天山北坡積雪消融對(duì)不同凍融階段土壤溫濕度的影響

張 音,海米旦·賀力力,古力米熱·哈那提,劉遷遷,蘇里坦

1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049 3 中共新疆維吾爾自治區(qū)委員會(huì)黨校,烏魯木齊 830000 4 新疆水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,烏魯木齊 830049

積雪是一種特殊的覆被,能調(diào)節(jié)地表水循環(huán),影響當(dāng)?shù)氐乃倪^(guò)程,同時(shí)也是重要的淡水資源,是干旱與半干旱區(qū)重要的土壤水分補(bǔ)給源[1]。凍土是0℃以下,并含有冰的各種巖石和土壤。其中存在于年均溫高于0℃環(huán)境中,冬季凍結(jié)、春季融化的土壤或疏松巖石層稱為季節(jié)性凍土[2- 3]。隨著凍土區(qū)溫度周期性地發(fā)生正負(fù)變化,凍土層中的水分相應(yīng)地發(fā)生相變與遷移,使得凍土層發(fā)生變形,產(chǎn)生凍脹、融陷和流變等一系列復(fù)雜的過(guò)程[4- 6]。積雪的存在可對(duì)凍土產(chǎn)生影響,積雪具有導(dǎo)熱性弱、反射率高、熱容量大等特性[7- 8],會(huì)影響地氣之間的相互作用,改變土壤與大氣之間的能量交換與溫度傳遞。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤水分變化的相關(guān)研究越來(lái)越多。以天山北坡軍塘河流域?yàn)檠芯繀^(qū),楊紹富等人[9]分析了土壤濕度在融雪期的變化情況以及與土壤溫度和氣溫之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)二者有很高的相關(guān)性。蔣睿奇、付強(qiáng)等人[10- 11]討論了不同積雪覆蓋條件下凍融土壤水分遷移規(guī)律和土壤溫度變化規(guī)律。Cheng等人[12]認(rèn)為不同植被覆蓋度對(duì)季節(jié)性凍土土壤溫度和水分的變化也有一定的影響。針對(duì)天山北坡融雪期季節(jié)性凍土的融化過(guò)程和特點(diǎn),王敬哲[13]等人進(jìn)行了詳細(xì)地分析。已有研究表明[14],土壤中冰的存在極大地改變了土壤的水文和熱性質(zhì)。Yukiyoshi等人[15]研究發(fā)現(xiàn),積雪沉積的時(shí)間和厚度的變化會(huì)導(dǎo)致土壤霜凍深度的急劇下降和土壤水分動(dòng)態(tài)的變化。上述研究主要針對(duì)積雪、融雪期季節(jié)性凍土的變化情況,而對(duì)于土壤不同凍融階段的研究較少,鑒于土壤不同凍融階段土壤溫度、土壤水分及水分遷移過(guò)程等存在差異,因此基于土壤不同凍融階段的相關(guān)研究很有必要。

土壤的凍融過(guò)程對(duì)土壤含水量有著重要影響,對(duì)有效利用凍土資源,指導(dǎo)農(nóng)田灌溉用水,研究土壤的蒸發(fā)、地下水補(bǔ)給和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)水文循環(huán)具有重要的意義[16]。因此本研究擬利用天山北坡伊犁阿熱都拜流域2017年11月—2018年3月觀測(cè)資料,劃分土壤不同凍融階段：土壤凍結(jié)、土壤完全凍結(jié)、凍土消融3個(gè)階段,結(jié)合積雪不同階段,旨在研究積雪消融對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)土壤溫濕度變化的影響。

1 研究區(qū)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁哈薩克自治州,位于中國(guó)西北邊陲,新疆西北部,伊犁河谷東端,鞏乃斯河河谷地帶,地處?kù)柲怂购由嫌巍Ｉ罹觾?nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,地勢(shì)東高西低,北東南三面環(huán)山,西部敞開(kāi),濕潤(rùn)氣流難以進(jìn)入,屬于半干旱的大陸性氣候[17],山地氣候特點(diǎn)明顯。研究區(qū)土壤冬季凍結(jié),夏季消融,屬于典型的季節(jié)性凍土區(qū)。

本研究選擇位于天山北麓的伊犁新源縣阿熱都拜小流域作為研究區(qū),研究積雪對(duì)土壤溫濕度變化的影響,時(shí)間選擇冬春季,此時(shí)地表植被覆蓋度小,降雪直接覆蓋到地面,并且將觀測(cè)站建在山區(qū)流域下游匯流區(qū)的出山口,遠(yuǎn)離人類居住區(qū),受人類干擾小,因此具有重要的研究?jī)r(jià)值。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理

