森林火灾及管理对冻土释放温室气体影响研究

近年来,大兴安岭森林火灾时有发生,再加上不合理的火烧木管理方式,不仅导致森林生态环境严重破坏,同时,加速了该区冻土环境的恶化,进而使得温室气体大量释放,加剧了全球气候变化进程。     

Cultivation Influences on Soil Organic Carbon Associated with Texture in Seasonally Frozen Zones

[Objective] This study aimed to examine indicative roles of texture representing soil organic carbon presence and variability subsequent to cultivation under cold temperate climates with seasonal freeze-thaw events.[Method] Three chronosequences were selected for paired comparisons.Soil samples were collected at six depths with a 10 cm increment.Analysis of variance with general linear model and regression was performed for statistical analysis.[Result] In seasonally frozen soils where fragmentation of macroaggregates was stimulated,soil organic carbon level was positively associated with clay ＋ silt proportion due to a wider textural range,better than sole clay content.Exponential function better fitted the experimental data to present progressively increased effectiveness of clay ＋ silt content in maintaining carbon.Clay content explained 12％-41％ and 14％-43％ of variation via linear and exponential functions,respectively.Accordingly,clay ＋ silt content explained 47％-65％ and 46％-70％.[Conclusion] Texture reflected soil organic carbon occurrence as consequences of reclamation.For seasonally frozen soils with wider textural ranges,it is robust to adapt clay ＋ silt content as dependent variable and exponential function.The generated algorithms provided an available pathway to estimate soil organic carbon losses following cultivation and to evaluate soil fertility.     

保温型刚性护面渠道设计

在刚性面层下设置一道性能良好的保温层来防止基土冻结,可以从根本上解决冻胀破坏的问题。这种带保温层的刚性护面渠道称为保温型刚性护面渠道,根据热工原理,提出了保温型刚性护面渠道横断面设计在构造方面的要求,进一步推导出计算保温层厚度的有关公式,并给出算例,还指出了需要进一步研究和探讨的问题。     

试论大兴安岭地区湿地与冻土的依存关系

研究了大兴安岭地区湿地与冻土的依存关系,结果表明:湿地与冻土彼此均以对方的存在和状态为重要前提;两者既是独立系统,又是整体复合系统的分支系统。两者依存的机理是:湿地植被层和下覆泥炭层具有独特的热力学性质,即隔热和保储水分,不但使下覆冻土的冷储不易耗散,而且还可以增加冷储量,对冻土起保护增生作用;冻土阻止湿地水的向下散失,有利于湿地化过程的连续性;低温抑制好氧细菌分解过程,亦有利于泥炭积累形成,两者对环境变化表现出基本一致性。     

双针热脉冲测定冻土热特性的数值模拟方法

使用双针热脉冲(dual probe heat pulse, DPHP)测定冻土热特性时施加热脉冲后会导致加热探针周围的冰融化,使用目前常用的仅考虑热传导（忽略融化相变、冰水两相分界面）的解析解处理DPHP温度数据,会导致在-5 ℃至0 ℃温度范围内无法准确测量热导率 (λ) 和比热 (C_v)。为了能够准确测定冻土的 λ 和 C_v,有必要考虑DPHP加热过程中引起的冰融化的相变潜热。该研究基于COMSOL仿真软件模拟了考虑相变潜热、相变区间以及移动冰水界面的DPHP测量过程,采用随温度非线性变化的真实冻土热特性进行模拟,并与真实冻土的DPHP测量数据对比。结果表明：1）COMSOL仿真在不考虑相变条件下与无限线性热源模型结果完全吻合（R² = 0.9989）;2）当土壤初始温度低于-5 ℃时,考虑相变发生的COMSOL仿真能够准确模拟试验结果,表现出较高的相关性（R² > 0.93）,在-2 ～ 0 ℃的土壤初始温度范围内,无限线性热源模型的结果与试验测量显著偏离（R² < 0.0013）;3）在不同土壤初始温度下,相变温度为-1.5 ～ -0.5 ℃的仿真结果与试验数据具有较高的相关性（R² > 0.7）。本研究结果检验了有限元仿真用于真实冻土DPHP研究的可行性,可为准确预测冻土热特性的研究提供方法。     

冻胀反力系数在渠道衬砌冻胀弹性地基梁模型中的应用

为了探究渠道基土在冻胀过程中的非线性变形特性对渠道衬砌冻胀的影响,基于冻土三轴试验结果,建立考虑围压和温度的邓肯-张本构模型,参考室内三轴试验测定基床系数方法,应用数值模拟法建立冻胀反力系数随被约束冻胀量变化的计算式,并基于有限差分法离散弹性地基梁平衡微分方程。模型考虑衬砌不同点因被约束冻胀量不同引起冻胀反力系数不同的取值问题,克服以往模型中冻胀反力系数取常量的不足。应用解析解验证模型的合理性,探究冻胀反力系数分别为变量与常量时在梯形渠道衬砌冻胀力学响应计算结果上的差异。结果表明,对于边坡和渠底衬砌板,常量冻胀反力系数计算出的最大冻胀反力是变量的1.43倍,计算出的弯矩最大值平均是变量的1.12倍。因此在采用弹性地基梁理论分析渠道衬砌冻胀问题时,若冻胀反力系数采用常量,不考虑冻土的非线性变形,会使得计算结果偏大。研究结果可为大型梯形渠道衬砌抗冻胀设计提供参考。     

大同市季节性冻土的分布与变化特征

利用大同市1961-2008年8个站点地面气象观测记录中的冻土资料,对大同市地面冻结日期、解冻日期、冻结日数及最大冻土深度的时空分布进行分析。结果表明:40多年来土壤开始冻结期呈推迟的趋势,土壤完全解冻期呈提前的趋势,地面冻结日数相应呈减少趋势,累年最大冻土深度自西北向东南逐渐减小,全市历年平均最大冻土深度变化总体上呈减少趋势,但2000年以后较20世纪60-80年代有增加的趋势。     

石羊河流域冬季冻土深度变化趋势及原因

利用1961~2007年石羊河流域上游、中游、下游当地气象站的冬季最大冻土深度、气温、地温、日照时数、降水量、相对湿度、蒸发、积雪资料,分析了近47 a石羊河流域冬季最大冻土深度的空间分布以及时间变化特征,进而采用相关系数法进一步探讨了冬季最大冻土深度变化的原因。结果表明:在空间分布上,石羊河流域冬季最大冻土深度分布与本地地理位置、土壤类型和海拔高度密切相关。石羊河流域冬季最大冻土深度梯度呈南—北走向,最大值出现在南部古浪,最小值出现在北部民勤。时间变化上,近47 a,石羊河流域以及流域上、中游冬季最大冻土深度呈下降趋势,而下游民勤冬季最大冻土深度则呈上升趋势,石羊河流域冬季最大冻土深度在不同时段内存在明显的6~7 a和9~10 a的周期反映,除下游民勤外在20世纪90年代都发生了突变。相关系数法分析表明,影响石羊河流域冬季最大冻土深度的气象因子是主要是热力因子,热力因子中关联最强的是极端最低地温和气温;水分因子中蒸发和冬季最大冻土深度的关联最明显。