黃葭悅， 趙傳燕， 魏 楊， 臧 飛， 常亞鵬，郝 虎， 安金玲， 張茂軍， 張恒平

（1. 蘭州大學(xué) 草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2. 甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 張掖 734000）

0 引言

凍土指0 ℃以下，具有各種巖石的土壤，作為冰凍圈主要組成部分之一，在調(diào)控和改變區(qū)域生態(tài)環(huán)境中都發(fā)揮著重要的作用［1-2］。凍土一般分為短時(shí)凍土、季節(jié)凍土以及多年凍土［3］，不同類型的凍土因其所處環(huán)境的不同，凍融過程也有所差異，其中季節(jié)凍土呈現(xiàn)出由地表向下的單向凍結(jié)、由地表向下與最大凍結(jié)深度開始向上的雙向融化特征［4］，多年凍土活動(dòng)層則呈現(xiàn)出地表向下和由活動(dòng)層底部向上的雙向凍結(jié)、由地表向下單向融化的特征［5］。土壤凍融循環(huán)作為寒區(qū)陸表重要特征之一［6］，可改變土壤水分的運(yùn)移規(guī)律導(dǎo)致特殊的水文過程［7］，如在融化期，積雪凍土開始融化，存在多個(gè)入滲和徑流界面層［8］，凍結(jié)的土層起著隔水層的作用，可阻止水分入滲，使積雪融化后迅速形成地表徑流［9］。融凍期徑流是寒區(qū)重要的標(biāo)志性水文過程，也是寒區(qū)不可回避的水文現(xiàn)象［10］，融凍期徑流是干旱半干旱地區(qū)寶貴的水資源，對(duì)春季播種具有重要意義［11］。

通過對(duì)凍土凍融各階段的研究可全面了解凍融變化特征，因各研究側(cè)重點(diǎn)和方法不同，凍融階段的劃分也有所不同，有研究者將凍融階段劃分為初凍期、穩(wěn)定凍結(jié)期、消融前期和消融后期四個(gè)階段［12］，也有研究者將凍融期劃分為三個(gè)階段［13-16］，如苗春燕等［17］將土壤凍融過程分為不穩(wěn)定凍結(jié)階段、凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段和融化期階段?；趦鋈陔A段的劃分，研究者主要對(duì)各階段水熱變化進(jìn)行了分析，部分研究集中于凍結(jié)過程中土壤水分的遷移和再分配［18］，Hou 等［19］通過室內(nèi)的單向凍融試驗(yàn)得出凍結(jié)溫度的降低可抑制土壤水分的運(yùn)移；Taylor等［20］和高玉佳等［21］認(rèn)為凍融過程中溫度梯度的存在促進(jìn)土壤未凍水在凍融期發(fā)生遷移。也有用模型對(duì)季節(jié)凍土水分運(yùn)移做了研究［22-24］，陽(yáng)勇等［23］利用CoupModel 模型發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)前期土壤水向上移動(dòng)，凍結(jié)中期土壤水運(yùn)動(dòng)微弱，融化期土壤水運(yùn)動(dòng)受上下層土壤水勢(shì)影響；徐敩祖等［24］提出利用冪函數(shù)可對(duì)未凍水體積含水量（USWC）和土壤負(fù)溫絕對(duì)值進(jìn)行擬合。此外，有研究涉及到凍土與徑流的關(guān)系，程根偉等［25］認(rèn)為區(qū)域徑流形成的關(guān)鍵取決于凍土的分布、發(fā)展和消融，郭陽(yáng)等［26］認(rèn)為凍融變化是影響黑河上游徑流的特殊因子，Haldorsen 等［27］也提出凍融作用對(duì)冬季地表徑流形成具有一定的補(bǔ)給作用。總體來看，已有的研究對(duì)凍結(jié)過程中土壤水熱變化和耦合進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討，然而年際氣候波動(dòng)變化，凍土的凍結(jié)深度和融化深度不同，將會(huì)導(dǎo)致有效土壤厚度產(chǎn)生的水分過程有所差異。因此，有必要分析野外凍融的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，為凍土厚度的變化觀測(cè)與土壤水熱耦合模擬提供數(shù)據(jù)支持。