2017年 8月31日在研究區(qū)觀測(cè)站建立土壤剖面觀測(cè)系統(tǒng),劃分5、10、20、40、60、90、120、150 cm共8個(gè)土壤層(圖1),測(cè)量土壤溫度和土壤含水率,數(shù)據(jù)采集時(shí)間始于2017年9月1日,時(shí)間間隔為1天。由于研究區(qū)降雪融雪主要集中在11月—3月,且土壤從11月開(kāi)始凍結(jié),2月底開(kāi)始消融,因此截取研究時(shí)段為2017年11月1日—2018年3月31日,歷經(jīng)冬季降雪期和春季融雪期。

土壤水分與土壤溫度密切相關(guān),土壤溫度決定土壤的凍融狀態(tài),參照唐文政等人[4]的劃分標(biāo)準(zhǔn),利用土壤含水率數(shù)據(jù)劃分土壤不同凍融階段為土壤凍結(jié)、土壤完全凍結(jié)、凍土消融3個(gè)階段。凍結(jié)階段,受地面氣溫的影響,土壤表層發(fā)生“晝?nèi)谝箖觥比昭h(huán)；完全凍結(jié)階段,土壤自表面向下凍結(jié)達(dá)到最大凍結(jié)深度；消融時(shí)期,受氣溫影響,凍結(jié)土層開(kāi)始解凍,含水率上升。

本研究所用數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、土壤溫濕度數(shù)據(jù)和積雪數(shù)據(jù)。其中氣象與積雪數(shù)據(jù)來(lái)自天山北坡阿熱都拜小流域匯流區(qū)出山口的觀測(cè)點(diǎn)1號(hào)氣象站(43°22′35″N,83°45′20″E),其海拔高度為1400 m,土壤溫濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量采用來(lái)自澳大利亞Stevens公司的Hydra Probe Ⅱ型土壤水熱傳感器,分別對(duì)8個(gè)不同土壤層的土壤溫度和土壤含水率進(jìn)行測(cè)量。將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分類,并繪制相關(guān)圖表,進(jìn)而分析天山北坡積雪消融對(duì)季節(jié)性凍土不同凍融階段土壤溫濕度變化的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤凍融階段的劃分

為了具體分析研究區(qū)土壤凍融期土壤溫濕度的變化規(guī)律,利用新疆伊犁阿熱都拜流域2017年11月—2018年3月(整個(gè)凍結(jié)融化期)野外實(shí)驗(yàn)站觀測(cè)的季節(jié)性凍土的土壤溫度和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)季節(jié)性凍土土壤溫濕度變化的特點(diǎn)進(jìn)行分析,作各層土壤含水率及土壤溫度變化曲線(圖2)。由圖2可知,在11月下旬,土壤溫度低于0℃,此時(shí)土壤含水率下降,土壤開(kāi)始凍結(jié)；2月下旬,土壤溫度逐漸升高,高于0℃,含水率上升,凍土層快速消融(圖2)。因此按照前面所述劃分標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合圖2,劃分了研究區(qū)土壤的不同凍融階段(表1)。

圖2 土壤凍融時(shí)期各層土壤含水率及土壤溫度變化曲線Fig.2 Curve of soil moisture content and soil temperature in freezing-thawing stage

研究表明,在整個(gè)研究時(shí)段中,土壤從11月下旬開(kāi)始凍結(jié),土層凍結(jié)深度最大到20 cm左右,40 cm及以下的土層受上層土壤的保護(hù)作用,不發(fā)生凍融過(guò)程,凍結(jié)開(kāi)始時(shí)間隨土壤深度的增加而滯后,且凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)也在減少。在整個(gè)土壤凍融過(guò)程中,凍結(jié)過(guò)程單向進(jìn)行,從表層開(kāi)始凍結(jié),向深層延伸,而消融過(guò)程是雙向進(jìn)行,從表層和底層同時(shí)進(jìn)行,這與邊晴云、胡銘等人[18- 19]的研究是一致的。

