凍融期不同覆蓋和氣象因子對土壤導熱率和熱通量的影響

付 強，顏培儒，李天霄，侯仁杰，周照強，馬梓奡

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凍融期不同覆蓋和氣象因子對土壤導熱率和熱通量的影響

付 強，顏培儒，李天霄，侯仁杰，周照強，馬梓奡

（東北農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030）

為了研究凍融期不同覆蓋和氣象因子對土壤導熱率和土壤熱通量的影響，在2015年11月－2016年4月期間，設置了裸地（BL）、自然積雪覆蓋（SC）、6 000 kg/hm2秸稈+積雪覆蓋（SM1）、12 000 kg/hm2秸稈+積雪覆蓋（SM2）和18 000 kg/hm2秸稈+積雪覆蓋（SM3）5種不同的處理，測定了20、40、60和100 cm土壤含水率和溫度，并計算出土壤導熱率和土壤熱通量。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在土壤凍結(jié)期，土壤導熱率隨著土壤的凍結(jié)而增大，直至完全凍結(jié)后基本保持不變，而在土壤融化期則逐漸減小。凍融階段，積雪和秸稈覆蓋會延緩土壤導熱率的變化，減小土壤導熱率的變化。凍結(jié)期，裸地處理的土壤導熱率最大，平均為1.55 W/(m×K)；融化期，裸地處理的土壤導熱率最小，平均為0.79 W/(m×K)。在凍結(jié)期，土壤熱量向上傳遞，傳遞量先增加后減??；在融化期，土壤熱量向下傳遞，傳遞量逐漸增加。積雪和秸稈覆蓋可以減小土壤熱通量及其變化。積雪和秸稈覆蓋條件下的土壤熱通量比裸地少4.73～8.84 W/m2。裸地處理的土壤導熱率與水汽壓的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為?0.84，與風速的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)為-0.43。積雪和秸稈覆蓋條件下的土壤導熱率與環(huán)境溫度的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為?0.67～?0.73，與風速的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)為?0.18～?0.25。土壤熱通量與太陽輻射的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為?0.88～?0.91，與風速的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)為?0.44～?0.53。整體而言，積雪和秸稈覆蓋會減小大氣環(huán)境對土壤導熱率和熱通量的影響。

秸稈；土壤；積雪；凍融期；氣象因子；導熱率；熱通量

0 引 言

土壤的導熱率是土壤重要的物理性質(zhì)之一，是影響熱量在土壤剖面中的保持、傳導和分布狀況的土壤性質(zhì)。土壤熱通量是地表能量平衡中的重要組成部分，影響著地表和大氣間的物質(zhì)和能量交換。它們主要受土壤質(zhì)地、容重、溫度、含水率和大氣環(huán)境的影響[1-3]。目前關(guān)于土壤導熱率和土壤熱通量的研究取得了豐碩的成果。李建波等[4]發(fā)現(xiàn)土壤含水率與土壤導熱率存在著較強的空間相關(guān)性，0～20 cm土層土壤含水率與導熱率呈線性正相關(guān)。王鑠等[5]認為在相同含水率條件下，砂粒含量越高，土壤的導熱率越大。蘇李君等[6]在C?té-Konrad模型和Lu-Ren模型的基礎上，建立了基于土壤物理基本參數(shù)的改進模型。周亞等[7]認為土壤熱通量的大小與總輻射大小密切相關(guān)。Chung和Horton[8]提出了一個基于含水率的土壤導熱率計算經(jīng)驗公式。Gan等[9]在內(nèi)蒙古地區(qū)發(fā)現(xiàn)放牧會增加土壤導熱率和熱通量。Orakoglu等[10]發(fā)現(xiàn)向土壤中添加纖維會減小土壤導熱率。Usowicz等[11]認為土壤中的水分、容重和石英含量是影響土壤導熱率的重要因素，土壤導熱率的分布主要與土壤水分有關(guān)。然而，目前的研究主要集中在非凍融期，針對凍融期的較少。與非凍融期相比，凍融期土壤中含有大量的冰，水分的凍結(jié)和冰的融化都會對土壤導熱率和土壤熱通量產(chǎn)生巨大的影響，因此凍融期的土壤導熱率和土壤熱通量與非凍融期存在著巨大差異[12-14]。同時積雪和秸稈覆蓋以及氣象因子也會因為影響到土壤的凍融過程和土壤中的水熱變化而影響土壤導熱率和土壤熱通量[15-20]。