祁連山是疏勒河、黑河、石羊河等內(nèi)陸河流域地表水資源的重要形成區(qū)［28］，凍土廣泛分布于祁連山地區(qū)，凍融過程顯著影響該地區(qū)的生態(tài)水文過程［29］，研究祁連山凍土水熱變化特征對(duì)青藏高原北部高寒生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、生態(tài)安全屏障作用發(fā)揮也具有一定的科學(xué)意義。亞高山草甸是祁連山的優(yōu)勢(shì)生態(tài)系統(tǒng)，在水源涵養(yǎng)方面具有重要生態(tài)地位。故本研究以祁連山中段的天澇池流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過分析研究區(qū)內(nèi)亞高山草甸2014—2019 年土壤水熱和大氣溫度數(shù)據(jù)，探討土壤水熱變化和凍融特征，為凍融作用對(duì)土壤徑流產(chǎn)生的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)進(jìn)一步探討祁連山區(qū)季節(jié)凍土對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山中部黑河上游天澇池流域（99°53′50″～99°57′10″ E，38°23′57″～38°26′55″ N），總面積12.8 km2，海拔2 600～4 450 m，河流縱長(zhǎng)6.9 km。其氣候?qū)俑吆敫珊?、半濕?rùn)山地森林草原氣候，全年均溫為0.7 ℃，年均降水量為433 mm，主要集中在6—9 月，約占全年總降雨量的84%，年潛在蒸發(fā)量較大，約為降水量的2.4 倍［30］。海拔差異性使流域內(nèi)植被垂直地帶性顯著，低海拔到高海拔依次為森林草原、灌叢、亞高山草甸和高山草甸。其中，亞高山草甸主要由鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）、葛縷子（Carum carvi）和垂穗披堿草（Elymus nutans）等組成，蓋度接近100%［31］，1 月、7 月的平均氣溫分別為-13.1 ℃和12.1 ℃，亞高山草甸封凍時(shí)間長(zhǎng)，春末解凍，凍融作用強(qiáng)烈。其土壤屬于亞高山草甸土，厚度約為50 cm，根系深度在20 cm左右，50 cm以下有大量礫石分布［32］。

1.2 觀測(cè)方法

在亞高山草甸固定樣地（海拔3 050 m）中布設(shè)有5TE 土壤傳感器（Decagon， USA）。首先挖開土壤剖面，將土壤傳感器探頭分別埋置在10、25、40、60、80、100、120、140、160、180 cm 深度處，其監(jiān)測(cè)探頭連接EM50 數(shù)據(jù)采集器，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間步長(zhǎng)為30 min。于每年3 月和9 月對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)記錄與采集從2014 年8 月開始至今，同時(shí)固定樣地架設(shè)自動(dòng)氣象站一臺(tái)（HOBO U30 Station， USA），通過氣象站采集大氣溫度數(shù)據(jù)，時(shí)間步長(zhǎng)為30 min。因研究區(qū)亞高山草甸凍結(jié)過程發(fā)生在11 月至次年4 月中下旬，故本研究?jī)H對(duì)2014—2019 年土壤凍融期水熱變化特征進(jìn)行分析。

1.3 凍融階段劃分及數(shù)據(jù)處理

依據(jù)苗春燕等［17］對(duì)土壤凍融階段的劃分，將亞高山草甸土壤凍融過程分為不穩(wěn)定凍結(jié)階段（11 月初至11月中旬）、凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段（11月中旬至次年4 月上旬）和融化階段（4 月上旬至5 月初）三個(gè)階段（圖1）。在不穩(wěn)定凍結(jié)階段，白天大氣溫度在0 ℃以上波動(dòng)，夜間大氣溫度在0 ℃以下，土壤發(fā)生晝?nèi)谝箖霈F(xiàn)象，凍結(jié)深度在0～10 cm（因本試驗(yàn)5TE 探頭從10 cm 深度處開始測(cè)量，故對(duì)這一階段不進(jìn)行數(shù)據(jù)分析）；凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段，日均溫穩(wěn)定在0 ℃以下，土壤凍層深度穩(wěn)定向下發(fā)展，無晝?nèi)谝箖霈F(xiàn)象；融化階段，凍層上下界面雙向融化，0～10 cm 深度再次出現(xiàn)晝?nèi)谝箖霈F(xiàn)象。

