黑土農田凍結-融化期土壤剖面溫度變化特征

王一菲， 鄭粉莉,2， 周秀杰， 覃 超，富 涵， 左小鋒， 劉 剛， 張加瓊

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所， 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；2.中國科學院 水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3.黑龍江省氣象數據中心， 黑龍江 哈爾濱 150000)

東北黑土區屬于季節性凍融區，冬季凍脹作用和春季凍融日夜循環加劇了坡面侵蝕和溝蝕的發生和發展。已有研究表明，反復的凍融循環會改變土壤結構、影響土壤團聚體水穩性和抗剪強度等[1-3]，從而造成土壤抗侵蝕性降低，增加了水蝕和風蝕物質來源[4]。特別在東北黑土區土壤解凍期，表層土壤解凍，而深層土壤解凍不完全，從而形成一個臨時不透水層，一方面其阻滯土壤水分下滲，易形成壤中流，增加融雪侵蝕強度；另一方面，當土壤水分沿這個凍與不凍接觸面流動時，由于兩層間的摩擦阻力減小，也可能加劇融雪侵蝕的發生[5]。因此，凍融作用增加了東北黑土區土壤侵蝕強度。而土壤溫度是土壤熱量傳遞與凍融變化的重要指標[6]，也是表征凍融作用強弱的關鍵指標；掌握農地土壤溫度變化特征可為量化凍融作用程度和凍融作用對土壤侵蝕影響提供基礎數據。

目前，對于東北黑土區土壤溫度的變化研究主要集中在不同耕作方式、不同覆蓋條件對黑土土壤溫度的影響[7-10]，而對于凍融期土壤溫度變化特征的研究較少。張科利等[11]的研究結果表明，土壤解凍速率與土壤腐殖質層厚度有關，腐殖質厚的土壤剖面解凍速率要比腐殖質層薄的土壤剖面的解凍速率??；李帥等[12]利用黑龍江省逐日氣溫與表層地溫(0—20 cm深度)數據建立了地溫預報方程，通過預測表層土壤溫度的變化來指導當地播種期以及農業結構的調整；趙顯波等[13]將黑土耕層土壤凍結融化過程分為5個階段，并分析了凍融過程后耕層土壤水分的變化情況。Zhao等[14]對2009年東北克山地區凍融期土壤溫度變化進行觀測，發現克山地區土壤的凍結時間在129～155 d，土壤最大凍結深度為191～229 cm。呂紅玉等[15]對佳木斯1981—2010年地溫進行研究發現，0—80 cm深度土壤存在凍融變化，且80 cm土壤平均凍結期在118 d左右。此外，氣溫對土壤最大凍結深度和土壤凍融循環次數有重要影響，隨著年平均氣溫的不斷升高，季節凍土的冬季最大凍結深度不斷減小[16]。Frauenfeld等[17]指出歐亞高緯度地區在1930—2000年來季節性凍土的最大凍結深度減少31.9 cm，平均每10 a減少4.5 cm。高思如等[18]對1990—2014年西藏季節凍土進行研究，發現西藏地區平均氣溫升高1 ℃，最大凍結深度減小約16.1 cm。土壤凍融次數也與氣溫呈負相關，Peng等[19]的研究表明在1967—2013年期間，青?！鞑氐貐^年平均氣溫顯著升高的同時，土壤凍融循環次數也在顯著下降。近年來由于平均氣溫的上升，東北地區土壤有凍結深度減小、凍結期變短、融化期變長的趨勢，而隨著解凍期(3月)氣溫的上升以及降雪量的增加，土壤融雪侵蝕有加劇的可能[20-21]。然而，目前關于東北黑土區農地土壤剖面凍融循環特征以及土壤溫度對氣溫變化響應的研究較少，尤其是針對不同地區土壤凍結與融化過程中耕層土壤凍融循環次數的研究還鮮見報導。

為此，本文擬利用2015—2018年11月至翌年4月東北薄層黑土區農地土壤剖面溫度原位觀測數據，并結合當地氣象資料，分析該區土壤溫度變化特征以及土壤溫度變化對氣溫變化的響應，查清研究區土壤凍結與融化過程中耕層土壤凍融循環次數，以期為研究凍融作用對土壤侵蝕的影響提供基礎數據，也為合理安排當地春季作物播種期等農事活動提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗觀測地點位于黑龍江省賓州河流域，其地理坐標為127°24′04″E，45°45′13″N。賓州河流域位于松嫩平原東部，流域面積為375 km2，農地面積占總面積的60%左右[22]，屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫3.9 ℃，年降水量約為548.5 mm，氣溫年較差較大，農地冬季封凍，春季解凍，凍融作用強烈。賓州河流域是典型的薄層黑土區(黑土層厚度小于40 cm)，土壤類型以黑土為主，黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和砂粒(>0.05 mm)的含量分別為和29.4%，61.3%和9.3%；土壤有機質含量約為20.2 g/kg(重鉻酸鉀氧化—外加熱法)，pH值為6.1(水浸提法，水土比2.5∶1)[23]。

