天山北坡積雪消融對不同凍融階段土壤溫濕度的影響

張 音,海米旦·賀力力,古力米熱·哈那提,劉遷遷,蘇里坦

1 中國科學院新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室,烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049 3 中共新疆維吾爾自治區委員會黨校,烏魯木齊 830000 4 新疆水利水電科學研究院水資源研究所,烏魯木齊 830049

積雪是一種特殊的覆被,能調節地表水循環,影響當地的水文過程,同時也是重要的淡水資源,是干旱與半干旱區重要的土壤水分補給源[1]。凍土是0℃以下,并含有冰的各種巖石和土壤。其中存在于年均溫高于0℃環境中,冬季凍結、春季融化的土壤或疏松巖石層稱為季節性凍土[2- 3]。隨著凍土區溫度周期性地發生正負變化,凍土層中的水分相應地發生相變與遷移,使得凍土層發生變形,產生凍脹、融陷和流變等一系列復雜的過程[4- 6]。積雪的存在可對凍土產生影響,積雪具有導熱性弱、反射率高、熱容量大等特性[7- 8],會影響地氣之間的相互作用,改變土壤與大氣之間的能量交換與溫度傳遞。

近年來,國內外學者對土壤水分變化的相關研究越來越多。以天山北坡軍塘河流域為研究區,楊紹富等人[9]分析了土壤濕度在融雪期的變化情況以及與土壤溫度和氣溫之間的關系,發現二者有很高的相關性。蔣睿奇、付強等人[10- 11]討論了不同積雪覆蓋條件下凍融土壤水分遷移規律和土壤溫度變化規律。Cheng等人[12]認為不同植被覆蓋度對季節性凍土土壤溫度和水分的變化也有一定的影響。針對天山北坡融雪期季節性凍土的融化過程和特點,王敬哲[13]等人進行了詳細地分析。已有研究表明[14],土壤中冰的存在極大地改變了土壤的水文和熱性質。Yukiyoshi等人[15]研究發現,積雪沉積的時間和厚度的變化會導致土壤霜凍深度的急劇下降和土壤水分動態的變化。上述研究主要針對積雪、融雪期季節性凍土的變化情況,而對于土壤不同凍融階段的研究較少,鑒于土壤不同凍融階段土壤溫度、土壤水分及水分遷移過程等存在差異,因此基于土壤不同凍融階段的相關研究很有必要。

土壤的凍融過程對土壤含水量有著重要影響,對有效利用凍土資源,指導農田灌溉用水,研究土壤的蒸發、地下水補給和當地生態水文循環具有重要的意義[16]。因此本研究擬利用天山北坡伊犁阿熱都拜流域2017年11月—2018年3月觀測資料,劃分土壤不同凍融階段：土壤凍結、土壤完全凍結、凍土消融3個階段,結合積雪不同階段,旨在研究積雪消融對季節性凍土區土壤溫濕度變化的影響。

1 研究區與實驗方法

1.1 研究區概況

伊犁哈薩克自治州,位于中國西北邊陲,新疆西北部,伊犁河谷東端,鞏乃斯河河谷地帶,地處鞏乃斯河上游。深居內陸,遠離海洋,地勢東高西低,北東南三面環山,西部敞開,濕潤氣流難以進入,屬于半干旱的大陸性氣候[17],山地氣候特點明顯。研究區土壤冬季凍結,夏季消融,屬于典型的季節性凍土區。

本研究選擇位于天山北麓的伊犁新源縣阿熱都拜小流域作為研究區,研究積雪對土壤溫濕度變化的影響,時間選擇冬春季,此時地表植被覆蓋度小,降雪直接覆蓋到地面,并且將觀測站建在山區流域下游匯流區的出山口,遠離人類居住區,受人類干擾小,因此具有重要的研究價值。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 實驗方法和數據處理

2017年 8月31日在研究區觀測站建立土壤剖面觀測系統,劃分5、10、20、40、60、90、120、150 cm共8個土壤層(圖1),測量土壤溫度和土壤含水率,數據采集時間始于2017年9月1日,時間間隔為1天。由于研究區降雪融雪主要集中在11月—3月,且土壤從11月開始凍結,2月底開始消融,因此截取研究時段為2017年11月1日—2018年3月31日,歷經冬季降雪期和春季融雪期。

土壤水分與土壤溫度密切相關,土壤溫度決定土壤的凍融狀態,參照唐文政等人[4]的劃分標準,利用土壤含水率數據劃分土壤不同凍融階段為土壤凍結、土壤完全凍結、凍土消融3個階段。凍結階段,受地面氣溫的影響,土壤表層發生“晝融夜凍”日循環；完全凍結階段,土壤自表面向下凍結達到最大凍結深度；消融時期,受氣溫影響,凍結土層開始解凍,含水率上升。

