冻融期气温与土壤冻融过程的关系研究

苗春燕，陈军锋，郑秀清

(1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省第一水文地质工程地质队，太原 030024)

土壤与大气时刻进行着物质和能量的交换，随着外界气象因素的变化，土壤的季节性冻融过程表现出冻胀性和沉融性，使土壤的密度、孔隙度、含水量、粘结性、强度[1-2]以及入渗特性[3-6]等物理性质发生一定的变化，从而影响工程建设[7-8]和其它相关的生产活动。气候变化导致的土壤季节性冻融过程直接影响土壤的结构变化及理化和生物学性质改变[9-10]，进而影响冬春季节作物的播种、生长发育、土壤养分[11]、盐分分布。土壤冻融特性主要受到地形、盐分含量、含水率、水体、雪盖和植被等因素的影响[12]。此外，冻融期灌水[13]、地表覆盖[14]会改变土壤的自然冻融过程和特征。已有研究表明，气温与土壤温度变化趋势基本一致[15-18]，但目前有关研究尚未揭示冻融期气温变化对土壤冻结与融化特征的影响。

本文以山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站2009-2017年8个冻融期地面气象和土壤冻融过程监测资料为基础，分析研究了冻融期土壤冻融过程基本特征、气温变化对土壤冻结与融化速率的影响，揭示了土壤冻融特征与气温之间的关系，研究成果对于季节性冻土地区的农业生产、作物预防冻害和工程建设均具有一定的理论和实际意义。

1 试验条件及方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省晋中盆地，太原市南部60 km处的山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站，地理位置112°30′-112°33′E，37°26′-37°27′N，海拔高度777.0 m.试验区属暖温带大陆性半干旱季风气候，春季风大雨少，夏季雨量高度集中，秋季阴雨连绵，冬季寒冷少雪。多年平均(1954-2005年)气温9.9 ℃；年降水量415.2 mm，主要集中在6-9月份；水面蒸发能力1 642.4 mm(小型蒸发器)；历史最大冻土深度92 cm(1960年)，多年平均相对湿度74%，多年平均风速0.9 m/s，全年平均无霜期200 d.实验站地下水位埋深25.0 m，气象站土壤为砂壤土，试验期间地表裸露。土壤各级粒径质量分数为：<0.05 mm为30.54%，0.05～0.1 mm为8.73%，0.1～0.25 mm为53.90%，0.25～0.5 mm为5.90%，>0.5 mm为0.93%；土壤干容重为1.55 g/cm3.

1.2 方法

本试验在试验区的裸地进行，从2009年11月至2017年3月共进行8个冻融期(11月至翌年3月)的连续监测。气温监测通过实验站气象站自动采集数据，记录日内最高、日内最低和日平均气温。冻土深度采用实验站冻土器(型号LM61-DT-1，由外管和内管组成，外管内径30 mm，外径40 mm)直接测定，每日8∶00和18∶00各监测一次。在土壤冻结前采用称重烘干法进行一次土壤含水率测定，由于干旱少雨，入冬前气象站0～20 cm平均土壤含水率为18%～19%.

2 气温变化特征

气温变化特征分析可统计气温变化规律，根据气温变化曲线可直观地看出气温的最高值和最低值及确定气温变化的剧烈程度。2009-2017年11月1日至翌年3月31日的日平均气温变化曲线见图1.

由图1可见，2009-2010年与2015-2016年冻融期日气温均出现急速变化，日平均气温一日最大下降8.6 ℃(2009年11月8日至9日)和13.2 ℃(2015年11月23日至24日)，5日内气温持续快速下降了18.8 ℃.研究区土壤一般在11月冻结翌年3月消融解冻[13-14,17-19]，根据土壤冻融特征确定了每个冻融期的起始时间，依据气温变化值统计了冻融期极端气温(气温极端值)结果，近8年冻融期日平均最低气温为-8.3 ℃～-17.3 ℃，日平均最高气温为14.7 ℃～24.8 ℃，日平均气温持续稳定在0 ℃以下期间的平均气温为-3.2 ℃～-7.9 ℃，详见表1.

3 气温对土壤冻结与融化特征的影响

3.1 土壤冻融过程

据实验站冻土器实测冻土深度绘制的土壤冻融过程见图2.依土壤冻融特征, 土壤的整个冻融过程一般划分为3个主要阶段，即不稳定冻结阶段、冻层稳定发展阶段和消融解冻阶段[13-14,17-19]。不稳定冻结阶段日平均气温在0 ℃以上波动，夜间气温在0 ℃以下，土壤呈昼融夜冻状态，冻结深度在0～10 cm波动。当日平均气温稳定降低至0 ℃以下时，太阳辐射强度持续减弱，土壤冻层稳定向下发展并进入稳定冻结阶段。2009年11月9日气温急速下降至0 ℃以下，之后日平均气温持续稳定在0 ℃以下，土壤冻层深度稳定向下发展，无昼融夜冻特征，即该冻融期土壤冻融过程中没有出现不稳定冻结阶段的特征。8个连续冻融期土壤最大冻结深度为80 cm(2011年2月5日)，最小冻结深度仅34 cm(2017年1月24日)。

消融解冻阶段：翌年1月底2月初，随着太阳辐射增强气温波动回升，冻层开始从地表向下和由下向上双向融化，一般在3月初融通，但由于日平均气温在0 ℃附近波动，地表土壤再次出现昼融夜冻现象[19-20]，因此该阶段常常出现“双冻层”现象。可见，土壤的冻融过程表现为单向冻结和双向融化，融化速率高于冻结速率，不同冻融期最大平均消融速率和冻结速率分别为1.68 cm/d和1.16 cm/d.

