农田黑土季节性冻融过程及其水分分布特征

秋冬、冬春季节转换过程中0~10 cm农田黑土温度日较差较大,土壤经历着反复的冻融交替过程,大于20 cm的土壤温度日较差逐渐减小,冻融作用对深层土壤的影响逐渐减弱。融冻期土壤融化过程是由地表向下和由季节冻结层底面向上两个方向同时进行;而冻融期土壤冻结过程由土壤表面向下单方向进行。冻融过程中土壤水分发生迁移而重新分布,冻结期上层土壤首先冻结并聚集水分;融化期冻层融化水分向冻结锋面迁移,越靠近冻结层水分含量越大。     

大兴安岭北部寒温带针叶林表层土壤冻融变化特征

基于2009—2019年地表土壤温度和积雪数据，分析了近10 a来我国大兴安岭北部多年冻土区土壤冻融变化特征，包括冻融循环次数和天数、冻融开始和结束时间、持续时间、变动幅度等。表层土壤春季融化过程期主要发生在4月中下旬至5月中旬，秋季冻结过程期主要发生在9月中下旬至10月中旬，平均每年发生冻融39次或41 d。春季融化过程期相比秋季冻结过程期，平均冻融循环次数或天数相差并不大，研究期间内大于、小于和相近年份均有出现。但冻结期冻融循环变动幅度(主要在2.6～15.0℃)大于融化期(主要在2.6～12.5℃)。春季融化期开始时间与积雪结束时间基本吻合，而积雪开始时间均发生在秋季冻结期结束之后。因此，两个冻融期很少有积雪覆盖，冻融循环主要受气温影响。本研究为深入理解大兴安岭多年冻土对气候变化的响应、制定适宜的气候变化对策提供参考依据。     

黑土农田冻结-融化期土壤剖面温度变化特征

[目的]研究东北黑土区农地土壤温度变化特征,为冻融作用程度量化分析和冻融作用对土壤侵蚀影响提供基础数据。[方法]利用2015—2018年黑龙江省宾州河流域典型农地2 m土壤剖面11月至翌年4月土壤温度观测资料以及气温数据,分析了冻结和融化过程中土壤温度变化特征以及土壤温度对气温变化的响应,确定土壤冻结与融化过程中耕层土壤冻融循环次数。[结果] 11月至翌年2月的冻结期,土壤温度随土层深度的增加而增加;3—4月份土壤温度梯度发生反向改变,当土壤完全消融后,土壤温度随着土层深度的增加而递减,土壤最大冻结深度为80 cm。研究结果还表明,0—60 cm土层的土壤温度均与气温呈极显著正相关,其相关性随土壤深度增加而减小;而80 cm以下土层,土壤温度均与气温呈负相关。[结论]研究区土壤冻结和融化过程分别呈单向冻结和双向融化现象,冻融循环主要发生在农地耕层0—20 cm土层,其年最大冻融循环次数分别为12次和7次,为设计黑土冻融循环模拟试验提供了数据支持。     

黑河中游农田荒漠过渡带土壤冻融过程中水热动态

以黑河中游典型农田荒漠过渡带为例,对过渡带3种景观单元冻融期土壤水热动态进行了野外定位监测。结果表明:(1)土壤温度随气温剧烈变化,变幅随土壤深度的增加而减小,3种景观单元土壤温度变幅由剧烈到平缓的顺序为:荒漠农田防护林,并依次形成60,100和80cm深的冻土层;(2)受土壤性质和地表覆盖的影响,冻融过程中,农田、防护林土壤含水量变化明显,且农田土壤水分含量4月初达到最大值,而荒漠土壤含水量则基本保持不变;(3)土壤水分变化滞后于土壤温度的变化,防护林土壤水和温度变化较农田缓慢;(4)浅层地下水位在冻结期下降,融化期回升,且回升速率大于下降速率。冻融过程可有效减小土壤水分的蒸发和渗漏,冻后聚墒明显,利于下层土壤水分的保持,对于来年植物生长具有一定的意义。     

草甸土冻融环境与春季解冻期降雨侵蚀模拟研究

以我国东北草甸土为研究对象,采用人工模拟降雨方法,分析试验区冻融环境及春季解冻期室外降雨侵蚀过程。结果表明:温度大体经历了降温、稳定和升温3个阶段,对应地表土壤经历了冻结、稳定冻结和融化3个过程;表层土壤在冻结和融化的两个过程中都经历了冻融作用,其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤经受冻融交替作用强烈的时期,特别是融化阶段是控制春季解冻期土壤侵蚀的关键时期;冻融前后土壤含水率减小19%、土壤容重减小8.9%;整体土壤侵蚀速率表现为增加趋势;小雨强解冻深度浅的处理,侵蚀速率增加幅度不大,坡面细沟以宽浅型为主;大雨强侵蚀速率波动性增强。     