本研究所用數據包括氣象數據、土壤溫濕度數據和積雪數據。其中氣象與積雪數據來自天山北坡阿熱都拜小流域匯流區出山口的觀測點1號氣象站(43°22′35″N,83°45′20″E),其海拔高度為1400 m,土壤溫濕度數據的測量采用來自澳大利亞Stevens公司的Hydra Probe Ⅱ型土壤水熱傳感器,分別對8個不同土壤層的土壤溫度和土壤含水率進行測量。將所測數據進行整理分類,并繪制相關圖表,進而分析天山北坡積雪消融對季節性凍土不同凍融階段土壤溫濕度變化的影響。

2 結果與分析

2.1 土壤凍融階段的劃分

為了具體分析研究區土壤凍融期土壤溫濕度的變化規律,利用新疆伊犁阿熱都拜流域2017年11月—2018年3月(整個凍結融化期)野外實驗站觀測的季節性凍土的土壤溫度和土壤水分數據對該地區季節性凍土土壤溫濕度變化的特點進行分析,作各層土壤含水率及土壤溫度變化曲線(圖2)。由圖2可知,在11月下旬,土壤溫度低于0℃,此時土壤含水率下降,土壤開始凍結；2月下旬,土壤溫度逐漸升高,高于0℃,含水率上升,凍土層快速消融(圖2)。因此按照前面所述劃分標準,結合圖2,劃分了研究區土壤的不同凍融階段(表1)。

圖2 土壤凍融時期各層土壤含水率及土壤溫度變化曲線Fig.2 Curve of soil moisture content and soil temperature in freezing-thawing stage

研究表明,在整個研究時段中,土壤從11月下旬開始凍結,土層凍結深度最大到20 cm左右,40 cm及以下的土層受上層土壤的保護作用,不發生凍融過程,凍結開始時間隨土壤深度的增加而滯后,且凍結時長也在減少。在整個土壤凍融過程中,凍結過程單向進行,從表層開始凍結,向深層延伸,而消融過程是雙向進行,從表層和底層同時進行,這與邊晴云、胡銘等人[18- 19]的研究是一致的。

表1 研究區各層土壤凍融情況的劃分

2.2 土壤凍融期土壤溫濕度變化規律

在整個土壤的凍結融化過程中,表層土壤溫濕度隨時間的變化幅度較大,而深層土壤的變化幅度較小。凍土層消融從2月下旬開始,到3月中旬以后完全消融。當土壤完全凍結階段時,20 cm土壤層的平均溫度小于0℃,說明該地區土壤凍結深度超過20 cm。可見積雪對表層土壤影響較大,表層土壤的溫濕度隨著時間的推移,土壤溫濕度變化趨勢為“下降-平穩-上升”,變化較大,而深層土壤變化小,波動不明顯。

圖3 不同凍融階段土壤溫濕度變化情況Fig.3 Changes of soil temperature and moisture at different freezing-thawing stages

為進一步分析土壤溫濕度在時間和空間上的變化規律,對不同凍融階段的土壤溫濕度變化進行了對比(圖3)。時間尺度上,土壤的3個不同凍融階段中,土壤完全凍結時的土壤含水率和溫度最低,土壤含水率最高發生在凍土消融階段,土壤溫度最高發生在土壤凍結階段；空間尺度上,3個階段土壤含水率隨著深度的增加變化趨勢相同,大致先增加后減少,且表層土壤含水率的變化大,而40 cm以下土層的含水率變化較為穩定。土壤溫度在土壤凍結前后的變化趨勢相反,凍結期間呈遞增的趨勢,溫度變化明顯,而消融期間土壤溫度隨深度的增加先減少后增加。

綜合圖2、圖3可知,在土壤凍結消融期間,阿熱都拜流域表層土壤的溫濕度變化明顯,且土壤的凍結深度最深到20 cm左右,20 cm深度以下由于受上層土壤的保護作用,并未發生凍融過程,因此后面著重分析積雪對表層土壤溫濕度變化的影響。

2.3 積雪對土壤溫度的影響分析

在整個土壤凍融期間,土壤溫度的變化取決于大氣溫度、雪面溫度和積雪深度的高低,且與其穩定性有關(圖4)。由于積雪包括新鮮雪和舊雪,雪密度不同,因此為了方便對比分析,將松軟雪深轉化為雪水當量。將土壤分不同凍融階段進行分析。

