試驗點，草甸地選取C2草甸、C2玉米、C3，D1，E2與E3共6個試驗點。

2.1.1 沙坨地土壤溫度時空分布特征 將沙坨地各試驗點凍融期間相同時間相同土層深度的土壤溫度進行平均，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，且沙坨地中A3，B2，E1，F1和F3這5個試驗點最大凍結深度出現在2010—2011年間，與沙坨地土壤溫度100 cm處最低值出現時間階段相同，最大凍結深度與深層土壤溫度關系密切。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影響。由圖1可以看出，在凍結初期，土壤溫度達到0 ℃以下時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 草甸地土壤溫度時空分布特征 計算方法同上，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個試驗點的最大凍結深度均出現在2012—2013年，與100 cm處土壤溫度最低值出現時間相同。

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影響；標準差反映了數據的離散程度，沙坨地凍融期間各土層土壤溫度2007—2015年度標準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處的土壤溫度標準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，草甸地標準差波動曲線為增大，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，標準差開始增大，不同年份的100 cm處土壤溫度波動劇烈；后隨著溫度繼續下降，沙坨地與草甸地標準差均減小；隨著溫度的再次下降，直至100 cm處土壤達到最低溫度，由于每年最低溫度不同，其溫度離散程度不同，沙坨地與草甸地標準差均再次增大；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處土壤達到0 ℃以上，沙坨地與草甸地土溫標準差均減小；沙坨地在100 cm處達到0 ℃以上后標準差開始增大，達到穩定溫度后標準差再次減小。

圖3 沙坨地與草甸地2007—2015年度凍融期間100 cm處土壤溫度標準差

由圖3可以看出，草甸地100 cm處土壤溫度則在0 ℃處于較長時間，融解歷時較長，標準差較小，隨著100 cm處土壤溫度增加到0 ℃以上未達到穩定狀態，標準差再次增大，這與沙坨地融解后期標準差在土壤溫度達到0 ℃后未穩定期間規律相同。

2.1.3 沙坨地與草甸地土壤溫度時空分布特征對比

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到0 ℃，沙坨地的凍融歷時較草甸地要短，且沙坨地與草甸地的凍融歷時均隨著深度的增加而減小；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，100 cm處沙坨地達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土層進行對比可看出，草甸地的融解歷時要比沙坨地長；沙坨地與草甸地各土層之間均有個滯后效應，下層土壤后受上層土壤溫度影響后達到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凍結期達到0℃日期112111261126120112260111融解期達到0℃日期032103260321041003160426凍融歷時/d12112111612281106最低土壤溫度/℃-124-75-103-58-33-15地溫最低值出現日期01160116011611601260216最高土壤溫度/℃19615218133166144地溫最高值出現日期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的試驗點不同，表2—3分別為沙坨地與草甸地在時間與空間上最大值、最小值出現的試驗點與時間，草甸地中土壤溫度的最小值均在C3點；在時間上沙坨地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在1月26日，其下層土壤溫度最小值一般在2—5月出現，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，其下層土壤溫度最大值多出現在10月初。

表2 沙坨地試驗點各層土壤溫度最小值與最大值在空間與時間上的分布

表3 草甸地試驗點各土層土壤溫度最小值與最大值在空間與時間上的分布

分別繪制沙坨地與草甸地各試驗點2007—2015年凍融期間的土壤溫度等值線，對每年土壤溫度0度線進行分析，表4為沙坨地與草甸地的最大凍結深度與融通深度，沙坨地F3點在2010—2011年達到最大凍結深度210 cm，草甸地C2玉米點在2012—2013年草甸地達到最大凍結深度192 cm；對各點每年的最大凍結深度與融通深度進行平均，2007—2015年凍融期間沙坨地平均凍結深度最大的點為F3點，其值為175 cm，與F3點處于陰坡的地形有關，平均凍結深度最小的點為B2，為117.75 cm。草甸地中2007—2015年凍融期間平均凍結深度最大點為D1，其值為169.5 cm，平均凍結深度最小的點為C3，為131.5 cm。雖然草甸地中各層土壤溫度最小值均出現在C3點，但平均最大凍結深度卻在D1點，說明凍結深度不止與土壤溫度有關。C2草甸地平均凍結深度明顯比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，所以其平均凍結深度更深；沙坨地平均最大凍結深度要比草甸地深，草甸地平均土壤融通時間要比沙坨地慢，這與土壤含水率與土壤自身巖性顆粒大小等用關。

