哈尔滨地区初冻期包气带土壤垂向水分变化特征试验与分析

吕雅洁，戴长雷，常龙艳，李治军

（黑龙江大学a.寒区地下水研究所；b.水利电力学院，哈尔滨 150080）

1 试验背景与目标

土壤水分对土体物理力学指标的影响非常大，在水文、气象和农业科学领域也是必不可少的基本资料[1]。土壤水分是植物生长发育所必须的因素，土壤水分含量、分布特性是决定植被恢复和重建的重要因素[2]。哈尔滨市地处欧亚大陆东部，我国东北北部，多年平均气温3.7℃，冬季寒冷干燥且漫长，年平均160d日平均气温低于0℃，每年封冻期自11月下旬开始，翌年4月中旬解冻。多年平均降水量551.91mm，降雨主要集中在夏秋季节，尤其在7月和8月，市区多年平均蒸发量862 mm[3]。诸多研究者与研究机构都普遍认同我国寒区主要指最冷月的平均气温值为－10～－30℃，年平均气温值＜5℃，且＞10℃的温暖季节＜150 d，固态降水在年降水量中比例≥30%，积雪覆盖日数＞30d的地区[4]。哈尔滨是我国典型的寒区城市。哈尔滨地区第四纪松散堆积物分布广泛，区内地层由老到新依次为前第四纪地层和第四纪地层。哈尔滨地区土壤受到季节性冻融的影响，在冬季形成一种含冰晶的特殊土水体系[5－6]。越冬期间土壤水分、盐分在垂直剖面上的迁移与土壤冻融的关系十分密切[7－8]。土的冻结，引起水分向正冻区运动、并以冰的形式充填土壤孔隙，因此初冻期土壤冻结情况对于土壤水分动态变化规律和空间立体分布都存在影响[9－11]。

本研究试验选择哈尔滨地区松花江右岸及松花江左岸两处典型试验场地，以烘干法测定初冻期不同埋深的土壤含水率。通过试验数据的对比与分析，讨论哈尔滨地区初冻期包气带土壤垂向水分变化特性，为寒区冬季冻结土壤的水分迁移研究提供科学依据。

2 试验方法与观测结果

2.1 试验场地条件

试验观测在两典型试验场地同时进行。黑龙江大学呼兰试验场位于哈尔滨市呼兰区，松花江左岸，主要用于农业甜菜研究及各类作物的栽培。黑龙江省水利科学研究院综合试验研究基地位于哈尔滨市道里区机场路16km处，为黑龙江省水利科学研究院野外冻土观测试验场，土壤保持较好，是哈尔滨地区松花江右岸的典型土壤试验用地。

在开展冻层土壤水热参数监测试验前，用筛析法对呼兰试验场以及水科院试验基地土壤逐层颗粒分析，并采用环刀法对典型埋深土壤进行密度测定，得到土壤基本物理性质。

2.1.1 土壤干密度

本试验利用环刀法测定典型埋深的土壤干密度，自表层起至100cm埋深土壤作为试验对象，每20cm取土样测定土壤干密度。试验结果见表1，土壤干密度随埋深变化图见图1。

表1 土壤干密度测定结果Table1 Results of soil dry density／g·（cm3）－1

图1 土壤干密度随埋深变化Fig.1 Soil dry density of different depths

对比两试验场地的土壤参数数据，水科院试验基地作为土壤研究的典型试验基地，表层土壤受外来影响较大，土壤干密度明显大于下层土壤。呼兰试验场主要用于作物栽培，表层土壤较下层土壤松散，干密度略小于下层土壤。

2.1.2 土壤颗粒分析

本试验用筛析法分别对两试验场地的土壤进行颗粒分析，自地表至100cm埋深土体作为研究对象，每20cm分层取土，得到各层土壤颗粒分布情况。

呼兰试验场和水科院试验基地两处的试验土壤颗粒分析结果见表2、表3。

由土壤颗粒分析结果，水科院试验基地土壤属粗粒类土（粗粒组＞50%），随着埋深增加砂粒的比例逐渐增大，达到80cm后土壤颜色逐渐由黑变黄。呼兰试验场土壤属于细粒类土（细粒组≥50%），随着埋深增加细粒组的含量呈减少趋势，结果见表4。

表2 呼兰试验场不同埋深土壤粒径分析结果Table2 Results of soil particles analysis in Hulan experimental field

表3 水科院试验基地不同埋深土壤粒径分析结果Table3 Results of soil particles analysis in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