表1 研究區(qū)各層土壤凍融情況的劃分

2.2 土壤凍融期土壤溫濕度變化規(guī)律

在整個(gè)土壤的凍結(jié)融化過(guò)程中,表層土壤溫濕度隨時(shí)間的變化幅度較大,而深層土壤的變化幅度較小。凍土層消融從2月下旬開(kāi)始,到3月中旬以后完全消融。當(dāng)土壤完全凍結(jié)階段時(shí),20 cm土壤層的平均溫度小于0℃,說(shuō)明該地區(qū)土壤凍結(jié)深度超過(guò)20 cm。可見(jiàn)積雪對(duì)表層土壤影響較大,表層土壤的溫濕度隨著時(shí)間的推移,土壤溫濕度變化趨勢(shì)為“下降-平穩(wěn)-上升”,變化較大,而深層土壤變化小,波動(dòng)不明顯。

圖3 不同凍融階段土壤溫濕度變化情況Fig.3 Changes of soil temperature and moisture at different freezing-thawing stages

為進(jìn)一步分析土壤溫濕度在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律,對(duì)不同凍融階段的土壤溫濕度變化進(jìn)行了對(duì)比(圖3)。時(shí)間尺度上,土壤的3個(gè)不同凍融階段中,土壤完全凍結(jié)時(shí)的土壤含水率和溫度最低,土壤含水率最高發(fā)生在凍土消融階段,土壤溫度最高發(fā)生在土壤凍結(jié)階段；空間尺度上,3個(gè)階段土壤含水率隨著深度的增加變化趨勢(shì)相同,大致先增加后減少,且表層土壤含水率的變化大,而40 cm以下土層的含水率變化較為穩(wěn)定。土壤溫度在土壤凍結(jié)前后的變化趨勢(shì)相反,凍結(jié)期間呈遞增的趨勢(shì),溫度變化明顯,而消融期間土壤溫度隨深度的增加先減少后增加。

綜合圖2、圖3可知,在土壤凍結(jié)消融期間,阿熱都拜流域表層土壤的溫濕度變化明顯,且土壤的凍結(jié)深度最深到20 cm左右,20 cm深度以下由于受上層土壤的保護(hù)作用,并未發(fā)生凍融過(guò)程,因此后面著重分析積雪對(duì)表層土壤溫濕度變化的影響。

2.3 積雪對(duì)土壤溫度的影響分析

在整個(gè)土壤凍融期間,土壤溫度的變化取決于大氣溫度、雪面溫度和積雪深度的高低,且與其穩(wěn)定性有關(guān)(圖4)。由于積雪包括新鮮雪和舊雪,雪密度不同,因此為了方便對(duì)比分析,將松軟雪深轉(zhuǎn)化為雪水當(dāng)量。將土壤分不同凍融階段進(jìn)行分析。

12月中旬之前,土壤處于凍結(jié)階段,土壤凍結(jié)從表層開(kāi)始。此時(shí)積雪較少,大氣溫度和雪面溫度在同步持續(xù)降低,土壤溫度也隨之降低,其中表層土壤溫度(5、10、20 cm)受溫度影響較大,波動(dòng)明顯。

在12月中旬到2月下旬,土壤完全凍結(jié),積雪覆蓋增加,太陽(yáng)輻射能量本應(yīng)由土壤表面向下傳輸,但由于積雪的高反射率和低導(dǎo)熱性,被積雪阻礙,隔離了地氣之間的直接作用,因此在積雪覆被下,雖然氣溫回升,但土壤溫度并沒(méi)有立刻隨著氣溫的升高而升高,而是較之前沒(méi)有積雪覆蓋時(shí)更為穩(wěn)定。

3月份土壤中的凍土層處于消融階段,此時(shí)氣溫回升,雪面溫度和各層土壤溫度也迅速回升,積雪快速消融,到3月8日左右,積雪覆蓋幾乎為0,地表出露。整體上土壤溫度隨氣溫的變化而變化,但表層土壤氣溫變化波動(dòng)明顯,升溫最快,變幅最大,隨著土壤深度的增加,變幅減小,且越靠近地表,溫度越高,土壤溫度5 cm>10 cm>20 cm,與凍結(jié)期完全相反。此時(shí)土壤溫度主要受大氣溫度的影響。

圖4 各層土壤溫濕度與大氣溫度、雪面溫度和雪水當(dāng)量的關(guān)系Fig.4 Relationship between soil temperature and moisture in each layer and atmospheric temperature, snow surface temperature and snow water equivalent