圖1 凍融期階段劃分示意圖Fig.1 Diagram of freezing and thawing periods stage division

計(jì)算凍融期內(nèi)每日0 點(diǎn)到24 點(diǎn)各深度土壤溫度和USWC 以及氣溫的平均值，并記錄為當(dāng)日各深度土壤日平均溫度、含水量和氣溫，以日為單位對(duì)凍融期各深度土壤水熱變化特征進(jìn)行分析。此外，Pearson 相關(guān)系數(shù)作為統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中的一種線性相關(guān)關(guān)系，常用來衡量定距變量間的線性關(guān)系［33］，在本研究中可用來探究氣溫與土壤溫度間的關(guān)系，其定義為：

式中：x、y分別代表氣溫和土壤溫度；xˉ、yˉ是x和y的平均值；σx、σy是x和y的標(biāo)準(zhǔn)差［34］。Pearson 相關(guān)系數(shù)r為正值表明兩者為正相關(guān)關(guān)系，r為負(fù)值表明兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且r的絕對(duì)值越大表明二者的相關(guān)程度越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融過程土壤溫度變化特征

根據(jù)五年凍融過程觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)10 cm深度土壤溫度降至0 ℃發(fā)生凍結(jié)時(shí)，土壤溫度持續(xù)保持在0 ℃以下，即未發(fā)生晝?nèi)谝箖霈F(xiàn)象（圖2左側(cè)子圖），故認(rèn)為土壤進(jìn)入凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段。2014—2019 年土壤進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)階段的開始時(shí)間分別為11 月8 日、11 月17 日、11 月18 日、11 月19 日和11 月18 日，隨后受外界大氣溫度的影響土壤凍結(jié)深度穩(wěn)定向下發(fā)展，并分別于2月5日、2月17日、2 月3 日、2 月6 日和2 月14 日凍結(jié)達(dá)最大深處（圖2左側(cè)子圖、表1）。在2014—2016年土壤凍結(jié)深度達(dá)140 cm，2016—2019 年僅達(dá)100 cm。2014—2019 年土壤從凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段開始到最大凍結(jié)深度分別經(jīng)歷了90天、93天、78天、80天和89天，凍結(jié)速率逐年減小，分別為1.56 cm·d-1、1.51 cm·d-1、1.28 cm·d-1、1.25 cm·d-1和1.12 cm·d-1，在最大凍結(jié)深處分別持續(xù)了43、41、55、48和36天。

表1 2014—2019年各凍融階段重要時(shí)間點(diǎn)及土壤深度統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of Important time points and soil depth during the freezing and thawing periods from 2014 to 2019

圖2 2014—2019年凍融期土壤溫度及USWC變化特征（左側(cè)子圖為土壤溫度，右側(cè)子圖為土壤USWC）Fig.2 Change of soil temperature and USWC during the freezing and thawing periods from 2014 to 2019（The left of the picture is soil temperature and USWC at right， the （a）， （b）， （c）， （d）， （e）represent 2014—2015， 2015—2016， 2016—2017， 2017—2018， 2018—2019）

2014—2019 年土壤分別于3 月30 日、3 月29日、3月29日、3月25日和3月21日開始進(jìn)入融化階段（表1），由圖2左側(cè)可以看出土壤凍結(jié)層分別呈現(xiàn)出雙向融化狀態(tài)，其中2014—2017年土壤凍結(jié)層上界面先開始向下融化，2017—2019 年土壤從凍結(jié)下界面開始向上融化，五年間上下凍結(jié)界面匯合（凍土完全融化）發(fā)生的時(shí)間和深度分別在4 月21 日100 cm、4 月12 日80 cm、4 月7 日40 cm、4 月5 日25 cm、4 月15 日25 cm 處。土壤從凍結(jié)最深處到完全融化分別經(jīng)歷了23、15、10、12 和27 天，融化速度顯著快于凍結(jié)速度。2014—2019 年凍結(jié)融化期分別經(jīng)歷了165、154、141、138和150天。

