冀西北高原土壤冻融特征研究

为明确冀西北高原寒季土壤冻融时空范围及冻融前后储水量变化,通过设计控制性田区,采用时域反射仪(TDR)进行了定位连续观测。结果表明:冀西北高原区冻土深度为200 cm;0~200 cm土体结冻期持续约106 d,融冻期持续35 d,土体融冻速率大于冻结速率。随土层加深,土壤稳定冻结期缩短。封冻期间土体少量耗水,土壤失水主要发生在0~40cm土层。冻结过程有利于保持土壤水分,利于春季植被返青。研究结果为冀西北高原土壤水资源保持、环境保护及植被高效生产提供理论依据。     

宁夏青铜峡灌区冬灌对冻融期土壤水热盐分布及作物生长影响

[目的] 研究冬灌和冻融条件下土壤水热盐的再分布规律及其对作物生长的影响,为防治土壤盐渍化和保障粮食安全提供科学依据。[方法] 基于宁夏青铜峡灌区2018年10月25日至2020年10月3日试验田实测气象、土壤理化指标和作物生长数据,采用统计分析及可视化方法对冬灌与非冬灌区农田水热盐的运移规律及作物生长情况进行对比分析。[结果] 青铜峡灌区土壤温度变化滞后于气温变化,土壤浅表层温度受气温变化影响更显著。土壤从表面开始逐渐向下冻结,冻结深度随着气温的降低不断加深,消融期土壤冻结层从表层和底部同时进行消融,整个土壤冻融期共历时98 d。农田灌溉后含水率显著增高,冻结期灌溉降低各土层土壤温度0.1~1.1 ℃。冬灌农田不同深度土层土壤温度变化趋势和含水率变化特征与非冬灌区农田基本一致。冬灌后各土层盐分含量均下降,其中0—30 cm土层土壤盐分显著下降,但冻融期后冬灌农田土壤出现返盐现象。冬灌农田相较于非冬灌农田,小麦植株较高,玉米生长发育速度较快,小麦增产20.64%,玉米增产4.20%。[结论] 青铜峡灌区冬灌明显改变了土壤水热盐的分布规律,可以有效降低土壤盐分,促进作物生长和增产,特别是明显提高小麦产量。     

土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系

土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土体温度场变化引起内部液态水相变,打破了原有的能量平衡,试验结束后12~14 cm土样高处含水率最高达到55%,靠近冻融交界面处(10 cm)的未冻区含水率减小至25.8%,水分整体向冷端发生迁移;土体冻胀的快慢及冻胀量大小与水分迁移速率及数量具有线性关系;试验后土体内总含水率的分布与分凝冰透镜体的分布一致,已冻区液态含水率的分布与温度梯度近似成线性关系,未冻区液态含水率的分布与水分的迁移量有关,与温度梯度无关。此外,温度场对水分场的变化具有诱导作用但二者并不同步,当冻结速率减小到一定程度时水分才开始迁移,第10小时后温度场趋于稳定而水分迁移并未停止。研究成果揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系,为冻胀机制的研究以及冻胀模型的建立提供了试验基础。     

季节性积雪消融对浅层土壤热状况的影响

为确定季节性积雪的消融变化及其对浅层土壤热状况的影响,该研究以野外实测试验数据为基础,分析了积雪消融期的雪层厚度变化以及浅层土壤温度状况。研究结果表明：积雪消融速率与气温变化密切相关,但积雪厚度的不同并未明显引起日积雪消融量的差异;积雪覆盖下土壤温度变幅明显小于无雪区,土壤温度对气温变化的响应及解冻时间随积雪厚度的增加而延后;积雪的存在阻碍了地气之间的能量交换,使得气温对土壤温度的直接影响深度在减小,体现为49 cm厚积雪区减少了10 cm,而80 cm厚积雪区更是减少了25 cm,从而表明季节性积雪对土壤温度的影响随雪层的加厚而增强;当积雪融化完毕之后,土壤温度状况逐渐恢复到无雪时的水平,并且土壤深度越浅,其恢复速度越快。这为地气之间能量交换的进一步研究提供了参考,对土壤学、农业灌溉、农业生产等相关问题的研究有着一定的参考价值。     

