呂雅潔，戴長(zhǎng)雷，常龍艷，李治軍

（黑龍江大學(xué)a.寒區(qū)地下水研究所；b.水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080）

1 試驗(yàn)背景與目標(biāo)

土壤水分對(duì)土體物理力學(xué)指標(biāo)的影響非常大，在水文、氣象和農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域也是必不可少的基本資料[1]。土壤水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的因素，土壤水分含量、分布特性是決定植被恢復(fù)和重建的重要因素[2]。哈爾濱市地處歐亞大陸東部，我國(guó)東北北部，多年平均氣溫3.7℃，冬季寒冷干燥且漫長(zhǎng)，年平均160d日平均氣溫低于0℃，每年封凍期自11月下旬開(kāi)始，翌年4月中旬解凍。多年平均降水量551.91mm，降雨主要集中在夏秋季節(jié)，尤其在7月和8月，市區(qū)多年平均蒸發(fā)量862 mm[3]。諸多研究者與研究機(jī)構(gòu)都普遍認(rèn)同我國(guó)寒區(qū)主要指最冷月的平均氣溫值為－10～－30℃，年平均氣溫值＜5℃，且＞10℃的溫暖季節(jié)＜150 d，固態(tài)降水在年降水量中比例≥30%，積雪覆蓋日數(shù)＞30d的地區(qū)[4]。哈爾濱是我國(guó)典型的寒區(qū)城市。哈爾濱地區(qū)第四紀(jì)松散堆積物分布廣泛，區(qū)內(nèi)地層由老到新依次為前第四紀(jì)地層和第四紀(jì)地層。哈爾濱地區(qū)土壤受到季節(jié)性凍融的影響，在冬季形成一種含冰晶的特殊土水體系[5－6]。越冬期間土壤水分、鹽分在垂直剖面上的遷移與土壤凍融的關(guān)系十分密切[7－8]。土的凍結(jié)，引起水分向正凍區(qū)運(yùn)動(dòng)、并以冰的形式充填土壤孔隙，因此初凍期土壤凍結(jié)情況對(duì)于土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和空間立體分布都存在影響[9－11]。

本研究試驗(yàn)選擇哈爾濱地區(qū)松花江右岸及松花江左岸兩處典型試驗(yàn)場(chǎng)地，以烘干法測(cè)定初凍期不同埋深的土壤含水率。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比與分析，討論哈爾濱地區(qū)初凍期包氣帶土壤垂向水分變化特性，為寒區(qū)冬季凍結(jié)土壤的水分遷移研究提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)方法與觀測(cè)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地條件

試驗(yàn)觀測(cè)在兩典型試驗(yàn)場(chǎng)地同時(shí)進(jìn)行。黑龍江大學(xué)呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)位于哈爾濱市呼蘭區(qū)，松花江左岸，主要用于農(nóng)業(yè)甜菜研究及各類作物的栽培。黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)研究基地位于哈爾濱市道里區(qū)機(jī)場(chǎng)路16km處，為黑龍江省水利科學(xué)研究院野外凍土觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)，土壤保持較好，是哈爾濱地區(qū)松花江右岸的典型土壤試驗(yàn)用地。

在開(kāi)展凍層土壤水熱參數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)前，用篩析法對(duì)呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)以及水科院試驗(yàn)基地土壤逐層顆粒分析，并采用環(huán)刀法對(duì)典型埋深土壤進(jìn)行密度測(cè)定，得到土壤基本物理性質(zhì)。

2.1.1 土壤干密度

本試驗(yàn)利用環(huán)刀法測(cè)定典型埋深的土壤干密度，自表層起至100cm埋深土壤作為試驗(yàn)對(duì)象，每20cm取土樣測(cè)定土壤干密度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，土壤干密度隨埋深變化圖見(jiàn)圖1。

表1 土壤干密度測(cè)定結(jié)果Table1 Results of soil dry density／g·（cm3）－1

圖1 土壤干密度隨埋深變化Fig.1 Soil dry density of different depths

對(duì)比兩試驗(yàn)場(chǎng)地的土壤參數(shù)數(shù)據(jù)，水科院試驗(yàn)基地作為土壤研究的典型試驗(yàn)基地，表層土壤受外來(lái)影響較大，土壤干密度明顯大于下層土壤。呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)主要用于作物栽培，表層土壤較下層土壤松散，干密度略小于下層土壤。

2.1.2 土壤顆粒分析

本試驗(yàn)用篩析法分別對(duì)兩試驗(yàn)場(chǎng)地的土壤進(jìn)行顆粒分析，自地表至100cm埋深土體作為研究對(duì)象，每20cm分層取土，得到各層土壤顆粒分布情況。

呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)和水科院試驗(yàn)基地兩處的試驗(yàn)土壤顆粒分析結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

由土壤顆粒分析結(jié)果，水科院試驗(yàn)基地土壤屬粗粒類土（粗粒組＞50%），隨著埋深增加砂粒的比例逐漸增大，達(dá)到80cm后土壤顏色逐漸由黑變黃。呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)土壤屬于細(xì)粒類土（細(xì)粒組≥50%），隨著埋深增加細(xì)粒組的含量呈減少趨勢(shì)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)不同埋深土壤粒徑分析結(jié)果Table2 Results of soil particles analysis in Hulan experimental field