干旱区季节性冻土冻融状况及对融雪径流的影响

利用天山北坡季节性冻土区的军塘湖流域观测场2013年和2014年冻融期冻土深度及各层土壤的温湿度数据,研究季节性冻土的冻融规律及冻融过程中土壤含水量的变化特征,探讨各层土壤水分分布及迁移特征对融雪径流的影响。结果表明:冻融过程中冻土深度会发生变化,且温度不同冻融速率不一;土壤水分的迁移受制于土壤温度的变化,特别是表层10cm土壤温湿度相关性极大;对比2013年,2014年数据,土壤表层10cm内的含水量变化会对融雪水的下渗有调控作用,从而影响下垫面的径流量。研究季节性冻土冻融过程及对融雪径流的影响,会对准确预报融雪性洪水有重要意义。     

蒙古高原中部草地土壤冻融过程及土壤含水量分布

利用土壤剖面的温度、湿度观测数据,结合气象资料初步分析了蒙古高原中部典型针茅草原在季节转变过程中(2003～2004年)的土壤冻融过程和土壤含水量分布动态。研究表明,0～150cm深度范围的土壤完全冻结天数为154～160d。冻融日循环主要发生在表层0～5cm。0～30cm土层的土壤含水量变化剧烈,与地温有较好的一致性。0～10cm深度土壤含水量高于其他土层。随着深度的增加,土壤含水量季节波动性变小。冻结过程有利于保持土壤水分,有利于春季草地植被返青。     

春季解冻期降雨对黑土坡面侵蚀影响研究

为开展我国东北地区关于冻融作用对春季降雨与未完全解冻土壤侵蚀关系的定量研究,对东北黑土室外冻结,室内表层融化下部冻结,在此冻融条件下对其进行室内模拟降雨试验,研究了春季解冻期黑土在不同含水率、不同解冻深度及降雨量条件下的侵蚀特征.结果表明:在春季解冻期,由于冻融作用,黑土坡面土壤解冻不完全、渗透能力差.此时降雨的侵蚀能力较强,导致这一时期坡面土壤侵蚀严重,土壤坡面侵蚀量受到含水率、降雨强度和解冻深度等因子的综合影响,并随三者变化呈现不同的侵蚀规律.     

河西走廊近40年地表土壤冻融状态变化特征

为探究河西走廊地区土壤冻融规律，基于ERA5-LAND逐小时地表温度数据，通过划分不同冻融阶段并结合Mann-Kendall趋势检验及线性回归法，分析河西走廊近40年地表土壤冻融状态变化特征。结果表明：(1)春季过渡期发生天数呈现平原多山区少，总体年均发生天数为65天以上，完全融化期发生天数整体上为北部多于南部，在同一纬度上呈东部多于西部，且发生天数为200天以上的地区不断增加；秋季过渡期年均发生天数最少，为50天左右，完全冻结期发生天数随海拔升高而增加，其中春季过渡期发生天数的空间分布随时间变化较明显。(2)春季过渡期和完全融化期起始日期由北向南逐渐推迟，南北差异最大为90天以上，且不同时期完全融化期起始日期空间分布变化明显。秋季过渡期起始日期与前者相反，由北向南逐渐提前，不同时期空间分布无明显差异。绝大部分地区在12月份进入完全冻结期，高海拔山区在11月份进入完全冻结期。(3)研究区大部分地区春季过渡期起始日期滞后，完全融化期起始日期提前，故春季过渡期发生天数总体以0.2天/年的速率减少，而大部分地区秋季过渡期起始日期滞后，致使完全融化期发生天数以0.3天/年的速率增加。研究区北部...     

青藏高原冻融-水蚀凹陷对高寒沼泽草甸土壤呼吸的影响

[目的]探究青藏高原长期的冻融与水蚀造成的凹陷对高寒沼泽草甸土壤呼吸的影响,为探讨和评估高寒沼泽草甸碳循环过程提供一定的科学依据。[方法]以青海湖北岸冻融—水蚀凹陷的高寒沼泽草甸为研究对象,选取了非冻融—水蚀凹陷区和冻融—水蚀凹陷区,2019年5月监测土壤呼吸、5 cm土壤温度、5 cm土壤含水量及空气温度和空气相对湿度,2018年8月观察了植被群落特征(优势种、地上生物量、植物高度、群落盖度)。[结果]①冻融—水蚀凹陷区的平均土壤呼吸速率显著低于非冻融—水蚀凹陷样区。②冻融—水蚀造成地表下陷,下陷的洼地微生态系统具有类似盆地的聚温保湿效应,因此在凹陷样区中空气相对湿度显著增加,空气温度降低,5 cm土壤温度显著增加(p0.05),以上环境要素的变化深刻影响着土壤呼吸。[结论]青藏高原冻融—水蚀过程形成的凹陷改变了高寒沼泽草甸土壤环境,使原生系统的土壤呼吸发生变化,进而影响高寒沼泽草甸生态系统碳循环。     