本文立足于松嫩平原黑土地區(qū)，在野外大田試驗基礎上，研究了凍融期積雪和秸稈覆蓋條件下的土壤導熱率和土壤熱通量，并利用相關(guān)性定量分析了不同氣象因子對土壤導熱率和土壤熱通量的影響程度。研究結(jié)果可以為冬季農(nóng)田土壤的管理和春季土壤溫度的預測提供可靠的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年11月－2016年4月在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學水利綜合試驗基地（126°45'E，45°43'N）進行。試驗區(qū)位于松嫩平原東部，海拔127 m，屬于典型的中溫帶大陸性季風氣候，四季分明。冬季受極地大陸氣團影響，氣候寒冷干燥；夏季受副熱帶海洋氣團影響，降水充沛，氣候溫熱。年平均氣溫為3.6 ℃，冬季平均氣溫為?14.2 ℃，夏季平均氣溫為22.8 ℃。年平均降水量為529 mm，主要集中在7和8月份，年平均蒸發(fā)量為1 326 mm，地下潛水位埋深為6.8 m。試驗區(qū)設置在空閑的農(nóng)田，地形平坦，無植被覆蓋。

1.2 試驗方案

試驗區(qū)域內(nèi)設置有4個10 m×10 m的相鄰樣地，每塊樣地的四周埋放2m深的防側(cè)滲塑料布，將樣地分別做裸地（BL）、自然積雪覆蓋（SC）、6 000 kg/hm2秸稈+積雪覆蓋（SM1）、12 000 kg/hm2秸稈+積雪覆蓋（SM2）、18 000 kg/hm2秸稈+積雪覆蓋（SM3）四種不同的處理。各處理均使用長約2 m的秸稈，保留秸稈上的枝葉，采用縱橫交錯的方式覆蓋，且覆蓋密度均勻。在試驗期內(nèi)，降雪后及時清掃裸地處理，秸稈覆蓋處理保持自然降雪狀態(tài)。各試驗區(qū)分別埋設有TDR時域反射儀測管2根，用以測定20、40、60和100 cm土層的液態(tài)含水率，每個點測3次取平均值，每隔7 d測定一次，設置有中子儀管一根，用于測定20、40、60和100 cm土層的總含水率，每個點測3次取平均值，每隔7天測定1次，設置有JL-04溫度記錄儀一套，用于自動測定20、40、60和100 cm土層的溫度。太陽輻射、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、水汽壓和風速的觀測采用試驗區(qū)安裝的TRM-ZS1型氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)自動記錄，每隔1 h記錄1次。在試驗期前，采用烘干法測定土壤的干容重和飽和含水率。另外，采用Winner801型激光粒度儀檢測土壤的機械組成。結(jié)果如表1所示。

表1 不同土層深度的土壤物理參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理與計算

土壤總含水量（）、土壤液態(tài)水含量（）和土壤含冰量（）的關(guān)系如下[21]

土壤體積熱容（C）計算公式如下

其中C、C和C分別為土壤基質(zhì)、液態(tài)水和冰的體積熱容，具體數(shù)值分別為2.13、4.18和1.73 J/(cm3×K)[22]。為土壤飽和含水率。

