哈爾濱地區(qū)初凍期包氣帶土壤垂向水分變化特征試驗與分析

呂雅潔，戴長雷，常龍艷，李治軍

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

1 試驗背景與目標

土壤水分對土體物理力學指標的影響非常大，在水文、氣象和農業(yè)科學領域也是必不可少的基本資料[1]。土壤水分是植物生長發(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和重建的重要因素[2]。哈爾濱市地處歐亞大陸東部，我國東北北部，多年平均氣溫3.7℃，冬季寒冷干燥且漫長，年平均160d日平均氣溫低于0℃，每年封凍期自11月下旬開始，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構都普遍認同我國寒區(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＞30d的地區(qū)[4]。哈爾濱是我國典型的寒區(qū)城市。哈爾濱地區(qū)第四紀松散堆積物分布廣泛，區(qū)內地層由老到新依次為前第四紀地層和第四紀地層。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系十分密切[7－8]。土的凍結，引起水分向正凍區(qū)運動、并以冰的形式充填土壤孔隙，因此初凍期土壤凍結情況對于土壤水分動態(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場地，以烘干法測定初凍期不同埋深的土壤含水率。通過試驗數據的對比與分析，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)冬季凍結土壤的水分遷移研究提供科學依據。

2 試驗方法與觀測結果

2.1 試驗場地條件

試驗觀測在兩典型試驗場地同時進行。黑龍江大學呼蘭試驗場位于哈爾濱市呼蘭區(qū)，松花江左岸，主要用于農業(yè)甜菜研究及各類作物的栽培。黑龍江省水利科學研究院綜合試驗研究基地位于哈爾濱市道里區(qū)機場路16km處，為黑龍江省水利科學研究院野外凍土觀測試驗場，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用地。

在開展凍層土壤水熱參數監(jiān)測試驗前，用篩析法對呼蘭試驗場以及水科院試驗基地土壤逐層顆粒分析，并采用環(huán)刀法對典型埋深土壤進行密度測定，得到土壤基本物理性質。

2.1.1 土壤干密度

本試驗利用環(huán)刀法測定典型埋深的土壤干密度，自表層起至100cm埋深土壤作為試驗對象，每20cm取土樣測定土壤干密度。試驗結果見表1，土壤干密度隨埋深變化圖見圖1。

表1 土壤干密度測定結果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

對比兩試驗場地的土壤參數數據，水科院試驗基地作為土壤研究的典型試驗基地，表層土壤受外來影響較大，土壤干密度明顯大于下層土壤。呼蘭試驗場主要用于作物栽培，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

本試驗用篩析法分別對兩試驗場地的土壤進行顆粒分析，自地表至100cm埋深土體作為研究對象，每20cm分層取土，得到各層土壤顆粒分布情況。

呼蘭試驗場和水科院試驗基地兩處的試驗土壤顆粒分析結果見表2、表3。

由土壤顆粒分析結果，水科院試驗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，達到80cm后土壤顏色逐漸由黑變黃。呼蘭試驗場土壤屬于細粒類土（細粒組≥50%），隨著埋深增加細粒組的含量呈減少趨勢，結果見表4。

表2 呼蘭試驗場不同埋深土壤粒徑分析結果Table2 Results of soil particles analysis in Hulan experimental field

表3 水科院試驗基地不同埋深土壤粒徑分析結果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定

土體的含水率是土的基本物理性質指標，反映土的狀態(tài)，同時土的含水率又會對土體凍結后水分遷移造成影響[12－13]，因此，在試驗場地土體初凍期對土壤含水率進行測定。野外監(jiān)測試驗自2012年10月19日和10月23日起，分別在水科院試驗基地和呼蘭試驗場進行，兩試驗場試驗間隔均為7d。匯總哈爾濱地區(qū)初凍期持續(xù)監(jiān)測的試驗數據，對監(jiān)測數據進行分析后選取有效數據。

2.2.1 呼蘭試驗場土壤含水率監(jiān)測數據

烘干法測定呼蘭試驗場不同埋深土壤含水率，其結果見表5。

表5 呼蘭試驗場土壤含水率數據Table5 Soil water contents of Hulan experimental field

由呼蘭試驗場土壤含水率測定數據，逐日分析土壤垂向含水率變化，得到呼蘭試驗場初凍期土壤含水率垂向變化曲線見圖2，呼蘭試驗場不同埋深土壤含水率隨時間變化曲線見圖3。

圖2 呼蘭試驗場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 呼蘭試驗場不同埋深土壤含水率隨時間變化曲線Fig.3 Changes of soil water content with time in Hulan experimental field of Heilongjiang Uni.

