冻融期积雪覆盖下土壤水热交互效应

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1、第31卷第15期农业工程学报Vol.31No.152015年8月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringAug.2015101冻融期积雪覆盖下土壤水热交互效应付强，侯仁杰，王子龙，李天霄（东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨150030）摘要：为了研究季节性冻土区土壤水热时空分异特征，揭示冻融过程中的水热相互作用机理及其复杂性。在松嫩平原黑土区，以野外实测试验数据为基础，分别建立裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下20cm土层土壤含水率和温度的耦合模型，并通过

2、对比模型的预测效果研究土壤水热变化的复杂程度，采用差异性分析和基于小波变换的分形理论方法定量研究含水率与温度序列的变异波动性和分维指标，进而验证不同覆盖处理条件对于土壤水热空间变异复杂性的影响。结果表明：冻结期，积雪阻碍了环境因素对于土壤水热迁移过程的影响，土壤含水率和温度的耦合效果较好，并且预测值与实测值能够较好的吻合，裸地、自然降雪、积雪压实、积雪加厚处理条件下的相对误差分别为0.42%、0.31%、0.13%和0.06%，随着积雪厚度的增加和密度的增大，含水率和温度的差异性减弱，复杂程度逐渐降低；融化期，积雪覆盖区的融雪水入渗抑制了土

3、壤温度稳定提升，含水率出现骤然升高的现象，自然降雪、积雪压实、积雪加厚条件下的含水率变化分别为14.31%、15.90%和16.91%，土壤温度变化范围分别为−5.9～5.3、−3.6～6.9和−3.1～3.8℃，二者的互作效应减弱，并且随着积雪覆盖量的增加，土壤的水热时空迁移复杂程度逐渐增强。同时，采用基于小波变换的分形理论研究土壤含水率和温度的时间序列复杂性精度较高、结果可靠。该研究对于揭示冻土区土壤水热迁移动态规律，准确预测春播期土壤温度和墒情，合理高效地利用松嫩平原的土壤水资源具有重要的理论价值和现实意义。关键词：分形；积雪；土壤;

4、冻融期；复杂性；土壤水热互作效应doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.15.014中图分类号：S152.8文献标志码：A文章编号：1002-6819(2015)-15-0101-07付强，侯仁杰，王子龙，李天霄.冻融期积雪覆盖下土壤水热交互效应[J].农业工程学报，2015，31(15)：101－107.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.15.014http://www.tcsae.orgFuQiang,HouRenjie,WangZilong,LiTianxiao.Soi

5、lmoisturethermalinteractioneffectsundersnowcoverduringfreezingandthawingperiod[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2015,31(15):101－107.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.15.014http://www.tcsae.org

6、程中土壤水热耦合迁移模型对地下水浅埋条件下的土壤0引言[14]冻融过程进行了模拟，张小磊等以野外实测数据为基中国的季节性冻土面积约占全国国土面积的54%，[15]础，分析了积雪消融期浅层土壤的温度变化情况；主要分布在中国的东北、西北及华北地区，这些地区多[16]Sharratt等研究了不同覆盖处理对于季节性冻土的冻结属于干旱、半干旱的水资源短缺区[1-4]。积雪作为冻土区[17]深度、冻结速率、冻结周期的影响，Kane使用了一个一种特殊的下垫面，其存在形式依赖于环境温度、湿度伴随相变的二维热传导模型证实了气温的变暖对于土壤[5-6]以及大气

7、辐射而变化。由于其高反射性、低导热性以融化深度的影响。纵观之前学者研究成果，主要侧重于及融雪水文效应，对气候环境和地表的水热状况都会产土壤冻融期土壤水热的变化规律以及水热迁移的数值模[7-8]生深刻的影响。积雪覆盖下的土壤水热运动会呈现出拟，而对于积雪覆盖条件下土壤水热互作效应机理及其特殊规律和空间分配特性，冻融过程中，土壤水热在垂复杂性研究甚少。[9-10]直剖面上的呈现出一定的复杂性。冻结期雪被的覆盖本文主要针对松嫩平原黑土地区季节性冻土的水热变异以及融化期融雪水的入渗在一定程度上影响着土壤的水特性，在野外大田试验的基础上，构建了不同积

8、雪覆盖条件热互作效应，进而影响着“冬小麦”的生长发育和来年下土壤水热互作响应函数，对比函数模拟效果，并且对各处[11-12]土壤墒情的预测。理区域的土壤水热时间序列变化特征进行了