表3 水科院試驗(yàn)基地不同埋深土壤粒徑分析結(jié)果Table3 Results of soil particles analysis in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

表4 土壤垂向變化情況Table4 Vertical change of soil particles analysis／%

2.2 初凍期土壤含水率測(cè)定

土體的含水率是土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，反映土的狀態(tài)，同時(shí)土的含水率又會(huì)對(duì)土體凍結(jié)后水分遷移造成影響[12－13]，因此，在試驗(yàn)場(chǎng)地土體初凍期對(duì)土壤含水率進(jìn)行測(cè)定。野外監(jiān)測(cè)試驗(yàn)自2012年10月19日和10月23日起，分別在水科院試驗(yàn)基地和呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，兩試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)間隔均為7d。匯總哈爾濱地區(qū)初凍期持續(xù)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后選取有效數(shù)據(jù)。

2.2.1 呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)土壤含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

烘干法測(cè)定呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)不同埋深土壤含水率，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)土壤含水率數(shù)據(jù)Table5 Soil water contents of Hulan experimental field

由呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)土壤含水率測(cè)定數(shù)據(jù)，逐日分析土壤垂向含水率變化，得到呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)初凍期土壤含水率垂向變化曲線見(jiàn)圖2，呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)不同埋深土壤含水率隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖3。

圖2 呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)10月23日至12月25日土壤含水率垂向變化Fig.2 Vertical change of soil water content from 23October to 25December in Hulan experimental field

圖3 呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)不同埋深土壤含水率隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Changes of soil water content with time in Hulan experimental field of Heilongjiang Uni.

由圖3可見(jiàn)，埋深0～20cm土壤因受到外界降水、蒸發(fā)影響土壤含水率變化明顯，埋深20～40cm土壤含水率較其它各層大。隨著土體凍結(jié)深度的不斷增加，凍土層內(nèi)含水率有所增加。

2.2.2 水科院試驗(yàn)基地土壤含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

水科院試驗(yàn)基地土壤含水率測(cè)定試驗(yàn)自2012根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制不同日期的土壤垂向含水率變化曲線（圖4）及典型埋深土壤含水率隨時(shí)間變化曲線（圖5）。

表6 水科院試驗(yàn)基地土壤含水率數(shù)據(jù)Table6 Soil water contents in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

圖4 水科院試驗(yàn)基地10月19日至12月28日土壤含水率垂向變化Fig.4 Vertical changes of soil water content from 19October to 28December in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

圖5 水科院試驗(yàn)基地不同埋深土壤含水率隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Changes of soil water content with time in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

水科院試驗(yàn)基地初凍期土壤含水率受到降水、蒸發(fā)影響，表層0～20cm土壤水分變幅最大。凍層逐漸形成后，凍層土壤含水率略高于非凍土壤，但土體凍結(jié)后含水率仍不斷變化。至11月中旬降雪覆蓋于地表后，表層蒸發(fā)量減小且雪水部分入滲，下層土壤含水率持續(xù)增大。

3 結(jié)論與討論

本研究選擇中國(guó)典型寒區(qū)城市哈爾濱為研究區(qū)，通過(guò)在哈爾濱松花江左岸的黑龍江大學(xué)呼蘭試驗(yàn)場(chǎng)和松花江右岸的黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地，以烘干法對(duì)初凍期不同埋深的土壤進(jìn)行含水率測(cè)定試驗(yàn)，分析哈爾濱地區(qū)初凍期包氣帶土壤垂向水分變化特征。以期為哈爾濱地區(qū)乃至寒區(qū)冬季凍結(jié)土壤的水分遷移研究提供科學(xué)依據(jù)。

1）地表土壤含水率的大小與地表負(fù)積溫、外界氣溫負(fù)積溫存在顯著的相關(guān)關(guān)系。埋深0～20 cm土壤對(duì)時(shí)間最為敏感，受地表氣溫變化，降水蒸發(fā)影響顯著。埋深20～80cm土壤含水率變幅隨深度增加而減小。初凍期土壤從地表開(kāi)始凍結(jié)，已凍土內(nèi)的土壤含水率均經(jīng)歷了逐漸減少——最低點(diǎn)——逐漸增加的過(guò)程，而不同深度土壤隨著其中水分的凍結(jié)，其剖面含水率經(jīng)歷了突然增多——基本保持不變——陡然減少的變化過(guò)程，其間的差值即為土壤含冰量。試驗(yàn)至11月中旬地表積雪形成并逐漸增加，保持了地溫，減緩了土壤凍結(jié)速度，增加了土壤水分向冷端的遷移量，地表含水率變化減小。

2）初凍期從土壤表層開(kāi)始由上向下單向凍結(jié)，土壤溫度達(dá)到冰點(diǎn)時(shí)，土壤凍層不斷加厚，凍層內(nèi)的儲(chǔ)水量增加。凍融初期地表土壤溫度明顯低于地下土體，在溫度梯度作用下，已凍土中的未凍水和未凍土段的孔隙水一起構(gòu)成了水分遷移的源泉，土壤中的水分向凍層遷移，凍層土壤含水率增大較為明顯，凍融期間季節(jié)性凍土的垂線含水率分布改變，在埋深20～50cm土層出現(xiàn)極大值。其規(guī)律表現(xiàn)為：表層土壤水分變化幅度均大于下層，變幅隨深度增加而減小。

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