1.2 觀測方法

在賓州河流域典型農地布設土壤溫度監測系統L93-1溫度記錄儀(上海發泰精密儀器儀表有限公司)，該系統設有8個溫度傳感器，每隔1 h自動記錄一次土壤溫度，測量精度為0.01 ℃。在土壤剖面各層埋置土壤溫度傳感器時，先開挖土壤剖面，然后根據土壤剖面各土層的土壤密度從下層至上層回填土壤，在回填土壤過程中將溫度傳感器按土壤剖面分層埋置。共開挖2個200 cm的土壤剖面，并分別將溫度傳感器埋置于5，20，40，60，80，120，160和190 cm的土層深度，即每個土層深度的溫度觀測有2個重復。

研究時段內的逐小時氣溫數據由中國氣象局—黑龍江省氣象數據中心提供。研究區農地凍融過程多發生在11月至翌年的3月下旬，因此為完整記錄土壤凍融過程中的溫度變化，本研究采集2015—2018年賓州河流域典型農地2 m土壤剖面11月至翌年4月的土壤溫度數據，并結合氣溫數據分析東北黑土區農地土壤凍融過程中土壤剖面溫度變化特征及其對氣溫變化的響應。

1.3 數據處理

本文使用 SPSS 23.0 軟件對試驗數據進行相關性分析，使用Excel 2010軟件進行繪圖。土壤日均溫和年均溫均為相應時段監測數據的算術平均值。

2 結果與分析

2.1 凍融過程中土壤溫度對氣溫變化的響應

土壤溫度變化是土壤隨著太陽輻射和大氣溫度的變化而吸收或釋放能量的過程[24]。在11月至翌年4月的整個凍融過程中，土壤溫度變化與氣溫的變化趨勢一致(圖1)，其總體呈先下降后上升的變化趨勢，且隨著土層深度的增加，土壤溫度波動變化受氣溫的影響逐漸減少。

圖1 2015-2018年凍融期大氣溫度與土壤溫度變化關系

在每年11月份，氣溫迅速下降，各土層溫度隨之下降。當土壤進入凍結期后，土壤溫度變化較為平緩，不同監測深度的土壤溫度均高于氣溫。在當年3月份，隨著氣溫的快速上升，土壤溫度開始快速升高且變化幅度較大。研究區11月至翌年4月氣溫的變化范圍為-30.40～18.33 ℃，其溫差達到48.73 ℃。與氣溫相比，土壤溫度的變化幅度較小。土壤溫度最高值和最低值均出現在0—5 cm土層中，其值分別為15.22 ℃和-10.13 ℃，其溫差達到25.35 ℃；5—20 cm土層的土壤溫度變化于-6.00～10.74 ℃之間，溫差達到16.74 ℃。隨著土層深度的增加，土壤溫度變化幅度逐漸減小，當土層深度達到40 cm以上時，土壤溫度的變化范圍為-2.00～14.40 ℃，40 cm以下各層土壤溫差均介于8.28～9.72 ℃的范圍內。

與氣溫變化相比，土壤溫度變化出現滯后現象，且滯后時間隨土壤深度的增加而增大。例如在2018年1月11日，日均氣溫陡然升高，并在1月14日達到升溫以來的峰值(圖1c)，而40 cm以內的土壤在1月13日至1月14日開始升溫，并在1月18日至1月20日達到升溫以來的峰值。40 cm以下土層土壤溫度受氣溫變化影響較小，并未出現明顯的峰值。

利用5日滑動平均法來計算氣溫與土壤溫度穩定超過0 ℃的時間，發現與氣溫穩定超過0℃的日期相比，0—5 cm土層土壤溫度穩定超過0 ℃的日期滯后0～1 d，而5—40 cm土層土壤溫度滯后于氣溫3～11 d。