青海湖流域高寒草甸季节冻土土壤温湿变化特征

根据2018—2020年青海湖流域高寒草甸野外定点监测的温度、降水、土壤水热数据，分析了高寒草甸生态系统土壤冻融特征以及不同冻融阶段土壤温度、水分的日变化和季节动态过程。结果表明：(1)基于土壤温度变化特征分析，可将冻融循环过程划分为始冻期、完全冻结期、解冻期和完全融化期。各阶段持续的天数长短依次为：完全融化期>完全冻结期>解冻期>始冻期。从表层到深层土壤，完全融化天数持续增大，完全冻结天数趋于减小，0～180 cm土层完全融化期持续天数超过半年以上。(2)冻土表现出单向冻结、双向融化的规律，土壤融化速率(5.45 cm/d)快于土壤冻结速率(2 cm/d)。整个冻融过程，不同深度土壤水分的变化比温度的变化更复杂。(3)随着冻融循环过程，土壤温湿度呈现出周期性的季节变动特征。土壤温湿度日变化具有一致性，表层日较差大，随着深度的增加，日较差变小并趋于稳定。土壤剖面的结构特征对土壤水分异质性分布具有较强的解释性。     

青藏高原多年冻土区土壤冻融期间水热运移特征分析

以唐古拉监测点气象及活动层土壤水热资料为基础,对青藏高原高海拔多年冻土区冻融期活动层土壤的水热特征进行了分析。研究结果表明:不同土层的土壤温度变化规律基本一致,土壤温度的变化滞后于气温的变化,而且滞后时间随着土层深度的增大而增大,表层土壤温度变化波动较大,随着深度的增加,土温温度变化趋于平缓;气温的降低引起了土壤温度的降低,从而引起水分的迁移;在冻结期,水分向上下两个冻结锋面迁移,而活动层中部则被疏干,在融化期,活动层底部水分含量高,水分向相变界面附近迁移。拟合了冻结期未冻水含量与土壤温度的关系,相关系数R2平均值为0.89,结果基本能反映实际情况。该研究结果为高海拔多年冻土区冻融土壤水热耦合模拟的研究提供了基础理论依据。     

克拜地区土体冻融作用与侵蚀沟发育特征浅析

<正> 克拜(指克山、拜泉)丘陵漫岗区位于松嫩平原北部,年平均气温1℃,冻结期180天左右,为冻结时间较长的季节性冻土区。从土壤的特性和自然环境来看,其土体完全具备产生冻胀的条件:地面表土主要为黑土(母质层多为深厚的黄土性粘土),土壤颗粒细碎,具有冻胀敏感性;土体中有初始水分供给,供给水主要为秋季降水;缓慢而持续降低的大气温度及漫长的负温持续期,为土体产生冻胀提供了适宜的冻结条件。在一年一度的冻融过程中,土体始终处于较为疏松的状态,因而水土流失严重。冻融对侵蚀沟的发育具有重要作用。据统计,该区有较大冲沟3万余条,沟壑密度0.21～0.37km/km~2,已侵吞农田13万多亩,严重危害着当地生产的发展。     

土壤呼吸日动态特征及其与大气温度、湿度的响应

为阐明西藏高原区土壤呼吸作用日变化特征对大气温度、湿度特征因子的响应,以西藏林芝八一镇农田为研究对象,研究土壤呼吸速率与地表大气温度、湿度及土壤水分蒸发之间的响应关系。结果表明:土壤呼吸作用具有单峰型日变化特征,呼吸速率在0.5～1.3μmol/(m2.s)范围内,最大值出现在15:00-16:00之间,最小值出现在10:00-12:00。气温是影响土壤呼吸速率变化的关键气象因子,与土壤水分蒸发速率和大气湿度呈极显著正相关。但土壤呼吸速率的日变化与气温、大气湿度、蒸发速率之间并不完全同步,1d内,在19:00-7:00之间气温变化幅度较小,呼吸速率与气温、大气湿度和蒸发速率之间呈极显著正相关关系(P<0.001)。在7:00-19:00之间气温变化幅度大,表现为土壤呼吸作用滞后于气温、大气湿度和蒸发变化,约滞后3h。由此可知,短暂的大气温度、湿度条件变化并不能引起土壤呼吸作用的快速显著变化。     

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。     

玛河流域山区冰雪覆被变化与驱动因素的关联性分析

对1977—2013年Landsat影像运用监督分类进行解译获取冰雪覆被信息,并运用回归分析法对其驱动因素进行分析。结果表明:（1）冰雪覆被消融面积为2 372.92 km²,年均消融速率为2.1%。冰雪覆被斑块由大面积破碎,转向小面积斑块消失。（2）驱动因素中气温、人口、GDP在0.01水平上显著相关。冰雪覆被变化趋势滞后于气温变化趋势13～15 a,滞后于GDP变化趋势5 a,与人口变化呈非线性相关。驱动因素中坡度、坡向的影响为冰雪覆被分布趋于缓坡且多分布在西坡,雪线高度也逐年上升。（3）驱动因素与冰雪消融关联强度的顺序为:气温>人口> GDP,气温为主要影响因素。     