季节性冻融区农业土壤矿质氮有效性变化规律原位试验

为了更好地认识冻融过程对季节性冻融农业区土壤矿质氮有效性的影响,以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象,采用改进的树脂芯法开展了自然状态下表层土壤氮素原位培养试验。结果表明:土壤冻结过程使各下垫面土壤铵态氮含量增加了170%,硝态氮含量减少了19%,进而增加了土壤矿质氮含量及铵态氮所占比例,同时使各下垫面土壤铵态氮含量变异系数减小36%,硝态氮含量变异系数增加了250%。冻土融化过程中,土壤铵态氮含量无显著变化,硝态氮含量显著增加后趋于稳定;冻土融化初期,积雪融化和积雪融化与冻土融化的叠加过程使各下垫面土壤铵态氮含量变异系数分别增加了39%和48%,硝态氮含量变异系数减小了65%和40%,但大部分阶段硝态氮变异系数大于铵态氮。冻融过程中,土壤含水率的变化并未对土壤中铵态氮和硝态氮含量产生显著影响。     

极端干旱区土壤呼吸对储水灌溉和冻融循环的响应

[目的] 揭示中国极端干旱区甘肃省石羊河流域储水灌溉与季节性冻融叠加作用下对土壤呼吸的影响,为进一步提高极端干旱区灌溉水资源利用效率和节约灌溉水源提供理论基础和技术支撑。[方法] 按照1 199.4 m³/hm²低灌溉定额分为灌水和非灌水处理,将冻融循环分为冻结期、冻融期和解冻期3个时间段,采用LI-8100土壤碳通量全自动测量系统对各处理地块的土壤呼吸速率进行观测与分析。[结果] 极端干旱区储水灌溉在季节性冻融作用下农田生态系统土壤呼吸速率增强,土壤碳排放量增加,农田生态系统碳循环被改变,有利于作物的生长和提高粮食产量。不同土地利用方式下土壤呼吸速率对水分和温度的响应程度不同。整个冻融过程中土壤呼吸速率呈现出：解冻期>冻结期>冻融期的规律。冻结期、冻融期和解冻期3个时期的土壤CO₂都表现为源,但在夜间极低温度时土壤CO₂由源转化为汇。[结论] 储水灌溉调控了整个冻融期土壤呼吸的过程,改变了极端干旱区农田生态系统的碳循环。在水分与季节性冻融叠加作用下,储水灌溉地块土壤呼吸速率相对未储水地块随温度的波动更为剧烈,但与温度的变化趋势一致,水分加剧了其随温度的波动。     

土壤冻融作用对植物生理生态影响研究进展

土壤冻融作用是季节性冻土区和多年冻土区常见的自然现象,主要是指由于土壤温度变化而出现的反复冻结解冻过程。冻融作用不仅影响土壤的理化和生物学性质,而且还会改变植物的生理生态过程,从而可能对冻土广泛分布的高纬度和高海拔地区植被生态系统生产力产生重要影响。本文重点论述了土壤冻融对植物地上和地下部分生理生态过程的影响效应以及全球变化背景下高寒植被生态系统对不同冻融格局的响应特征,总结了不同气候环境条件及生境胁迫下植物光合作用、生物量和生产力、根系生长及其对水分和温度胁迫响应等的生理生态表现,同时对当前土壤冻融与植物生理生态领域研究存在的不足进行了阐释,提出全球变化背景下频繁的土壤冻融作用将强烈改变植被生态格局和功能,并指出这种改变在高寒生态系统中表现将更为显著。     