將2015—2018年11月至翌年4月土壤凍融過程中各土層土壤溫度與氣溫進行相關分析(表1)，發現除了60—80 cm土層外，其余各土層土壤溫度均與氣溫呈顯著相關，其中0—60 cm土壤溫度與氣溫呈極顯著正相關(p<0.01)，且隨土層深度增加，土壤溫度與氣溫的相關性減弱；而80 cm土層以下，土壤溫度與氣溫呈顯著或極顯著的負相關。這表明土壤溫度變化受到氣溫變化的影響，且隨著土層深度的增加，土壤溫度變化受氣溫變化的影響逐漸減小。

已有研究指出0—5 cm土壤溫度變化與氣溫變化具有很好的一致性，其相關系數達到了0.8以上(p=0.01)[24-25]。杜軍等[26]通過對近45年拉薩氣溫與同期0—40 cm土壤溫度的相關分析發現，二者相關系數均在0.573以上(p=0.01)，這與本文的研究結果相符。3月份氣溫開始回升之后，120—190 cm土壤溫度還在持續降低，這是深層土壤與氣溫相關系數呈負數的主要原因。

表1 2015-2018年凍融期不同深度土壤溫度和氣溫的相關系數

注：**表示極顯著相關(p<0.01)，*表示顯著相關(p<0.05)，-表示負相關。

2.2 凍融過程中農地土壤剖面溫度變化特征

地表土壤熱量主要源于太陽輻射，土壤吸收熱量后，在土壤內部產生熱傳導，導致土壤溫度在不同土層深度間存在差異[27]。這里基于整個凍結融化期的土壤溫度實測資料，對2015—2018年凍融過程中月均土壤溫度進行分析，研究農地不同深度土壤溫度變化特征。圖2表明，11月至翌年的2月，土壤溫度隨土層深度的增加而增加；3—4月份，表層土壤升溫較快，土壤溫度梯度發生反向改變；當土壤完全消融后，土壤溫度隨著土層深度的增加而遞減，且各土層土壤溫差呈現先降低后增加的趨勢。以2017—2018年為例，在土壤凍結期的11月到翌年的2月，0—5 cm土層土壤溫度月均值最低為-7.73 ℃，不同土層深度最大土壤溫度差值可達14.95 ℃；3月份0—80 cm土層土壤升溫明顯，而80—190 cm土層土壤溫度變化較小，不同土層深度土壤溫度差異減小至4.12 ℃；4月份，不同深度土壤溫度差異逐漸增大，溫差達到7.14 ℃。

2.3 凍融過程中農地土壤凍融循環特征

2.3.1 土壤凍結與消融過程 采用土壤溫度日均值開始持續<0 ℃作為凍結開始時間，持續>0 ℃作為消融開始時間[28-29]，分析研究區2015—2018年不同土層深度土壤凍結融化發生日期與持續時間。結果表明(圖3)，土壤凍結和融化過程分別為單向凍結和雙向融化。在凍結過程中，觀測期間農田土壤凍結方式為單向凍結。在土壤凍結初期，氣溫在0 ℃上下波動，0—5 cm土壤開始晝融夜凍，至11月中旬，0—5 cm土層形成了白天不能解凍的凍層；此后隨著氣溫的逐漸降低，凍層穩定向下發展，凍結開始日期逐漸滯后；至次年2月上旬，凍結深度達到最大，其值為80 cm。研究區0—80 cm土層內存在凍融交替，而80 cm以下土層的土壤溫度始終高于0 ℃，沒有凍融現象發生。從土壤開始凍結至土壤達到最大凍結深度歷時81～82 d；其中0—5 cm土層土壤凍結時長為130～137 d，隨土層深度的增加，土壤凍結天數呈減少趨勢，對于60—80 cm土層，土壤凍結時長僅為34～38 d。

圖2 2015-2018年凍融期土壤溫度隨土層深度的變化特征

在土壤消融階段，由于受地表氣溫回升和深層不凍結土層熱流的雙重影響[30]，土壤融化過程從地表向下和凍結層下部向上同時進行，土壤消融過程受到氣溫和降雪等因素的影響。在2016年，60—80 cm土層最先在3月11日消融，之后，由于氣溫的回升， 0—20 cm土層開始出現晝融夜凍現象。至3月24日，5—20 cm土層完全解凍，而0—5 cm土壤仍然處于晝融夜凍過程中，白天解凍，在夜晚重又形成凍層，此時形成“雙凍層”[31]，即0—5 cm的表凍土層與20—60 cm的原凍層，雙凍層之間的解凍土層厚度在15 cm以下。

2017年解凍期土壤解凍模式與2016年相似。在2018年，60—80和40—60 cm土層在3月14日至3月19日依次融化。隨著氣溫的升高，3月22日，0—5 cm土壤出現晝融夜凍現象，隨后5—40 cm土層消融，在3月31日，0—5 cm土層才完全消融。所有土層在3月下旬完全消融，融化時長為17～19 d，遠小于土壤凍結所需時間。