五次凍結(jié)融化過程中，10 cm 深度土壤溫度變化幅度最大，隨深度的增加土壤溫度變化幅度減小，土壤溫度變化更平穩(wěn)，在穩(wěn)定凍結(jié)階段土壤溫度隨深度的增加逐漸上升，土壤最低溫均出現(xiàn)在10 cm 深度處。此外，通過統(tǒng)計(jì)凍融期10 cm 深度土壤各日均負(fù)溫天數(shù)（圖3），發(fā)現(xiàn)-5～0 ℃的土壤日均溫天數(shù)在2014—2017 年間隨年份的增加在不斷增長(zhǎng)；-7～-5 ℃的土壤日均溫天數(shù)除2015—2019 年外也隨年份的增加在不斷的增長(zhǎng)，并于2018—2019年達(dá)到57 天，較2015—2016 年多了43 天；-9～-7 ℃的土壤日均溫天數(shù)除2016—2017 年外均隨年份的增加而縮短，2018—2019 年土壤日均溫在-9～-7 ℃的天數(shù)僅有14 天遠(yuǎn)小于2014—2015 年；2014—2017年的三個(gè)凍融期間，土壤溫度小于-9 ℃的天數(shù)分別為13、20和6 天，而2017—2019年的兩個(gè)凍融期，土壤日均溫均大于-9 ℃。整體來看，2014—2019 年10 cm深度土壤日均負(fù)溫天數(shù)在128～142天之間，隨著年份的增加，土壤-7～0 ℃的天數(shù)在不斷增長(zhǎng)，土壤日均溫小于-7 ℃的天數(shù)在不斷縮短。同時(shí)，由圖2 也可看出，在凍結(jié)期各土壤深度最低溫在逐年上升，小于-7 ℃的土壤日均溫天數(shù)持續(xù)時(shí)間和延伸深度也在逐年縮短。

圖3 凍融期10 cm深度土壤各日均負(fù)溫天數(shù)Fig.3 Number of days with daily average negative temperature of soil at 10 cm depth during freezing and thawing periods

2.2 凍融過程土壤未凍水體積含水量（USWC）變化特征

在整個(gè)凍融過程中，各層USWC 與土壤溫度的變化趨勢(shì)大體是一致的，整體呈現(xiàn)“U”形，即USWC先緩慢下降，接著發(fā)生斷崖式的降低（圖2 右側(cè)子圖）。在未凍結(jié)時(shí)期，0～80 cm 深度土壤含水量變化較大，變幅在10%～30%，60 cm深度的土壤含水量較高可達(dá)26%以上，80 cm 深度以下土壤含水量變化較小，變幅在10%～16%。

在凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段，淺層USWC 首先發(fā)生大幅度下降，由20%左右下降到10%以下，各層USWC逐層降低，深層變化較小，僅從15%左右下降到10%以下，可能與其本身USWC 含量低有關(guān)，并且各凍結(jié)深度USWC 下降到一定范圍內(nèi)（6%～10%）就不再發(fā)生太大的變化，各土層間的USWC 差異性也很小。當(dāng)凍結(jié)達(dá)最深處時(shí)（2 月上中旬時(shí)），中層土壤（40～60 cm）形成了一個(gè)含水量＞10%的水分高值區(qū)，高于淺層土壤（10～40 cm）和深層土壤（100～120 cm）。另外，2014—2017 年分別在10～20 cm、80～100 cm 深處形成了兩個(gè)土壤水分低值區(qū)，且這兩個(gè)水分低值區(qū)隨年份的增加在逐漸減小，到2017—2019 年這兩個(gè)土壤水分低值區(qū)全部消失［圖2（a）、2（b）、2（c）右側(cè)子圖］，即2017—2019年凍融期各深度USWC均大于6%。

在融化階段，受大氣溫度和深層土壤熱傳遞影響，各凍結(jié)深度USWC 均有所上升，10 cm 深度土壤USWC 上升最快，從10%快速上升到20%以上，含水量由表層逐步向下入滲，下層含水量隨時(shí)間推移逐層升高。2014—2018 年在淺層土壤形成一個(gè)水分高值區(qū)，2018—2019 年在土壤表層和最下層土壤同時(shí)形成了兩個(gè)水分高值區(qū)，隨時(shí)間推移，兩個(gè)水分高值區(qū)在80 cm 深度處匯合。此外，土壤剖面（10～180 cm）的溫度在4 月中上旬基本都在0 ℃以上，而80 cm 深度以下土壤USWC 未恢復(fù)到未凍結(jié)前的含水量。

2.3 凍融過程土壤溫度與USWC相關(guān)關(guān)系

凍土中USWC 受土質(zhì)、外界條件和凍融歷史等因素的影響，其中USWC 一直與負(fù)溫保持著動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，可用下式表達(dá)［24］：

