沈陽市凍土區(qū)凍結(jié)狀況與水分遷移特征

土壤凍結(jié)是一種常見的自然現(xiàn)象。我國凍土分布廣泛,多年凍土面積達(dá)215萬hm2,約占全國陸地總面積的22.3%;季節(jié)性凍土深度超過50cm的區(qū)域達(dá)443萬hm2,占國土總面積的46.3%;如果再加上季節(jié)凍深小于50cm的江淮和華北等地區(qū),我國凍土總面積占全國總面積75%以上。因此,凍土首先被視作寶貴的土地資源,對凍土區(qū)的土壤凍結(jié)和融通特征及其物理機(jī)制進(jìn)行深入研究,顯得尤為重要。積雪的低導(dǎo)熱性能防止土壤的過度降溫,影響土壤的凍結(jié)深度、凍結(jié)速度、凍脹量和熱質(zhì)遷移狀況,積雪深度的分布常?？刂浦鴥鐾翈У姆植肌９P者以不同積雪覆蓋為試驗條件對土壤凍結(jié)狀況和水分遷移規(guī)律進(jìn)行了研究。1土壤凍結(jié)強(qiáng)度測量試驗場地位于遼寧省沈陽市東郊(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗基地)。沈陽市地處歐亞大陸東岸,中緯度地帶,氣候類型屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,主要特點是:冬冷夏暖,寒冷期長;春秋短促多風(fēng);南濕北干,雨量集中;日照充足,四季分明。年均氣溫為8.1℃;冬季寒冷,平均氣溫-9.1℃。最低氣溫≤0℃的天數(shù)平均為51d,寒冷期較長,土壤最大凍結(jié)深度1.5m。冬季極端最低氣溫為-30.6℃。共設(shè)3個試區(qū),依次命名為1、2和3區(qū),試區(qū)均為3m×3m,由厚度為10?cm的保溫板圍成,圍墻高0.6m。采用TRM-ZS1氣象、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)自動記錄氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度、凈輻射和不同深度的土壤溫度。用凍土器人工測量各區(qū)的土壤凍結(jié)融化深度。用中子儀和時域反射儀定期觀測各區(qū)的土壤含水率剖面。凍融循環(huán)(2003年10月~2004年5月):2004年2月2日在測區(qū)1、2、3堆雪分別至60、40和20cm;2004年2月22日,測區(qū)1、2、3均堆雪至50cm。2結(jié)果與分析2.1地表溫度和積分熱度圖1顯示了2004年1月14日~3月14日的積雪深度與地面溫度隨時間的變化過程。由圖1可知,2004年1月14日~2月2日,由于3個側(cè)區(qū)中的積雪覆蓋厚度均接近于0?cm(圖1-b),地表的溫度隨著氣溫的變化而變化(圖1-c)。近地面1和2m處的氣溫差別不大,由于風(fēng)的存在使得2m處的氣溫稍小于1m處的氣溫(圖1-a)。自從2月2日人工地把測區(qū)1、2、3的雪堆至60、40、20?cm后,地表溫度的變化趨于平緩。從2月2~22日地表溫度的對比中可見,積雪覆蓋深度越大,土壤表面溫度越高,地表溫度對氣溫的反應(yīng)越遲緩。2月22日,測區(qū)1、2、3中的雪堆至50?cm,從2月22~29日,3個測區(qū)中的雪深均大于25?cm,地表溫度基本保持穩(wěn)定。積雪的存在會顯著改變凍土層的邊界條件,從而改變凍土和積雪接觸面的能量交換過程,圖2表明,由于積雪的低導(dǎo)熱性和大熱容量,雪層厚度對地表溫度有明顯影響。當(dāng)近地面氣溫高于-8℃,雪層厚度大于25?cm時,氣象條件的變化對雪層熱狀況的影響極其微弱。2.2凍土層中23區(qū)最大凍深圖2為2003年12月3日~2004年4月17日3個測區(qū)的土壤凍結(jié)、融化深度隨時間的變化曲線。從圖2可明顯地看出,2004年1月8~30日凍結(jié)深度變化較快,近于線性變化,平均凍結(jié)速度約1.8?cm/d。當(dāng)?shù)乇磉_(dá)最大負(fù)溫后,由于深層土壤仍降溫,凍深繼續(xù)發(fā)展,但增加幅度有所減小。1區(qū)最大凍深出現(xiàn)在2004年2月20日,最大凍深111.6?cm;2區(qū)最大凍深出現(xiàn)在2004年2月17日,最大凍深110?cm;3區(qū)最大凍深出現(xiàn)在2004年2月13日,最大凍深111?cm。此后由于地下熱量的供給,下凍結(jié)界面凍冰開始融化,但速度較慢,1d不足0.5?cm。