由圖3可見，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。隨著土體凍結深度的不斷增加，凍土層內含水率有所增加。

2.2.2 水科院試驗基地土壤含水率監(jiān)測數據

水科院試驗基地土壤含水率測定試驗自2012根據試驗數據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間變化曲線（圖5）。

表6 水科院試驗基地土壤含水率數據Table6 Soil water contents in experimental field of Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute

圖4 水科院試驗基地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 水科院試驗基地不同埋深土壤含水率隨時間變化曲線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 結論與討論

本研究選擇中國典型寒區(qū)城市哈爾濱為研究區(qū)，通過在哈爾濱松花江左岸的黑龍江大學呼蘭試驗場和松花江右岸的黑龍江省水利科學研究院綜合試驗基地兩個試驗場地，以烘干法對初凍期不同埋深的土壤進行含水率測定試驗，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)冬季凍結土壤的水分遷移研究提供科學依據。

1）地表土壤含水率的大小與地表負積溫、外界氣溫負積溫存在顯著的相關關系。埋深0～20 cm土壤對時間最為敏感，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始凍結，已凍土內的土壤含水率均經歷了逐漸減少——最低點——逐漸增加的過程，而不同深度土壤隨著其中水分的凍結，其剖面含水率經歷了突然增多——基本保持不變——陡然減少的變化過程，其間的差值即為土壤含冰量。試驗至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始由上向下單向凍結，土壤溫度達到冰點時，土壤凍層不斷加厚，凍層內的儲水量增加。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土層出現極大值。其規(guī)律表現為：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。

[1]吳月茹，王維真，晉 銳，等.TDR測定土壤含水率的標定 [J].冰川凍土，2009，31（2）：262-267.

[2]姚小英，王澄海，蒲金涌，等.甘肅黃土高原地區(qū)土壤水熱特征分析研究 [J].土壤通報，2006，37（4）：666-670.

[3]楊針娘.中國寒區(qū)水文 [M].北京：科學出版社，2000.

[4]孫思淼.寒區(qū)水庫浸沒影響試驗模擬研究——以大頂子山水庫為例 [D].哈爾濱：黑龍江大學，2012.

[5]原國紅.季節(jié)凍土水分遷移的機理及數值模擬 [D].長春：吉林大學，2006.

[6]戴長雷，李治軍.寒區(qū)閉流區(qū)土壤水分垂向滲流系統物理模擬試驗裝置分析與設計 [J].黑龍江水專學報，2008，35（4）：86-88.

[7]李瑞平.凍融土壤水熱鹽運移規(guī)律及其SHAW模型模擬研究 [D].呼和浩特：內蒙古農業(yè)大學，2007.

[8]戴長雷，常龍艷，梁麗青，等.積雪和凍土保墑監(jiān)測試驗方案分析與設計 [J].黑龍江大學工程學報，2011，2（4）：27-32.

[9]B.Т.Балобаев，И.М.никитина，В.В.Шепелёв，equal. Подземные воды центральной якутии и перспективых их использования [M]. Новосибирск ИздательствоСОРАНфилиал ‘Гео’，2003.

[10]Nassar I N，Horton R.Water transport in unsaturated，nonisothermal，salty soil：I Experimental results[J].Soil Sci Soc Am J，1989，53：1323-1329.

[11]Helalia AM.The relation between soil infiltration and effective porosity in different soils [J].Agricultural Water Management，1993，24：39-47.

[12]戴長雷，孫思淼，葉 勇.高寒區(qū)土壤包氣帶融雪入滲特征及其影響因素分析 [J].水土保持研究，2010，17（3）：269-272.

[13]В.В.Шепелёв.Надмерзлотныеводыкриолитозоны[M ]. Новосибирск Академическое издательство‘Гео’，2011.