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。     

积雪与地表联合覆盖条件下冻融土壤水盐运移规律

为探索石河子灌区冻融季节积雪与地表联合覆盖条件下土壤水盐运移的变化规律,2015—2016年通过田间小区试验,进行了秸秆、地膜、活性炭3种地表覆盖和裸地对照在整个季节性冻融期土壤水盐时空动态变化规律研究。结果表明;地表覆盖比裸地具有更好的保墒、降盐效果。冻结土壤完全融通后,秸秆、活性炭覆盖出现含水量增幅的最大土层范围分别是0—30,0—40cm,反映出这2种覆盖经历冻融过程后更有利于土壤水分的保持和融雪水的高效利用;活性炭、秸秆、地膜覆盖和裸地在0—30cm土层含盐量相比初始值的增幅分别为18.08%,20.30%,30.91%,32.81%,可见活性炭覆盖下抑制盐分向上运移效果最为显著,秸秆覆盖次之;经历冻融过程,土壤水分和盐分变异性随土壤深度的增加而呈现递减趋势。     

土壤冻结、消融期水盐动态的初步研究

季节性冻土对土壤盐碱化的影响,主要是发生在半湿润、半干旱和干旱区的温带至亚寒带地区,它包括了我国三北(西北、华北及东北)多数平原区。在三北平原地区,一般季节性冻土平均最大冻结深度为0.5-4.0米,冻土存在历时长达4-8个月之久。     

春季解冻过程对2种温带森林土壤微生物量碳氮和可溶性有机碳氮的影响

为了研究春季土壤冻融过程对碳氮周转的影响,以长白山地区2种森林土壤为研究对象,利用原位培养连续取样法,测定和分析了土壤微生物量碳(MC)、氮(MN)和可溶性有机碳(DOC)、氮(DON)在春季解冻期间的含量动态变化。结果表明:土壤解冻过程中,2种林型土壤微生物量碳、氮的时间变化动态不同,且土壤微生物量碳、氮表现出明显的垂直空间异质性,0—10cm土层土壤微生物量氮显著高于10—20cm土层。除个别时期外,0—10cm土层土壤微生物量碳亦显著高于10—20cm土层土壤。解冻过程中,2种林型0—10cm土层土壤DOC含量时间变化动态基本一致,而红松阔叶林10—20cm土层土壤最大DOC释放量早于次生白桦林。2种林型DOC释放过程集中于解冻中后期。解冻期2种林型土壤DON时间变化动态表现一致,最大土壤DON释放量出现在解冻中后期。解冻期2种林型土壤DON存在明显的垂直空间分布特征,0—10cm土层土壤DON含量显著高于10—20cm土层。     

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。     

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。     

Water, Salt and Heat Influences on Carbon and Nitrogen Dynamics in Seasonally Frozen Soils in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia, China

To investigate carbon (C) and nitrogen (N) dynamics in seasonally frozen soils under saline and shallow groundwater supply conditions, in-situ lysimeter experiments with different groundwater table depths (WTD=1.8 and 2.2 m) were conducted in Inner Mongolia, China during the wintertime of 2012-2013. Changes in soil organic C and total N in multiple layers during various periods, as well as their relationships with soil water, salt, and heat dynamics were analyzed. Accumulation of soil organic C and total N during freezing periods was strongly related to water and salt accumulation under temperature and water potential gradients. Water and salt showed direct influences on soil C and N dynamics by transporting them to upper layer and changing soil microbial activity. Salt accumulation in the upper layer during freezing and thawing of soil affected microbial activity by lowering osmotic potential, resulting in lower C/N ratio. Nitrogen in soil tended to be more mobile with water during freezing and thawing than organic C, and the groundwater table also served as a water source for consecutive upward transport of dissolved N and C. The changes in C and N in the upper 10 cm soil layer served as a good sign for identification of water and salt influences on soil microbial activity during freezing/thawing.     

寒旱灌区冻融期冬小麦不同覆盖条件土壤温度变化

为揭示冻融期冬小麦不同覆盖条件土壤温度变化规律,基于河套灌区冬小麦地膜覆盖、秸秆覆盖和无覆盖3个试验区的实测土壤温度数据,分析了不同覆盖条件对土壤温度的影响及不同土层的土壤温度变化过程。结果表明:地膜覆盖对冻融期的土壤温度具有较好的增温效果,秸秆覆盖效果稍差;地膜覆盖和秸秆覆盖对土壤表土层增温效果较好,随着深度的增加,增温效果逐渐降低;地膜覆盖和秸秆覆盖在冻结期对土壤的增温效果最好,融解期的增温效果稍差,冻结稳定期增温效果很小;土壤温度变化过程在冻结期和融解期呈现不同特点,冻结期土壤温度随着土壤深度的增加而升高,融解期随着土壤深度的增加而降低,同时土壤融解速度远大于冻结速度。该研究结果可为寒旱灌区冻融期土壤水热运移提供参考,对冬小麦种植管理具有现实意义。     

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。