表4 2007—2015年凍融期沙坨地與草甸地試驗點平均最大凍結深度與融通深度 cm

2.3 沙坨地與草甸地最大凍結深度與土壤溫度和土壤含水率的關系

找出2007—2015年每個試驗點達到最大凍結深度的時間，再找出該時間對應的各層土壤溫度與土壤水分，后對每個試驗點不同層位的多年土壤溫度、土壤水分進行平均，結果如圖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點的凍結深度較小，而F1與F3含水率較小的點則凍結深度較大，這與深層土壤含水量有關，且F1與F3點的土壤溫度較其他點小，土壤的冰點與融點均受土壤自身的性質影響，其中都隨含水率的增大而升高。

圖5 沙坨地試驗點各層土壤多年平均溫度和含水率變化

圖6 草甸地試驗點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深度的影響，把各點最大凍結深度與最大凍結深度出現時的土壤溫度和土壤水分進行回歸分析，表5—6列出了僅考慮土壤溫度或土壤水分條件或同時考慮兩者的回歸系數R2值，可以看出沙坨地凍結深度同時考慮土壤溫度和水分的影響時擬合程度較好。200 cm處的擬合最好，與不同層位比較F顯著性統計量最小，為0.008，標準誤差也最小，為5.727，且最大凍結深度與此層的溫度和水分呈負相關，隨著溫度降低，土壤含水率的減小，土壤的最大凍結深度增加。沙坨地試驗點中F3點土壤溫度最小與含水率最小，故其為沙坨地中最大凍結深度最深的點；僅考慮土壤溫度時凍結深度隨著深度增加影響增大，140 cm處達到最大隨后隨著深度增加減小；單獨考慮土壤水分時隨著深度增加影響先減小后增大，達到300 cm處時水分影響最大，F顯著性統計量與標準誤差均達到最小值，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深度影響較大，同時考慮兩者作用時則200 cm處土層影響最大。沙坨地平均最大凍結深度與200 cm土層處多年多點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。

對草甸地各點最大凍結深度與最大凍結深度出現時的每一層位溫度和水分進行回歸分析，其擬合優度R2結果詳見表6。土壤溫度和水分同時考慮時其回歸系數較大，隨著層深增加先增大，在40 cm處達到一個較大值，50 cm處減小后又增大，在140 cm處達到最大值，與凍結層的上下凍結鋒面有關；若草甸地最大凍結深度只考慮溫度的影響下其擬合優度R2在160 cm處達到最大值；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深度起主要作用，這與草甸地的地下水埋深較淺有關，在凍結過程中地下水可向上補給，使上層土壤水分含量增加；草甸地在140 cm處同時考慮土壤溫度與土壤水分作用下的最大凍結深度方程為：

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。

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

表6 草甸地各層土壤溫度與水分對凍深的擬合優度

3 結 論

(1) 100 cm處沙坨地土壤溫度最低值在2010—2011年出現，沙坨地中A3，B2，E1，F1和F35個試驗點最大凍結深度也出現在2010—2011年期間；草甸地100 cm處土壤溫度最低值出現在2012—2013年，草甸地中6個試驗點的最大凍結深度均出現在2012—2013年；草甸地下層100 cm處土壤的溫度變化較沙坨地更穩定，土壤溫度標準差更小，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初期與融解初期到達0 ℃時的土壤溫度標準差較小，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到0 ℃，沙坨地的凍融歷時較草甸地要短，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，草甸地的融解歷時要比沙坨地長。

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

(4) 對凍融期沙坨地與草甸地試驗點的每一層土壤溫度與含水率進行多年平均，沙坨地凍結深度同時考慮土壤溫度和水分的影響時擬合程度較好，200 cm處的擬合最好，與不同層位比較F顯著性統計量最小，標準誤差也最小，且最大凍結深度與此層的溫度和水分呈負相關，隨著溫度降低，土壤含水率的減小，土壤的最大凍結深度增加；草甸地凍結深度同時考慮土壤溫度和水分的影響時140 cm處擬合程度較好，土壤水分與土壤溫度均與最大凍結深度呈負相關，與沙坨地不同，草甸地全層土壤水分對最大凍結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深度起主要作用，與草甸地的地下水埋深較淺有關。

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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

國家自然科學基金項目“寒旱區凍融期土壤水—熱—鹽—能耦合運移的野外試驗與模擬”(50769003)，“科爾沁沙地(沙丘—草甸地)凍融期土壤水—熱—鹽耦合運移機理及其模擬方法”(51169012),“荒漠化地區水文過程及其生態響應研究”(51139002)

岳翠桐(1989—),女(漢族),黑龍江省齊齊哈爾市人,碩士研究生,研究方向為寒冷干旱地區土壤水熱鹽運移規律。E-mail:moonlightyct@qq.com。

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

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.015

A

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

S152.7, S152.8

文獻參數： 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深度的變化規律[J].水土保持通報，2016,36(6)：084-091.