式中：Wu為USWC；θ為土壤負(fù)溫絕對(duì)值；a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

本研究分析了2014—2019 年凍融期USWC 與土壤負(fù)溫絕對(duì)值的關(guān)系，用公式（2）擬合，獲得凍結(jié)期不同深度USWC 與土壤負(fù)溫絕對(duì)值的擬合經(jīng)驗(yàn)常數(shù)a、b（表2）。由表2可知土壤負(fù)溫絕對(duì)值與USWC 的相關(guān)關(guān)系整體較好，多數(shù)土層的R2可達(dá)0.7以上，并且淺層土壤的擬合效果好于深層土壤。擬合參數(shù)a始終為正值，b為負(fù)值，根據(jù)冪函數(shù)的性質(zhì)可推斷USWC 隨著土壤溫度的降低先快速下降至一個(gè)拐點(diǎn)后再平緩下降。此外，除40 cm、60 cm 深度土壤的參數(shù)a在逐年減小外，其余各深度均呈增大趨勢(shì)，且各深度參數(shù)b的絕對(duì)值隨年份的增加大體在減小，這表明在同一負(fù)溫條件下，除40 cm、60 cm 深度土壤不易判斷外，其余各深度USWC 在觀測(cè)年份內(nèi)存在差異，且USWC 隨年份的增加在上升。

表2 2014—2019年凍融期各土層USWC隨土壤負(fù)溫絕對(duì)值變化的擬合結(jié)果Table 2 The result of fitting USWC with absolute value of the negative soil temperature in different depths during the freezing and thawing periods from 2014 to 2019

2.4 凍融過程土壤溫度對(duì)大氣溫度響應(yīng)

凍融期各深度土壤溫度與大氣溫度的相關(guān)性見表3。由表3可以看出，在五次凍融過程中，10 cm深度土壤溫度變化受氣溫波動(dòng)影響最大，相關(guān)性最高，Pearson 相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8 以上。0～40 cm 深度土層土壤溫度變化與大氣溫度極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)性隨土壤深度的增加而逐漸降低；120～180 cm 土層土壤溫度與大氣溫度呈負(fù)相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)性隨著土壤深度的增加而增加。

表3 2014—2019年凍融期各深度土壤溫度與大氣溫度的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficient of soil temperature and atmospheric temperature at different soil depths during the freezing and thawing periods from 2014 to 2019

3 討論

3.1 凍融過程土壤溫度變化及其與氣溫關(guān)系

研究區(qū)內(nèi)亞高山草甸土壤在凍融期呈現(xiàn)出單向凍結(jié)、雙向融化的特征（圖1），這與其他季節(jié)凍土規(guī)律一致［35-36］，戴黎聰?shù)龋?7］認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)榧竟?jié)凍土上層受大氣溫度影響、下層受地下熱流影響所致，王宇等［38］認(rèn)為土壤的雙向融化特征可能是因?yàn)樽畲髢鼋Y(jié)深度以下的土壤未凍結(jié)含水量較高，對(duì)上層土壤具有加熱作用導(dǎo)致的。在土壤融化階段，2016—2017 年下界面土壤的融化速率明顯快于上界面，這與姚楠等［39］的研究結(jié)果相反，這可能是該時(shí)段研究區(qū)上層積雪層厚度大，對(duì)大氣向土壤的熱傳遞形成阻礙，導(dǎo)致上界面融化速率慢。此外，五次凍融過程中土壤均在2 月份達(dá)到最大凍結(jié)厚度，其中2014—2016 年凍結(jié)最大深度達(dá)140 cm，2016—2019 年僅為100 m，土壤的凍結(jié)速率也在逐年降低，并且各深度土壤在凍結(jié)期的最低溫逐年上升、日均溫為0～-7 ℃的天數(shù)增長(zhǎng)且小于-7 ℃的天數(shù)和深度也隨年份的增加縮短，由此可見研究區(qū)在觀測(cè)時(shí)段逐年變暖，與曹斌等［40］的研究具有一致性。白云等［41］也在鄰近本研究區(qū)的排露溝流域發(fā)現(xiàn)海拔2 900 m 的草地土壤在2016—2017年間最大凍結(jié)深度要淺于2015—2016年。

在凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段中，土壤溫度的變化主要受外界大氣溫度的影響，Li 等［42］指出土壤溫度對(duì)大氣溫度的變化響應(yīng)敏感。其中淺層土壤受外界影響更大，交換能量也更多，因此在土壤凍融過程中，淺層土壤對(duì)大氣溫度變化響應(yīng)最大［43-44］，該結(jié)論與本研究結(jié)果一致，本研究中淺層土壤溫度與大氣溫度的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9 以上。隨土壤深度的增加，土壤對(duì)大氣溫度的響應(yīng)逐漸減弱，越深層的土壤變化趨勢(shì)就越平穩(wěn)，其中大氣溫度與10～40 cm 深度土壤溫度顯著正相關(guān)，120～180 cm 深度土壤顯著負(fù)相關(guān)，王一菲等［45］通過研究黑土農(nóng)田凍融期的變化特征也發(fā)現(xiàn)了120～190 cm 深度土壤溫度與大氣溫度相關(guān)系數(shù)為負(fù)，并認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)大氣溫度開始回升時(shí)，深層土壤溫度還在持續(xù)下降即深層土壤對(duì)大氣溫度的響應(yīng)過于滯后所致。

3.2 凍融過程土壤USWC的變化特征

在土壤的凍融過程中，土壤USWC 變化趨勢(shì)整體呈現(xiàn)出“U”形，即未凍期和融化期土壤含水量顯著高于凍結(jié)期，在凍結(jié)期土壤含水量的變化平穩(wěn)，這與眾多研究者的結(jié)果一致［41，46］。此外，土壤USWC 與土壤溫度的變化趨勢(shì)大體是一致的，隨土壤溫度的上升而增加，隨溫度的下降而減小，胡國(guó)杰等［47］也得到相似的變化規(guī)律。淺層土壤含水量因受外界降水、地表徑流、蒸散發(fā)等影響導(dǎo)致其在凍結(jié)前后期的變化較大，而深層土壤含水量變化相對(duì)穩(wěn)定［48］。

在凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段，USWC 的高值區(qū)在中層出現(xiàn)，這是因?yàn)橥寥涝趦鼋Y(jié)過程中產(chǎn)生溫度梯度，在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)力下，土壤未凍水和氣態(tài)水向凍結(jié)鋒面發(fā)生遷移［20］，上層土壤未凍水隨著凍結(jié)鋒面向下移動(dòng)，下層土壤未凍水朝著凍結(jié)鋒面向上移動(dòng)，在中層土壤處形成了一個(gè)水分高值區(qū)。戴黎聰?shù)龋?7］研究發(fā)現(xiàn)在土壤一定深度也存在一個(gè)水分高值區(qū)，深度范圍在20～90 cm。在凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展階段的后期，凍結(jié)深度以下的土壤水分在水勢(shì)梯度下向凍結(jié)區(qū)遷移，土壤水分都集中在凍結(jié)底邊上，使深層土壤形成了一個(gè)水分高值區(qū)，馮慧君等［49］也發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。此外，2014—2017 年在20 cm 和80 cm 土壤深度處均出現(xiàn)了一個(gè)水分低值區(qū)，其中20 cm 深度的水分低值區(qū)可能是因?yàn)橥饨绱髿鉁囟冗^低，土壤水分在溫度梯度的作用下向上運(yùn)輸大量未凍水，并隨著凍結(jié)鋒面向下運(yùn)輸大量水所致；80 cm 深度的水分低值區(qū)可能是因?yàn)閮鼋Y(jié)鋒面的溫度過低，大量水分不斷向凍結(jié)鋒面移動(dòng)所致。2017年80 cm 深度的水分低值區(qū)消失，2018年以后，20 cm 深度的低值區(qū)也消失，這與土壤在垂直剖面上的凍結(jié)深度、最低溫度逐漸上升，低溫持續(xù)時(shí)長(zhǎng)縮短等結(jié)果一致。