綜合分析表明,大氣溫度、雪面溫度和積雪深度都影響著土壤溫度的變化,且主要影響表層。結(jié)合圖5可以看出,凍結(jié)只發(fā)生在土壤表層,且越靠近地表,土壤溫度就越低。隨著土壤層深度的增加,土壤溫度逐漸升高；40 cm以下土壤層的最低溫高于0℃,不發(fā)生土壤凍融過(guò)程。另外當(dāng)有積雪覆蓋時(shí),積雪隔絕了土壤與大氣之間的熱量交換,能夠保持土壤中的熱量不受損失,使得土壤層溫度變幅減小,因此當(dāng)有積雪覆蓋時(shí),積雪對(duì)地溫起到了保溫作用。

2.4 積雪對(duì)土壤濕度的影響分析

新疆深居內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,水資源相對(duì)短缺,而季節(jié)性融雪水是新疆很重要的水資源,是其農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要來(lái)源。積雪消融后,融雪水向土壤下滲,使得土壤層含水率增加。由圖4可知,11月—3月土壤整個(gè)凍融期間,5、10、20 cm土壤層含水率呈“下降-平穩(wěn)-上升”趨勢(shì),即土壤含水率隨時(shí)間變化規(guī)律是先逐漸下降,降至最低點(diǎn)后,維持平衡一段時(shí)間后,逐漸升高。40 cm土壤層含水率變化不太明顯,40 cm土壤層以下包括60、90、120、150 cm土壤層的含水率,隨時(shí)間的推移,基本無(wú)太大變化。可見(jiàn),積雪對(duì)土壤含水率的影響深度最多到達(dá)20 cm左右,當(dāng)土壤剖面深度超過(guò)40 cm后,有積雪覆蓋和無(wú)積雪覆蓋的土壤層含水率基本一致。將土壤分不同凍融階段進(jìn)行分析：

土壤處于凍結(jié)階段時(shí),大氣溫度持續(xù)降低,雪面溫度和土壤溫度也隨之降低,當(dāng)土壤深度達(dá)到凍結(jié)溫度時(shí),土壤層的液態(tài)水分發(fā)生凍結(jié),土壤含水率也開(kāi)始減少。表層土壤(5、10、20 cm)受外界影響較大,土壤含水率變化較快,深層土壤的土壤層含水率較為穩(wěn)定。

直到12月中旬之后,積雪深度增加,穩(wěn)定覆蓋,積雪的高反射性使得土壤溫度降低,土壤表層完全凍結(jié),凍土層的存在使得融雪水很難下滲,因此土壤層的含水率下降到最低含量后維持穩(wěn)定。

自2月26日開(kāi)始土壤含水率快速上升。此時(shí)氣溫回升,凍土層開(kāi)始消融,土壤層中的凍結(jié)水融化,加上雪面溫度同步上升,積雪快速消融,融雪水的下滲使得土壤含水率快速上升一直到達(dá)最高點(diǎn),土壤水分的遷移量增加。到3月10日左右,氣溫驟降到0℃以下,導(dǎo)致消融的土壤再次凍結(jié),土壤含水率出現(xiàn)短暫的下降。在這一階段,積雪不僅能夠通過(guò)自身的消融增加土壤濕度,還可以通過(guò)影響土壤溫度間接改變土壤濕度。

圖5 土壤凍融期各層土壤溫濕度變化情況Fig.5 Changes of soil temperature and moisture at different layers during freezing-thawing period

綜合圖4、圖5分析表明,在整個(gè)土壤凍融期間,各個(gè)箱形圖的箱體大小呈逐漸減小的趨勢(shì),在箱型圖中,箱體的大小反映了樣本的離散程度,可見(jiàn),隨著土壤層深度的增加,各層土壤含水率的離散程度逐漸減小,數(shù)據(jù)更集中于樣本均值,即表層土壤在凍結(jié)前后土壤含水率的變幅較大,深層土壤含水率變化較為穩(wěn)定。其中在土壤凍結(jié)階段,土壤溫度在0℃以下,土壤中的液態(tài)水分凍結(jié),凍土層的存在阻隔了融雪水的下滲,此時(shí)積雪的覆蓋對(duì)土壤含水率的影響小；在凍土消融階段,積雪消融,融雪水的下滲是土壤含水率增加的主要原因。

2.5 積雪與土壤溫濕度相關(guān)性分析

由前面分析可知,積雪消融主要影響土壤表層的溫濕度,因此只研究積雪與表層土壤溫濕度的相關(guān)性。已有研究表明[20- 21],積雪覆蓋對(duì)凍土的水熱狀況具有顯著的影響,因此劃分不同階段：選取2017年11月1日—2017年12月25日為非穩(wěn)定積雪覆蓋階段,2017年12月26日—2018年2月25日為穩(wěn)定積雪覆蓋階段,2018年2月26日—2018年3月8日為積雪消融階段,分析不同時(shí)期積雪深度(用雪水當(dāng)量代替)與土壤溫濕度的相關(guān)性。