當(dāng)?shù)乇磉_(dá)正溫后,土壤層中出現(xiàn)兩凍融界面,凍結(jié)從上下界面同時向中間層融化。一般而言,凍結(jié)上界面融凍速度快于下層,主要原因在于土壤由上層輻射熱傳輸?shù)玫降臒崃枯^下層土壤熱通量大。根據(jù)圖2計算得出,上層融冰速度約2cm/d,而下界面此時融冰速度雖有所加快,但仍慢于上凍結(jié)界面的融化速度。整個凍土層從發(fā)生、發(fā)展至消融約140d。3個區(qū)出現(xiàn)最大凍深的時間和數(shù)值相差甚小,主要原因是1、2、3區(qū)自2003年11月底~2004年2月2日表面均無積雪。積雪時間較晚,氣溫開始回升(2004年2月2日在測區(qū)1、2、3人工堆雪分別至60、40和20cm厚;2月22日,測區(qū)1、2、3中的雪堆又均至50cm厚)。積雪開始前,1區(qū)凍深最大,2和3區(qū)接近。積雪開始后,雪蓋最厚的1區(qū)凍深逐漸高于雪蓋最薄的3區(qū),體現(xiàn)出了雪蓋的保溫作用隨雪蓋厚度增加而增加的情況。融化深度各區(qū)基本相同,說明受雪蓋厚度的影響較小。2.3凍結(jié)面上的水分遷移將2004年1月9日(上凍未積雪前)、2月2日(積雪未融化前)、2月19日(積雪融化中)、3月19日(積雪全部融化)、5月5日(凍土全部融化)各區(qū)的土壤含水率(總含水率)剖面示于圖3。將同一時間不同區(qū)的土壤含水率(總含水率)剖面對比示于圖4。由圖3可見,在凍結(jié)過程中,在溫度梯度作用下,各區(qū)土壤水分向凍層遷移,隨凍結(jié)深度逐漸增大,凍結(jié)帶含水量增大比較明顯。隨水分逐漸向凍結(jié)帶遷移,在凍結(jié)面下方出現(xiàn)了一個明顯的水分低含量帶。1月9日到2月2日70~110?cm各區(qū)含水率變化較大,總含水率增大了約5%,主要是因為溫度下降多,凍結(jié)速度快,導(dǎo)致水分迅速向凍結(jié)帶遷移,使總含水率增大。在凍結(jié)土壤融化過程中,3月19日到5月5日0~50cm總含水率下降了約7%,50~100?cm下降了約4%,這是由于積雪全部融化,因受太陽輻射影響土壤表面溫度升高較快,而中部土壤相對緩慢,凍土段內(nèi)的水分在溫度梯度的作用下,從高溫端向凍土層內(nèi)遷移。由圖4可見,在上凍未積雪前3個區(qū)的初始表層含水率基本相同是因為3個區(qū)的自然狀況基本相同,3區(qū)略低是由于測點位置不同造成的。積雪后,隨時間的推移在積雪融化過程中3個區(qū)的表土含水率比初始值都有所增大,但增幅不同,1區(qū)增加得最多,約4%,這是因為氣溫升高積雪融化,融雪下滲到土壤中使表土含水率增大。在積雪融化過程中3區(qū)含水率變化較明顯,在80~100cm含水率驟然降低8%,2區(qū)降低3%,1區(qū)僅降低1%,這是積雪厚度不同使地溫產(chǎn)生差異,影響了凍結(jié)速度,造成了水分遷移速度和遷移量的不同。積雪全部融化后,氣溫回升使地溫升高,凍土層開始融化,各區(qū)20~40cm土壤含水率都有所增加,這一方面是融雪下滲造成的,另一方面是在融化過程中,聚集在凍土中的冰體從表面開始融化,由于受到下層未融化層的阻隔,在溫度梯度的作用下,融水向表層遷移并快速蒸發(fā)。3地溫對土壤凍結(jié)的影響積雪覆蓋對土壤溫度、凍土深度、凍結(jié)速率、水分遷移等均有顯著影響。積雪的弱導(dǎo)熱性和大熱容量,很大程度上阻隔了地層熱能的散失。當(dāng)近地面日平均氣溫在-5℃左右時,雪層厚度大于25?cm時,氣象條件的變化對土壤熱狀況的影響極其微弱。試驗結(jié)果表明,雪覆蓋40?cm,最大凍深只有40?cm左右;雪覆蓋20?cm,最大凍深在80?cm左右;而無雪覆蓋處理的最大凍深則達(dá)到140cm。在凍結(jié)過程中,由于積雪的覆蓋,保持了地溫,減緩了土壤凍結(jié)速度,影響了水分遷移過程。地溫是影響水分遷移的主導(dǎo)因素,氣溫降低引起部分液態(tài)相變成冰,土壤凍結(jié),凍結(jié)帶土壤水勢降低,由此產(chǎn)生的土水勢梯度使水分由高土水勢未凍帶向低土水勢的凍結(jié)帶遷移。土壤在凍結(jié)過程中水分向凍結(jié)界面遷移的現(xiàn)象十分明顯,土溫越低,凍結(jié)速度越快,原位凍結(jié)的水分越多,向冷端遷移水量減少;反之,土溫越高,凍結(jié)速度越慢,原位凍結(jié)的水分越少,向冷端遷移水