图1 2009-2017年冻融期日平均气温变化曲线Fig.1 Daily average temperature during freeze-thaw periods in 2009-2017

冻融期(年-月-日)历时/d日平均最低气温日平均最高气温日内最高气温日平均气温0 ℃以下t/℃日期t/℃日期t/℃日期起止日期平均值/℃2009-11-09至2010-03-14125-13.62009-12-18 8.52010-03-1117.602-2311-09至01-27-5.72010-11-07至2011-03-29142-17.62011-01-239.52011-03-1322.603-1312-05至02-05-7.92011-11-21至2012-03-27126-12.92012-01-229.02012-03-2621.003-2712-08至02-11-6.22012-11-03至2013-03-11129-16.62013-01-0315.82013-03-0824.503-0811-28至01-29-6.02013-11-16至2014-03-09113-13.22014-02-094.72014-02-2514.702-2511-27至01-21-4.52014-11-03至2015-03-12129-9.22014-12-017.32015-03-1519.803-1111-30至02-09-4.42015-11-24至2016-03-15111-15.32016-01-2311.32016-03-0324.803-1701-05至02-03-6.02016-11-21至2017-03-06105-8.32017-01-197.52017-03-0414.802-1901-07至01-24-3.2

图2 2009-2017年冻融期土壤冻融过程曲线Fig.2 Soil freezing and thawing process during freeze-thaw periods in 2009-2017

3.2 气温与土壤最大冻结深度的关系

地表累积负温是影响土壤冻结深度的最主要因素[21]，而地表负积温与气温息息相关，因此气温的变化影响土壤最大冻结深度。当日平均气温持续稳定在0 ℃以下时，冻层在地表负积温持续增加的作用下稳定向下发展；当日平均气温逐渐回升至0 ℃以上时，冻层开始双向融化。因此，日平均气温持续稳定在0 ℃以下期间的平均气温(简称日平均负气温)高低决定了最大冻结深度，根据8个冻融期日平均负气温和最大冻结深度分析可知，二者具有如下密切的线性相关关系(见图3)：

Fm=10.91×Tn(R2=0.95) .

(1)

式中：Fm为最大冻结深度，cm；Tn为日平均负气温，℃.

图3 最大冻结深度与日平均负气温的关系Fig.3 Relationship between maximum freezing depth and daily average negative temperature

3.3 气温变化对土壤冻结与融化速率的影响

大气与地面间的热交换影响地面和地中土壤温度状况，从而决定土的季节性冻结和融化特征。随着气温的不断下降和地表负积温的增加[17]，土壤冻结深度逐渐增加，冻结期土壤平均冻结速率为0.61～1.16 cm/d，与日平均负气温具有密切的线性相关关系，如图4所示，土壤平均冻结速率随着日平均负气温的增加而增大，二者关系如下:

Vf=0.15×Tn(R2=0.96) .

(2)

式中：Vf为土壤平均冻结速率，cm/d；Tn为日平均负气温，℃.

图4 土壤平均冻结速率与日平均负气温关系Fig.4 Relationship between maximum freezing depth and daily average negative temperature

消融期日平均气温在0 ℃附近上下波动并逐渐回升，由于太阳辐射增强，土壤吸收太阳的辐射热量大于热量支出，地表土壤不再累积负温，表层土壤由上而下消融，深部冻层开始由下向上消融，消融期土壤平均消融速率为1.0～1.68 cm/d，消融速率较冻结期冻结速率高35%以上，最高达1.32倍(2014-2015年冻融期)，土壤平均消融速率受消融期日内最高气温影响明显(见图5)，二者关系如下：

Vt=0.06×Tm+0.15 (R2=0.94) .

(3)

式中：Vt为土壤平均消融速率，cm/d；Tm为消融期日内最高气温，℃.

图5 平均消融速率与消融期日内最高气温关系Fig.5 Relationship between average soil thawing rate and maximum temperature in thawing periods

4 结论

1) 土壤冻融过程一般划分为不稳定冻结阶段、冻层稳定发展阶段和消融解冻阶段，当气温急速下降至0 ℃以下且日平均气温持续为负值时，土壤无昼融夜冻特征，直接进入冻层稳定发展阶段。

2) 冻结期土壤最大冻结深度、土壤平均冻结速率均与日平均负气温具有密切的线性相关关系，稳定的日平均负气温使得地表土壤累积负温稳定增加和冻层稳定向下发展，日平均负气温的大小决定了土壤最大冻结深度和冻结期土壤平均冻结速率。

3) 消融期土壤双向融化，平均消融速率较冻结期冻结速率高35%～132%，土壤平均消融速率与日内最高气温具有较好的线性关系。

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