12月中旬之前,土壤處于凍結階段,土壤凍結從表層開始。此時積雪較少,大氣溫度和雪面溫度在同步持續降低,土壤溫度也隨之降低,其中表層土壤溫度(5、10、20 cm)受溫度影響較大,波動明顯。

在12月中旬到2月下旬,土壤完全凍結,積雪覆蓋增加,太陽輻射能量本應由土壤表面向下傳輸,但由于積雪的高反射率和低導熱性,被積雪阻礙,隔離了地氣之間的直接作用,因此在積雪覆被下,雖然氣溫回升,但土壤溫度并沒有立刻隨著氣溫的升高而升高,而是較之前沒有積雪覆蓋時更為穩定。

3月份土壤中的凍土層處于消融階段,此時氣溫回升,雪面溫度和各層土壤溫度也迅速回升,積雪快速消融,到3月8日左右,積雪覆蓋幾乎為0,地表出露。整體上土壤溫度隨氣溫的變化而變化,但表層土壤氣溫變化波動明顯,升溫最快,變幅最大,隨著土壤深度的增加,變幅減小,且越靠近地表,溫度越高,土壤溫度5 cm>10 cm>20 cm,與凍結期完全相反。此時土壤溫度主要受大氣溫度的影響。

圖4 各層土壤溫濕度與大氣溫度、雪面溫度和雪水當量的關系Fig.4 Relationship between soil temperature and moisture in each layer and atmospheric temperature, snow surface temperature and snow water equivalent

綜合分析表明,大氣溫度、雪面溫度和積雪深度都影響著土壤溫度的變化,且主要影響表層。結合圖5可以看出,凍結只發生在土壤表層,且越靠近地表,土壤溫度就越低。隨著土壤層深度的增加,土壤溫度逐漸升高；40 cm以下土壤層的最低溫高于0℃,不發生土壤凍融過程。另外當有積雪覆蓋時,積雪隔絕了土壤與大氣之間的熱量交換,能夠保持土壤中的熱量不受損失,使得土壤層溫度變幅減小,因此當有積雪覆蓋時,積雪對地溫起到了保溫作用。

2.4 積雪對土壤濕度的影響分析

新疆深居內陸,遠離海洋,水資源相對短缺,而季節性融雪水是新疆很重要的水資源,是其農業灌溉用水的主要來源。積雪消融后,融雪水向土壤下滲,使得土壤層含水率增加。由圖4可知,11月—3月土壤整個凍融期間,5、10、20 cm土壤層含水率呈“下降-平穩-上升”趨勢,即土壤含水率隨時間變化規律是先逐漸下降,降至最低點后,維持平衡一段時間后,逐漸升高。40 cm土壤層含水率變化不太明顯,40 cm土壤層以下包括60、90、120、150 cm土壤層的含水率,隨時間的推移,基本無太大變化?？梢?積雪對土壤含水率的影響深度最多到達20 cm左右,當土壤剖面深度超過40 cm后,有積雪覆蓋和無積雪覆蓋的土壤層含水率基本一致。將土壤分不同凍融階段進行分析：

土壤處于凍結階段時,大氣溫度持續降低,雪面溫度和土壤溫度也隨之降低,當土壤深度達到凍結溫度時,土壤層的液態水分發生凍結,土壤含水率也開始減少。表層土壤(5、10、20 cm)受外界影響較大,土壤含水率變化較快,深層土壤的土壤層含水率較為穩定。

直到12月中旬之后,積雪深度增加,穩定覆蓋,積雪的高反射性使得土壤溫度降低,土壤表層完全凍結,凍土層的存在使得融雪水很難下滲,因此土壤層的含水率下降到最低含量后維持穩定。

自2月26日開始土壤含水率快速上升。此時氣溫回升,凍土層開始消融,土壤層中的凍結水融化,加上雪面溫度同步上升,積雪快速消融,融雪水的下滲使得土壤含水率快速上升一直到達最高點,土壤水分的遷移量增加。到3月10日左右,氣溫驟降到0℃以下,導致消融的土壤再次凍結,土壤含水率出現短暫的下降。在這一階段,積雪不僅能夠通過自身的消融增加土壤濕度,還可以通過影響土壤溫度間接改變土壤濕度。

圖5 土壤凍融期各層土壤溫濕度變化情況Fig.5 Changes of soil temperature and moisture at different layers during freezing-thawing period