冻融交替对土壤CO2及N2O释放效应的研究进展

在秋冬交替和冬春交替时期高纬度地区和高海拔生态系统表层土壤常有冻融交替频繁发生。由于冻融交替作用通过改变土壤水热性质而对土壤物理、化学、生物学特性产生效应。冻结通常导致土壤团聚体破裂、微生物细胞及细根死亡,释放出活性较高的有机物,增强随后融解的土壤的反硝化和呼吸活性,从而影响土壤生物、生物化学过程以及生物地化循环。已有对苔原、泰加林等北极和亚北极生态系统的研究表明,土壤冻融交替次数、冻融极端温度、土壤水分、土壤团聚体结构变化等对CO2和N2O的释放通量影响较为显著,一般在冻融的最初几个循环温室气体排放会增加,随后会降至一个较为稳定的水平。目前,冻融循环变化背景下的温室气体排放研究主要是针对北方高纬度地区,而且对冻融交替影响土壤温室气体排放的机理研究也不够。我国面积广大的青藏高原高海拔地带在全球增温背景下,轻微增温会导致季节性冻土表层冻融交替次数增加,甚至冻土季节消失,加强全球增温背景下我国高山亚高山季节性冻土生态系统效应和过程研究,特别是土壤暖化导致的温室气体排放变化通量和变化机理的研究,对揭示全球变化的区域效应以及高海拔生态系统的管理都具有重要作用。     

秋耕对北疆季节性冻融期土壤热状况的影响

为明确秋耕对季节性冻融土壤热状况的调控作用,对比分析了翻耕（FG）、免耕（MG）、垄沟（LG）、翻耕活性炭覆盖（FH）和翻耕秸秆覆盖（FJ）5种处理对土壤温度、冻融循环以及土壤温度梯度等影响的差异。结果表明：与传统FG处理相比,MG、LG、FH、FJ处理均减弱了土壤温度与气温的相关性,降低了整个冻融期土壤温度的升、降温幅度和不同冻融阶段土壤温度昼夜变化的变异性程度,维持土壤温度序列稳定的能力FJ>FH>LG>MG。FG处理最先冻结和融化,其余处理延缓土壤冻结和融化速度的效果为FJ>FH>LG>MG,且冻结速度和融化速度越小,冻融交替越频繁,冻融循环次数越大。各处理土壤温度梯度与气温均呈极显著的相关关系（P<0.01）,相关性程度为FG>LG>MG>FH>FJ,与土壤贮水量均呈极显著的负相关关系（P<0.01）,相关性程度为FJ>FH>LG>MG>FG,MG、LG、FH、FJ处理均加强了土壤水热资源的保持,其中翻耕秸秆覆盖和翻耕活性炭覆盖促进了深层土壤热量上移,更有利于改善季节性冻融期间土壤的水热状况,维持北疆春播土壤墒情。     

季节性冻融条件下草地入渗特性的试验研究

通过对比分析季节性冻融条件下草地与裸地入渗试验结果,得到了草地冻融条件下的入渗规律。结果表明,在冻融各阶段,地表0~40 cm深度范围内,草地地温均高于裸地,但土壤含水率低于裸地;在土壤初冻和融化阶段,草地入渗90 min累积入渗量大于裸地,但其初始入渗强度小于裸地初始入渗强度;在土壤完全处于冻结状态时,草地与裸地的入渗过程、入渗量基本相同。研究结果为草地冻融土壤入渗特性的进一步研究奠定基础,为区域水土保持与生态修复工程及季节性冻土区冬春灌溉提供参考。     

秸秆覆盖秋浇后盐渍土壤冻融过程及水盐运移特征

为了探讨在寒旱盐灌区覆盖秋浇后冻融土壤的冻融特性及水热盐协同调控机制,在盐渍土壤进行覆盖后秋浇田间冻融试验,设5个处理,秸秆覆盖量1.2kg/m~2(F1.2)、秸秆覆盖量0.9kg/m~2(F0.9)、秸秆覆盖量0.6kg/m~2(F0.6)、秸秆覆盖量0.3kg/m~2(F0.3)、未覆盖(CK)。结果表明:秸秆覆盖影响了土壤冻结融化推进过程,改变了土壤温度对气温变化的响应关系,影响了水分、盐分在土壤剖面(特别是土壤表层和耕作层)的重新分配,提高了翌年春季水分可利用量,抑制了表层及耕作层春季返盐,提高了秋浇的灌水效果。秸秆覆盖处理的最大冻结深度小于CK处理4~26cm,初冻时间滞后0~12d,融化时间滞后0~21d;秸秆覆盖的各处理由于覆盖层的存在,消融水蒸发受到抑制,表层积盐现象较弱;消融期结束后,在土壤表层0—10cm,F0.9的土壤含水率最高,处理F1.2较秋浇前脱盐率为81.18%,脱盐效果最好;在耕作层0—40cm,F0.9的土壤含水率最高,处理F0.6较秋浇前脱盐率为75.65%,脱盐效果最好;为保证在翌年春播时的适宜含盐量及含水率,以覆盖量0.6~0.9kg/m~2为宜。研究结果可为河套灌区秋浇制度的优化提供参考。