圖3 2015-2018年凍融期土壤凍結深度變化特征

2.3.2 土壤凍融循環次數 一般認為如果某一深度的土壤溫度存在經過0 ℃的日變化時, 則該層土壤存在凍融現象。因此，這里將土壤日最高溫度(Tmax)大于0 ℃且土壤日最低溫度(Tmin)小于0 ℃作為土壤存在凍融循環現象的依據[32-33]。研究結果表明，不同深度的土壤經歷的凍融循環次數有較大差別。在11月至翌年4月土壤凍結與融化過程中，隨著土層深度的增加，土壤經歷的總的凍融循環次數減少，凍融循環現象主要出現在耕層0—20 cm土層。此外凍融循環的開始日期也隨著土層深度的增加而推遲。在2015—2016年，0—5 cm土層深度的土壤在2015年11月15日至11月16日經歷2次凍融循環后完全凍結，并一直持續到2016年3月15日；到3月16日0—5 cm土壤開始晝融夜凍，在3月25日土壤完全解凍之前經歷了10次晝融夜凍循環。5—20 cm土壤在2015年11月18日經歷1次凍融循環后完全凍結，直至2016年3月18日5—20 cm土壤開始晝融夜凍，在3月23日土壤完全解凍之前經歷了6次晝融夜凍循環。總體上，0—5 cm土壤在整個凍結融化過程中共經歷了12次凍融循環，即晚秋早冬的2次凍融循環和春季10次凍融循環；而5—20 cm土壤共經歷7次凍融循環，即晚秋早冬的1次凍融循環和春季6次凍融循環。在2016—2017年，0—5 cm土壤共經歷了10次凍融循環，即晚秋早冬的2次凍融循環和春季8次凍融循環，5—20 cm土壤共經歷了5融循環，即晚秋早冬的2凍融循環和春季3次凍融循環。在2017—2018年，0—5 cm土壤共經歷了12次凍融循環，即晚秋早冬的3次凍融循環和春季9次凍融循環，而5—20 cm土壤共經歷了2次凍融循環，即晚秋早冬的1次凍融循環和春季1次凍融循環。綜合多年觀測，0—5 cm和5—20 cm土壤經歷的最大凍融循環次數分別為12次和7次。與0—5 cm土壤相比，5—20 cm土壤開始經歷凍融循環的日期要推遲1～9 d。

2.4 凍結期與消融期農地耕層土壤溫度的日變化特征

以2016年1月22日(圖4a)和2016年3月25日(圖4b)的日土壤溫度數據為代表，分析凍結期與消融期農地耕層土壤溫度日變化特征?？梢钥闯?，在凍結期(圖4a)，盡管氣溫有明顯的峰值變化，但土壤溫度日變化曲線接近直線，0—5 cm土壤溫度日振幅僅為0.4 ℃。而進入消融期后(圖4b)，氣溫日變化大于凍結期，表層土壤溫度日振幅也明顯增大。0—20 cm土層土壤溫度呈“正弦曲線”形式變化，0—5 cm土層土壤溫度的日振幅最大，土壤最高和最低溫度出現的時間最早。隨著土層深度的增加，土壤溫度的日振幅逐漸減小，土壤溫度最高和最低出現的時間逐漸滯后。氣溫在13:00—14:00之間達到最大值，0—5 cm土層土壤溫度最高值出現在14:00左右，增溫率為1.43 ℃/h，最低值出現在8:00左右，降溫率為0.48 ℃/h，升溫迅速而降溫緩慢。與0—5 cm土層相比，5—20 cm土層的土壤溫度變化幅度明顯減少；在土壤溫度日變化過程中，5—20 cm土層土壤溫度最高值出現在19:00左右，最低值出現在10:00左右，升溫率和降溫率分別為0.28和0.17 ℃/h ，也是升溫迅速而降溫緩慢，但其變化速率低于0—5 cm土層。

