沈阳潮棕土壤冻融深度的研究

沈阳潮棕土壤冻融深度的研究

中国的冻土分布非常广泛。多年来，中国共修建了2154.2公顷的冻土，占全国总面积的22.3%。在50厘米以上的季节冻土深度大于443.14hm2，占总土壤面积的46.3%。除了江淮和华北的季节性冻深外，中国的冻土总面积超过75%。在冻土区由于冻胀和融沉及隐蔽性积盐等发生着各种冻害。土壤冻结融化过程中的水、热、溶质运移规律的研究,是土壤冻融机理研究中的重要内容,是各种冻害防治的理论基础。积雪的低导热性会减弱气候变化对土壤温度的影响,影响土壤的冻结深度、冻结速度、冻胀量和热质迁移状况,但是到目前为止,这方面的研究还很不透彻。本研究通过两年的室外试验对沈阳地区潮棕壤土不同积雪厚度对土壤的冻结或融化深度、冻融期间土壤表面温度和水分迁移规律等影响进行了研究。1土壤冻结强度试验场地位于辽宁省沈阳市东郊(沈阳农业大学水利学院综合试验基地)。沈阳市地处欧亚大陆东岸,中纬度地带,气候类型属于温带大陆性季风气候。主要特点是:冬冷夏暖,寒冷期长;春秋短促多风;南湿北干,雨量集中;日照充足,四季分明。年平均气温为8.1℃,冬季寒冷,平均气温-9.1℃。最低气温≤0℃的日期平均为51d,寒冷期较长,土壤最大冻结深度1.5m。冬季极端最低气温为-30.6℃。共设3个试区,依次命名为1区、2区和3区,每个试区的大小均为3m×3m,由厚度为10cm的保温板围成,围墙高0.6m。采用TRM-ZS1气象、生态环境监测系统自动记录气温、风速、风向、空气湿度,净辐射和不同深度的土壤温度。用冻土器人工测量各区的土壤冻结融化深度。用中子仪和时域反射仪定期观测各区的土壤含水率剖面。冻融循环:2004年12月3日,1区堆雪至40cm厚,2区保留自然降雪状况—17cm厚,3区清除积雪—积雪厚度为0cm(其后一直保持该区无雪层覆盖)。2005年1月29日1区、2区清除陈雪后人工堆新雪均至55cm厚,3区保持无雪状态。2结果分析2.1地表温度随立地条件的变化图1给出了2005-02-19~03-15气温和地表温度随时间的变化曲线。由图1可知,近地面1m和2m处的气温差别不大,由于风的存在使得2m处的气温稍<1m处的气温。在积雪覆盖条件下,1、2区地表温度变化幅度非常小,在-3℃~0℃范围内;而3区由于无积雪覆盖,地表温度受外界气温影响较大,这说明积雪有很好的保温作用。图1、图2同时说明在有积雪存在的条件下,由于积雪的导热率较低,是有效的隔热层,阻碍了地中热能向外散失,从而起到了保持和提高地温的作用。2.2冻深曲线变化图2给出的是2004-12-03~2005-05-083个测区的土壤冻结、融化深度随时间的变化曲线。由图2可见雪盖越厚冻结速度越低:1区的平均冻结速度约为0.2cm/d,2区的约为0.6cm/d,3区的约为1.3cm/d。1区在2005年3月3日出现最大冻深为44.8cm,2区在2005年3月7日出现最大冻深为81cm,3区在2005年3月9日出现最大冻深为137.5cm。1区冻深曲线变化平缓,基本维持在40cm左右,2区冻深明显比1区冻深大,但增加幅度不如3区剧烈,3区冻深最大且变化显著。对这3条曲线的变化趋势进行对比,充分说明了在积雪覆盖条件下,冻深变化受外界气象条件的影响较小,积雪越深影响越小。3区无积雪冻深的变化完全依赖于外界气象条件的变化。在积雪融化后的观测过程中,1区冻深在2005年4月6日消失,2区冻深在2005年4月10日消失,3区冻深则持续到在2005年5月9日才消失。2.3不同部位冻土级融雪补给对总含水率的影响图3给出的是2004年10月20日(上冻前)、11月4日(上冻未积雪前)、2005年1月9日(积雪未融化前)、2月21日(积雪融化中)、3月18日(积雪全部融化)、5月5日(冻土全部融化)各区不同时间的土壤含水率(总含水率)剖面相应的未冻水体积含水率剖面示于图4。综合图3、图4比较1、2、3区的水分状况可知,1、2、3区的初始含水率差别不大。上冻未积雪前1、2、3区20cm左右的含水率增大约4%,这是由于上冻后,浅层土壤温度降低,未冻水向上层迁移,使含水率增大。积雪未融化前30cm处的总含水率继续增大,约增大3%,3区的未冻水与总含水率在100cm左右相差最大,约15%,而1、2区则在45cm左右,差值约7%,这是因为1、2区有积雪覆盖,保持了地温,相同深处地温较3区高,减缓了冻结速度,所以未冻水迁移速度与迁移量较3区小。积雪融化中,1、2区表层含水率增大,是由融雪下渗引起的,55cm含水率增大,55cm下方未冻水含水率减小,说明土壤继续向下冻结,冻结面下移,未冻水向冻结面迁移,使总含水率增大。3区120cm总含水率增大,未冻水含水率也增大,说明未冻水向上迁移。积雪全部融化后,1、2、3区10cm处未冻水含水率与总含水率基本相同,并且都减小了5%左右,这是由于天气转暖,气温回升,表层地温升高,冻土融化使未冻水含水率与总含水率相等,表层土壤蒸发使含水率减小,由于融雪补给使1、2区表层含水率大于3区。1、2区65cm左右总含水率增大,下方未冻水含水率减少,3区出现在135cm左右,说明冻结深度继续增加,未冻水向冻结面上移。冻土全部融化后,随着上部冻层的消融,下部冻层受上层土壤热量和底部地热影响,双向解冻。冻结厚度不断减小,土壤冻结含水率减少,直到冻层全部融解,土层中的水分在太阳辐射的作用下向地表运移并蒸发使浅层含水率较上冻前有所增加。3雪盖不同部位对土壤冻结的影响(1)实验表明沈阳地区2004~2005年积雪对其覆盖下的土壤温度、冻土深度有显著影响。通过裸地和有积雪覆盖的情况对比可知,当近地面气温高于-5℃,雪层厚度>25cm时,气象条件的变化对雪层热状况的影响极其微弱,积雪覆盖越厚,变化越平缓。雪盖40cm,冻深在40cm左右,雪盖20cm,冻深在80cm左右,而无雪盖冻深则达到140cm,积雪越厚,对外界气象条件的相应敏感性就越弱,冻深也就越浅。(2)在冻结过程中,由于雪盖的存在,保持了地温,减缓了土壤冻结速度,影响了水分迁移过程。土壤在冻结过程中,水分向冻结界面迁移的现象十分明显,在冻结初期水分迁移量较小,而当冻深达稳定阶段后,由于冻结界面移动缓慢,冻结界面处水