表2 不同時(shí)期雪水當(dāng)量與土壤溫濕度的相關(guān)系數(shù)

**和*分別表示顯著性達(dá)到0.01和0.05水平

由表2可知,在非穩(wěn)定積雪覆蓋階段,雪深與表層土壤溫度為顯著負(fù)相關(guān),在穩(wěn)定積雪覆蓋階段,雪深與表層土壤溫度的相關(guān)性達(dá)到顯著性水平,且雪深對(duì)表層土壤溫度的影響程度要高于更深層次的土壤；積雪消融時(shí),雪深與土壤溫度的相關(guān)性與積雪覆蓋時(shí)情況一致。

雪深與土壤含水率同樣具有一定的相關(guān)性。在積雪覆蓋時(shí),雪深對(duì)土壤含水率的影響較小,這與前面所說(shuō)“積雪覆蓋時(shí),土壤溫度小于0℃,土壤層中的液態(tài)水分遷移少,凍土層的存在阻止了水分下滲”的結(jié)論一致；積雪消融時(shí),雪深與表層土壤含水率的相關(guān)性均達(dá)到了顯著性水平。此時(shí),氣溫回升,融雪水下滲,增加了土壤層的含水率。

對(duì)比分析雪水當(dāng)量與土壤溫濕度的相關(guān)系數(shù)可以得出,積雪對(duì)土壤溫濕度的影響程度分不同時(shí)期,對(duì)土壤溫度的影響主要是在積雪覆蓋時(shí)期,對(duì)土壤濕度的影響主要是在積雪消融時(shí)期。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)天山北坡伊犁阿熱都拜流域土壤凍融狀況及不同土壤凍融階段積雪消融對(duì)土壤溫濕度變化的分析,得到如下結(jié)論：

(1)阿熱都拜流域土壤從11月開(kāi)始凍結(jié),凍結(jié)開(kāi)始日期隨著土壤深度的增加而滯后,3月中旬過(guò)后,凍土層完全消融。土壤凍結(jié)深度到20 cm左右,20 cm以下的土層基本不發(fā)生凍結(jié)過(guò)程。且凍結(jié)過(guò)程單向進(jìn)行,消融過(guò)程雙向進(jìn)行。在整個(gè)土壤凍融期間,土壤溫濕度的變化取決于積雪深度和大氣溫度的高低,且與其穩(wěn)定性有關(guān)。并且主要影響表層土壤溫度,土壤層深度越深,土壤溫濕度變化越平緩。

(2)土壤凍結(jié)階段,土壤溫濕度持續(xù)下降,這一階段的表層土壤溫濕度受氣溫影響較大,且波動(dòng)明顯,而深層土壤的溫濕度變化平緩；當(dāng)土壤完全凍結(jié)時(shí),處于穩(wěn)定積雪覆蓋期,由于積雪的高反射性、低導(dǎo)熱性,影響著地氣之間的熱量傳遞,因此土壤的溫濕度變化較為平穩(wěn),積雪對(duì)土壤起到了一定的保溫作用；凍土消融時(shí),氣溫回升,積雪消融,地表出露,各層土壤溫度隨氣溫變化而變化,且越靠近地表,土壤溫度越高,變幅越大,與凍結(jié)期完全相反。由于融雪水的下滲,土壤濕度快速增加。

(3)根據(jù)積雪消融與土壤溫濕度的相關(guān)性可知積雪對(duì)土壤溫濕度的影響程度分不同時(shí)期,對(duì)土壤溫度的影響主要在穩(wěn)定積雪覆蓋時(shí),對(duì)土壤濕度的影響主要是在積雪消融時(shí)期。

本研究通過(guò)劃分土壤不同凍融階段,結(jié)合積雪不同階段,對(duì)阿熱都拜流域積雪消融對(duì)土壤溫濕度變化的影響進(jìn)行了分析,考慮到積雪本身性質(zhì)的復(fù)雜性和不同地區(qū)土壤凍融過(guò)程的差異性,因此需要更多年限的數(shù)據(jù)、多次土壤凍融過(guò)程來(lái)證明結(jié)論的可靠性。目前,關(guān)于積雪對(duì)不同凍融階段土壤溫濕度的影響機(jī)理和耦合關(guān)系方面的研究還較少,至于積雪-融雪以及土壤水熱的耦合關(guān)系有待進(jìn)一步研究。