表4 土壤垂向变化情况Table4 Vertical change of soil particles analysis／%

2.2 初冻期土壤含水率测定

土体的含水率是土的基本物理性质指标，反映土的状态，同时土的含水率又会对土体冻结后水分迁移造成影响[12－13]，因此，在试验场地土体初冻期对土壤含水率进行测定。野外监测试验自2012年10月19日和10月23日起，分别在水科院试验基地和呼兰试验场进行，两试验场试验间隔均为7d。汇总哈尔滨地区初冻期持续监测的试验数据，对监测数据进行分析后选取有效数据。

2.2.1 呼兰试验场土壤含水率监测数据

烘干法测定呼兰试验场不同埋深土壤含水率，其结果见表5。

表5 呼兰试验场土壤含水率数据Table5 Soil water contents of Hulan experimental field

由呼兰试验场土壤含水率测定数据，逐日分析土壤垂向含水率变化，得到呼兰试验场初冻期土壤含水率垂向变化曲线见图2，呼兰试验场不同埋深土壤含水率随时间变化曲线见图3。

图2 呼兰试验场10月23日至12月25日土壤含水率垂向变化Fig.2 Vertical change of soil water content from 23October to 25December in Hulan experimental field

图3 呼兰试验场不同埋深土壤含水率随时间变化曲线Fig.3 Changes of soil water content with time in Hulan experimental field of Heilongjiang Uni.

由图3可见，埋深0～20cm土壤因受到外界降水、蒸发影响土壤含水率变化明显，埋深20～40cm土壤含水率较其它各层大。随着土体冻结深度的不断增加，冻土层内含水率有所增加。

2.2.2 水科院试验基地土壤含水率监测数据

水科院试验基地土壤含水率测定试验自2012根据试验数据绘制不同日期的土壤垂向含水率变化曲线（图4）及典型埋深土壤含水率随时间变化曲线（图5）。

表6 水科院试验基地土壤含水率数据Table6 Soil water contents in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

图4 水科院试验基地10月19日至12月28日土壤含水率垂向变化Fig.4 Vertical changes of soil water content from 19October to 28December in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

图5 水科院试验基地不同埋深土壤含水率随时间变化曲线Fig.5 Changes of soil water content with time in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

水科院试验基地初冻期土壤含水率受到降水、蒸发影响，表层0～20cm土壤水分变幅最大。冻层逐渐形成后，冻层土壤含水率略高于非冻土壤，但土体冻结后含水率仍不断变化。至11月中旬降雪覆盖于地表后，表层蒸发量减小且雪水部分入渗，下层土壤含水率持续增大。

3 结论与讨论

本研究选择中国典型寒区城市哈尔滨为研究区，通过在哈尔滨松花江左岸的黑龙江大学呼兰试验场和松花江右岸的黑龙江省水利科学研究院综合试验基地两个试验场地，以烘干法对初冻期不同埋深的土壤进行含水率测定试验，分析哈尔滨地区初冻期包气带土壤垂向水分变化特征。以期为哈尔滨地区乃至寒区冬季冻结土壤的水分迁移研究提供科学依据。

1）地表土壤含水率的大小与地表负积温、外界气温负积温存在显著的相关关系。埋深0～20 cm土壤对时间最为敏感，受地表气温变化，降水蒸发影响显著。埋深20～80cm土壤含水率变幅随深度增加而减小。初冻期土壤从地表开始冻结，已冻土内的土壤含水率均经历了逐渐减少——最低点——逐渐增加的过程，而不同深度土壤随着其中水分的冻结，其剖面含水率经历了突然增多——基本保持不变——陡然减少的变化过程，其间的差值即为土壤含冰量。试验至11月中旬地表积雪形成并逐渐增加，保持了地温，减缓了土壤冻结速度，增加了土壤水分向冷端的迁移量，地表含水率变化减小。

2）初冻期从土壤表层开始由上向下单向冻结，土壤温度达到冰点时，土壤冻层不断加厚，冻层内的储水量增加。冻融初期地表土壤温度明显低于地下土体，在温度梯度作用下，已冻土中的未冻水和未冻土段的孔隙水一起构成了水分迁移的源泉，土壤中的水分向冻层迁移，冻层土壤含水率增大较为明显，冻融期间季节性冻土的垂线含水率分布改变，在埋深20～50cm土层出现极大值。其规律表现为：表层土壤水分变化幅度均大于下层，变幅随深度增加而减小。

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