圖4 2016年1月22日凍結期(a)和2016年3月25日消融期(b)土壤溫度日變化特征

3 討 論

積雪具有高反照率，大熱容量和高絕熱率的特性[34]，能夠阻礙氣象因子對土壤導熱率和熱通量的影響，改變土壤濕度，進而對土壤凍融過程產生影響[35]。為此，根據CLM(community land model)模式的雨-雪判據，將2.5 ℃作為降雨和降雪的臨界溫度[36]，根據黑龍江省氣象數據中心提供的逐日降水和氣溫得到了日降雪數據，發現2015—2016年、2017—2018年降雪總量分別為52.7和34.0 mm。在2015—2016年，降雪集中在12月份，降雪量達到25.6 mm，氣溫也在持續降低，而5 cm土壤溫度有所回升，與11月5 cm土壤月均溫相比，溫度回升1.21 ℃；在2017—2018年12—1月氣溫持續降低的情況下，1月份5 cm土壤月均溫度回升0.55 ℃(圖5)。在2018年3月，研究區降雪量為13.1 mm，占當年總降雪量的34%，導致當年0—5 cm土壤消融緩慢。這是由于在凍結期，土壤與大氣間的熱量傳遞主要是由土壤向大氣傳遞，而積雪覆蓋阻隔了土壤和大氣的熱量交換，加之深層土壤向淺層土壤輸送熱量，使得表層土壤溫度升高，減緩土壤凍結速度。而在消融期，氣溫逐漸升高，土壤與大氣間的熱量傳遞主要是由大氣向土壤傳遞，積雪覆蓋則導致表層土壤升溫緩慢，使得土壤開始消融日期滯后[37-38]。

除了積雪影響外，土壤濕度也對土壤溫度產生影響，且二者存在著一定的相關關系[39]。趙顯波等[40]的研究表明，在土壤凍結融化期，陽坡0—15 cm黑土耕層土壤濕度隨土壤溫度變化呈線性相關關系，且線性相關顯著。在凍融過程中，土壤水分在土壤溫度梯度的作用下發生運移[41]，而水的比熱容較大，土壤水分在產生相變的過程中會釋放或者吸收大量熱量，降低土壤溫度的波動幅度，延緩土壤凍結與融化進程[42-43]。因此土壤含水量的多少會極大地影響土壤凍融過程與土壤溫度變化狀況。氣溫、降雪、土壤特性(土壤類型，體積密度、孔隙率和熱和水力傳導率)等因素的差異會使土壤凍結融化過程與土壤凍融特征有所不同[33]，本文僅討論了東北典型薄層黑土區農地土壤溫度對氣溫的響應，有關氣溫、降雪深度、土壤水分等對土壤凍融過程綜合影響將在之后的研究進行討論。

圖5 2015-2016年(a)和2017-2018年(b)凍融期降雪量、氣溫與表層土壤溫度變化狀況

4 結 論

(1) 研究區11月至翌年的2月，土壤溫度隨土層深度的增加而增加，且表層土壤溫度變化幅度大于深層土壤；3—4月，表層土壤升溫較快，土壤溫度梯度發生反向改變；當土壤完全消融后，土壤溫度隨著土層深度的增加而減小。研究期內氣溫變化范圍為-30.40～18.33 ℃，溫差達48.73 ℃。與氣溫變化相比，土壤溫度的變化幅度較小，且隨著土壤深度的增加，土壤溫度變化幅度呈減小趨勢，其中0—20 cm土壤溫度變化幅度較大，其變幅分別為25.35和16.74 ℃；40—190 cm土壤溫度變化介于-2.00～14.40 ℃之間，各土層土壤溫差變化介于8.28～9.72 ℃之間。

(2) 除60—80 cm土層外，其余各土層土壤溫度均與氣溫呈顯著相關，其中0—60 cm土壤溫度與氣溫呈極顯著正相關，且隨土層深度增加，土壤溫度與氣溫的相關性減弱；而80 cm土層以下，土壤溫度與氣溫呈顯著或極顯著負相關。

(3) 研究區土壤凍結和融化過程分別呈單向凍結和雙向融化現象。凍結期，土壤在2月上旬達到最大凍結深度，其值為80 cm。從土壤開始凍結至土壤達到最大凍結深度歷時81～82 d，其中0—5 cm土層土壤凍結時長為130～137 d；隨土層深度的增加，土壤凍結天數呈減少趨勢，至60—80 cm土層時土壤凍結時長僅為34～38 d。土壤融化期，80 cm以內土壤在3月下旬完全消融，融化時長為17～19 d。在11月至翌年4月土壤凍結與融化過程中，凍融循環現象主要出現在耕層0—5和5—20 cm土層，期間二者經歷的最大凍融循環次數分別為12和7次。

(4) 凍結期內，土壤溫度日變化曲線接近直線；消融期內，0—20 cm土層土壤溫度呈正弦曲線變化；且隨著土層深度的增加，土壤溫度的日振幅逐漸減小，土壤最高和最低溫度出現的時間逐漸滯后。