凍結(jié)土壤的導熱率用以下公式計算[23]：

式中、、、和是與土壤特性相關(guān)的系數(shù)，由下面的公式計算，1和2是經(jīng)驗系數(shù)分別為13和1[24]。

=1.06ρ（5）

=4 （8）

式中是土壤容重，g/cm3；m是黏粒含量。

土壤熱通量計算公式如下：

式中(,T)是土壤熱通量，W/m2；D是土壤溫度的差異，℃；D是兩個土層的距離，cm。由于冬季水汽運動非常微弱所以不考慮它對土壤熱通量的影響。

平均導熱率的計算公式[9]

式中1和2是土層的厚度，cm；()1和()2是不同土層的導熱率，W/(m×K)；()是平均導熱率，W/(m×K)。

2 結(jié)果與分析

2.1 積雪和秸稈覆蓋對土壤導熱率的影響

根據(jù)計算出的土壤導熱率繪制出凍融期積雪和秸稈覆蓋條件下20、40、60和100 cm土層土壤導熱率變化圖（圖1）。從圖1中可以看出，除了100 cm土層SC、SM1、SM2和SM3四種處理的土壤導熱率一直保持基本不變之外，其余的土壤導熱率都在土壤凍結(jié)期，隨著土壤的凍結(jié)而增大，在土壤完全凍結(jié)以后，土壤導熱率基本保持不變，而在土壤融化期，土壤導熱率則逐漸減小。這是由于隨著土壤溫度的降低，土壤中的水分逐漸凍結(jié)成冰，冰的導熱率是液態(tài)水的4倍[22]，因而土壤導熱率會隨著土壤溫度的降低而升高。當土壤溫度降低到一定溫度時，土壤中冰水比例基本保持不變，因而土壤導熱率也基本保持不變。當土壤融化時，土壤中的冰逐漸融化成水，土壤導熱率又隨之下降。SC、SM1、SM2和SM3處理100 cm土層溫度沒有達到0 ℃以下，土壤中的水分未發(fā)生相變，因此，土壤導熱率基本保持不變。

另由圖1可知，不同處理之間又存在著一定的差異。在凍結(jié)期，由于積雪和秸稈覆蓋會延緩土壤溫度下降的速率和土壤凍結(jié)時間[25-27]，因而延緩了土壤導熱率上升的時間，其中20 cm土層BL處理土壤導熱率上升的時間比其他4種處理提前了7 d；在土壤融化期，由于秸稈的覆蓋和積雪的融化同樣會延緩土壤溫度升高的速率，延遲了土壤融化的時間，因而延緩了土壤導熱率下降的時間，其中20 cm土層BL處理土壤導熱率下降的時間比其他4種處理提前了7 d。同時，在凍結(jié)期BL處理的土壤導熱率上升的斜率比SC、SM1、SM2和SM3處理大，其中20 cm土層BL處理土壤導熱率上升的斜率為0.083，比SC、SM1、SM2和SM3處理分別增大21.99%、33.73%、51.81%和61.45%；在融化期，BL處理的土壤導熱率下降的斜率比SC、SM1、SM2和SM3處理大，其中20 cm土層BL處理土壤導熱率下降的斜率為0.088，比SC、SM1、SM2和SM3處理分別增大29.55%、40.91%、45.45%和61.45%。這說明在凍融期積雪和秸稈覆蓋會減小土壤導熱率的變化，且隨著秸稈覆蓋量的增加，減小土壤導熱率變化的效果越明顯。60、100 cm深度4種覆蓋量下的土壤導熱率曲線幾乎重合，說明積雪和秸稈覆蓋量對導熱率的影響深度小于60 cm。這是由于當土壤凍結(jié)深度超過60 cm后，SC、SM1、SM2和SM3處理的土壤凍結(jié)過程相似，土壤中的冰水含量相差不大。

注：BL、SM1、SM2、SM3和SC分別指裸地、6 000 kg·hm-2秸稈+積雪覆蓋、12 000 kg·hm-2秸稈+積雪覆蓋、18 000 kg·hm-2秸稈+積雪覆蓋和積雪覆蓋。