在融化階段，受大氣溫度影響表層土壤先發(fā)生融化，且隨著溫度的回升，土壤上層的積雪也開始融化入滲，凍結(jié)層具有隔水作用，阻止水分入滲形成淺層水分高值區(qū)，表層土壤含水量大幅度上升。隨著土壤深度的增加，土壤含水量變化較小，彭振陽(yáng)等［50］也有相似的結(jié)果。此外，2018—2019 年深層土壤也出現(xiàn)一個(gè)水分高值區(qū)，這與同期出現(xiàn)的溫度高值區(qū)一致，這可能是當(dāng)年深層土壤溫度較高、回升速度較快所致。

利用冪函數(shù)擬合USWC 與土壤負(fù)溫絕對(duì)值的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)隨土壤深度增加減弱，這與胡國(guó)杰等［47］對(duì)青藏高原凍土區(qū)土壤凍融期間水熱運(yùn)移特征的分析得出的結(jié)論相反，胡國(guó)杰等［47］認(rèn)為淺層土壤相關(guān)系數(shù)低于深層土壤可能與土壤表層受外界其他影響較多有關(guān)。也有研究者得出和本文相似的結(jié)論，如戴黎聰?shù)龋?7］得出淺層土壤的擬合效果好于深層土壤，并提出部分深度土壤擬合效果差可能是由于該深度的土壤未凍水含量接近于零值所致。此外，Hu 等［51］研究結(jié)果表明凍融期USWC 參數(shù)化不但受土壤溫度的影響，還與冰點(diǎn)溫度、USWC保持恒溫時(shí)溫度、土壤特性、土壤水分類型和初始水分等因素有關(guān)。

4 結(jié)論

本研究以祁連山中部天澇池流域亞高山草甸為研究對(duì)象，利用2014—2019年凍融期大氣溫度和土壤水熱的野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)亞高山草甸土壤凍融特征、凍融期土壤溫度對(duì)大氣溫度的響應(yīng)及土壤水熱擬合進(jìn)行了探討，得出主要結(jié)論如下：

（1）流域內(nèi)亞高山草甸土壤凍融期為每年11月中旬至次年4 月上旬，2014—2019 年凍結(jié)最大深度為100～140 cm，土壤具有單向凍結(jié)雙向融化的凍融特征，屬季節(jié)凍土，10～180 cm 深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)土壤日凍融循環(huán)現(xiàn)象。觀測(cè)期內(nèi)，土壤凍結(jié)速率要顯著慢于融化速率，隨年份的增加，土壤出現(xiàn)凍結(jié)下界面融化速率逐年加快、凍結(jié)界面匯合深度逐年上升、凍結(jié)深度變淺、最大凍結(jié)深度持續(xù)時(shí)長(zhǎng)縮短、凍結(jié)速率減緩，土壤最低負(fù)溫上升、土壤日均溫在0～-7 ℃天數(shù)持續(xù)增長(zhǎng)、土壤小于-7 ℃持續(xù)天數(shù)和延伸深度縮短等現(xiàn)象。

（2）凍融期USWC 整體呈“U”形，當(dāng)達(dá)最大凍結(jié)深度時(shí)，中層深度土壤（40～60 cm）會(huì)形成一個(gè)水分高值區(qū)，在融化階段80 cm 深度以下的USWC 對(duì)土壤溫度變化的響應(yīng)較為滯后。USWC 與土壤負(fù)溫絕對(duì)值間具有較好的冪函數(shù)（y=axb）相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性隨深度的增加減小，其中參數(shù)b始終為負(fù)值且絕對(duì)值隨年際變化減小，即同一土壤溫度、土壤深度條件下，不同年份的USWC之間也存在差異，且USWC隨年份的增加而增加。

（3）0～40 cm 深度土壤溫度與氣溫顯著正相關(guān)，相關(guān)性隨深度的增加逐漸減小，120～180 cm 深度土壤溫度與氣溫顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性隨深度的增加逐漸增大，氣溫對(duì)深層土壤溫度的作用顯著滯后。

（4）土壤水分模式是構(gòu)建流域水文模型的主要組成部分之一，因凍結(jié)的存在使得土壤各時(shí)期有效厚度不同，導(dǎo)致土壤在各時(shí)期的有效入滲深度不同，在融化階段，凍土深度隨時(shí)間變化，意味著土壤有效深度存在時(shí)間變化，因此水文模型中土壤有效厚度不是一個(gè)常數(shù)。融化期表層土壤存在的水分高值區(qū)是研究區(qū)特殊水文現(xiàn)象，將對(duì)徑流產(chǎn)生顯著影響。