綜合圖4、圖5分析表明,在整個土壤凍融期間,各個箱形圖的箱體大小呈逐漸減小的趨勢,在箱型圖中,箱體的大小反映了樣本的離散程度,可見,隨著土壤層深度的增加,各層土壤含水率的離散程度逐漸減小,數據更集中于樣本均值,即表層土壤在凍結前后土壤含水率的變幅較大,深層土壤含水率變化較為穩定。其中在土壤凍結階段,土壤溫度在0℃以下,土壤中的液態水分凍結,凍土層的存在阻隔了融雪水的下滲,此時積雪的覆蓋對土壤含水率的影響小；在凍土消融階段,積雪消融,融雪水的下滲是土壤含水率增加的主要原因。

2.5 積雪與土壤溫濕度相關性分析

由前面分析可知,積雪消融主要影響土壤表層的溫濕度,因此只研究積雪與表層土壤溫濕度的相關性。已有研究表明[20- 21],積雪覆蓋對凍土的水熱狀況具有顯著的影響,因此劃分不同階段：選取2017年11月1日—2017年12月25日為非穩定積雪覆蓋階段,2017年12月26日—2018年2月25日為穩定積雪覆蓋階段,2018年2月26日—2018年3月8日為積雪消融階段,分析不同時期積雪深度(用雪水當量代替)與土壤溫濕度的相關性。

表2 不同時期雪水當量與土壤溫濕度的相關系數

**和*分別表示顯著性達到0.01和0.05水平

由表2可知,在非穩定積雪覆蓋階段,雪深與表層土壤溫度為顯著負相關,在穩定積雪覆蓋階段,雪深與表層土壤溫度的相關性達到顯著性水平,且雪深對表層土壤溫度的影響程度要高于更深層次的土壤；積雪消融時,雪深與土壤溫度的相關性與積雪覆蓋時情況一致。

雪深與土壤含水率同樣具有一定的相關性。在積雪覆蓋時,雪深對土壤含水率的影響較小,這與前面所說“積雪覆蓋時,土壤溫度小于0℃,土壤層中的液態水分遷移少,凍土層的存在阻止了水分下滲”的結論一致；積雪消融時,雪深與表層土壤含水率的相關性均達到了顯著性水平。此時,氣溫回升,融雪水下滲,增加了土壤層的含水率。

對比分析雪水當量與土壤溫濕度的相關系數可以得出,積雪對土壤溫濕度的影響程度分不同時期,對土壤溫度的影響主要是在積雪覆蓋時期,對土壤濕度的影響主要是在積雪消融時期。

3 結論與討論

通過對天山北坡伊犁阿熱都拜流域土壤凍融狀況及不同土壤凍融階段積雪消融對土壤溫濕度變化的分析,得到如下結論：

(1)阿熱都拜流域土壤從11月開始凍結,凍結開始日期隨著土壤深度的增加而滯后,3月中旬過后,凍土層完全消融。土壤凍結深度到20 cm左右,20 cm以下的土層基本不發生凍結過程。且凍結過程單向進行,消融過程雙向進行。在整個土壤凍融期間,土壤溫濕度的變化取決于積雪深度和大氣溫度的高低,且與其穩定性有關。并且主要影響表層土壤溫度,土壤層深度越深,土壤溫濕度變化越平緩。

(2)土壤凍結階段,土壤溫濕度持續下降,這一階段的表層土壤溫濕度受氣溫影響較大,且波動明顯,而深層土壤的溫濕度變化平緩；當土壤完全凍結時,處于穩定積雪覆蓋期,由于積雪的高反射性、低導熱性,影響著地氣之間的熱量傳遞,因此土壤的溫濕度變化較為平穩,積雪對土壤起到了一定的保溫作用；凍土消融時,氣溫回升,積雪消融,地表出露,各層土壤溫度隨氣溫變化而變化,且越靠近地表,土壤溫度越高,變幅越大,與凍結期完全相反。由于融雪水的下滲,土壤濕度快速增加。

(3)根據積雪消融與土壤溫濕度的相關性可知積雪對土壤溫濕度的影響程度分不同時期,對土壤溫度的影響主要在穩定積雪覆蓋時,對土壤濕度的影響主要是在積雪消融時期。

本研究通過劃分土壤不同凍融階段,結合積雪不同階段,對阿熱都拜流域積雪消融對土壤溫濕度變化的影響進行了分析,考慮到積雪本身性質的復雜性和不同地區土壤凍融過程的差異性,因此需要更多年限的數據、多次土壤凍融過程來證明結論的可靠性。目前,關于積雪對不同凍融階段土壤溫濕度的影響機理和耦合關系方面的研究還較少,至于積雪-融雪以及土壤水熱的耦合關系有待進一步研究。