采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計學方法計算了土壤導熱率的極差、平均值、標準差及變異系數(shù)（表2）。變異系數(shù)的評估標準為：當CV<0.1時屬于弱變異，當0.1≤CV≤1時屬于中等變異，當CV>1時屬于強變異[28]。通過表2可以發(fā)現(xiàn)：在凍結(jié)期，各個土層中BL處理的土壤導熱率最大，且各個處理呈現(xiàn)出BL>SC>SM1>SM2>SM3的規(guī)律，其中20 cm土層最明顯，BL處理的土壤導熱率達1.55 W/(m×K)，比SC、SM1、SM2和SM3增大了12%、26%、41%和49%。這說明在凍結(jié)期，積雪覆蓋減少了12%的土壤導熱率，每增加6 000 kg秸稈分別減少14%、15%和8%的土壤導熱率。這是由于積雪和秸稈覆蓋會阻礙土壤熱量的散失所導致的[16,18-20]。在融化期，同一土層中BL處理土壤導熱率最小，其中20 cm土層BL處理的土壤導熱率為0.79 W/(m×K)，比SC、SM1、SM2和SM3減小29%、25%、22%和15%，這說明在融化期，積雪和秸稈覆蓋會增加土壤的導熱率。這是由于融雪水的入滲增加了土壤含水率，同時秸稈覆蓋會阻礙融雪水的入滲。整個凍融期，在相同處理條件下，各個土層中40 cm土層的土壤導熱率最大，不同土層深度之間土壤導熱率呈現(xiàn)出先增長再下降的趨勢。在整個凍融期BL處理的極差和變異系數(shù)均為最大，這說明積雪和秸稈覆蓋會減小土壤導熱率的變化。凍結(jié)期積雪覆蓋導致土壤導熱率的變異系數(shù)減小了0.02，每增加6 000 kg秸稈分別導致土壤導熱率的變異系數(shù)減少0.02、0.03和0.01，融化期雪覆蓋導致土壤導熱率的變異系數(shù)減小了0.02，每增加6 000 kg秸稈分別導致土壤導熱率的變異系數(shù)減少0.07、0.09和0.05。相同處理條件下，隨著土壤深度的增加土壤導熱率的變化呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，在40 cm出現(xiàn)最大值。根據(jù)計算結(jié)果可知，凍融期BL處理20～100 cm土層均屬于中等變異，SC、SM1、SM2和SM3處理20～60 cm土層屬于中等變異，100 cm土層屬于弱變異，這說明積雪和秸稈覆蓋可以減小土壤導熱率的活躍層深度。

表2 凍融期積雪和秸稈覆蓋條件下的土壤導熱率統(tǒng)計學特征

注：同一列不同字母表示差異顯著（<0.05）。下同。

Note:Different letters in the same column are significantly different (<0.05).The same below.

2.2 積雪和秸稈覆蓋對土壤熱通量的影響

根據(jù)計算出的土壤熱通量繪制出凍融期不同積雪和秸稈覆蓋條件下20～40、40～60和60～100 cm土層之間的土壤熱通量變化圖（圖2）。從圖2中可以看出，在整個凍融期，土壤熱通量基本呈現(xiàn)出先增加再減小然后再增加的趨勢。在土壤凍結(jié)期，由于表層土壤溫度的迅速降低，土壤導熱率升高，土壤溫度梯度增加，因而導致了土壤熱通量的增加。隨著土壤熱通量的增加，深層土壤熱量迅速散失，土壤溫度降低，使得土壤溫度梯度降低，因而土壤熱通量又逐漸減小。在土壤融化期，表層土壤溫度升高，表層土壤溫度開始大于深層土壤溫度，此時土壤中的熱量由原來從深層向淺層傳導轉(zhuǎn)變成了由淺層向深層傳導[13]，同時隨著表層土壤溫度的增加，土壤溫度梯度又逐漸增加，因而土壤熱通量呈現(xiàn)出反向增加的趨勢。SM2，SM3之間各土層之間差異不明顯，這是由于秸稈覆蓋量對土壤水熱時空變化的影響是有限的，當秸稈覆蓋量達到一定厚度后，對土壤水熱變化的影響很小[17]。

注：正負表示土壤熱通量傳遞的方向，正值為土壤熱通量向上傳遞，負值為土壤熱通量向下傳遞。

采用統(tǒng)計學的方法計算了土壤熱通量的極差、平均值、標準差及變異系數(shù)（表3）。從表中可以看出在整個凍融期，相同土層之間BL處理土壤熱通量的平均值最大，SM3處理土壤熱通量最小。BL處理20～40 cm土層之間的土壤熱通量達13.05 W/m2，比SC、SM1、SM2、SM3處理分別多4.73、6.25、8.39、8.84 W/m2，這說明凍融期積雪覆蓋導致土壤熱通量減少了4.73 W/m2，每增加6 000 kg秸稈分別導致土壤導熱率減少2.12、2.14和0.45 W/m2。相同處理條件下，隨著土壤深度的增加，土壤熱通量呈現(xiàn)出減弱的趨勢。相同土層之間BL處理土壤熱通量的極差和變異系數(shù)最大，這說明積雪和秸稈覆蓋可以減小土壤熱通量的變化。凍融期積雪覆蓋導致土壤熱通量的變異系數(shù)減小了0.03，每增加6 000 kg秸稈分別導致土壤導熱率的變異系數(shù)減少0.03、0.03和0.01。根據(jù)上述對變異系數(shù)的評估，BL處理20～100 cm土層之間的土壤熱通量均屬于強變異，SC、SM1、SM2和SM3處理20～60 cm土層之間的土壤熱通量屬于強變異，60～100 cm土層之間的土壤熱通量屬于中等變異，這也可以說明秸稈覆蓋減小了土壤熱通量的活躍層。

表3 凍融期積雪和秸稈覆蓋條件下土壤熱通量的統(tǒng)計

2.3 氣象因子對土壤導熱率的影響

采用SPSS將20 cm土層土壤導熱率跟太陽輻射、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、水汽壓和風速做相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。從表中可以看出：各個氣象因子與BL處理的相關(guān)性最大，這說明積雪和秸稈覆蓋減小了土壤導熱率對氣象因子的響應。BL處理與水汽壓相關(guān)性最大達?0.84（<0.01），與風速的相關(guān)性最小為?0.43（<0.05），而積雪和秸稈覆蓋條件下的處理與環(huán)境溫度呈極顯著相關(guān)（<0.01），與風速和環(huán)境濕度的相關(guān)性小且不顯著（>0.05）。這說明風速和環(huán)境濕度對土壤導熱率的影響非常小，且在積雪和秸稈覆蓋的條件下更明顯。太陽輻射、環(huán)境溫度、水汽壓和風速與土壤導熱率呈負相關(guān)，這是由于太陽輻射、環(huán)境溫度、水汽壓和風速的升高會增加土壤蒸發(fā)量，減少土壤水分，因而土壤導熱率會隨著土壤水分的減少而降低。同時，在凍融期環(huán)境溫度的降低會導致土壤水分凍結(jié)成固態(tài)冰，導致土壤導熱率增加。環(huán)境濕度與土壤導熱率呈正相關(guān)，這說明隨著環(huán)境濕度的增加，土壤導熱率也隨之增加。這是由于隨著環(huán)境濕度的增加，土壤水分也呈現(xiàn)增加的趨勢，因而導致土壤導熱率增加。

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和水汽壓對土壤導熱率的影響較大，通過繪制環(huán)境溫度和水汽壓與20 cm土層土壤導熱率的關(guān)系圖（圖3），進一步探討環(huán)境溫度和水汽壓與土壤導熱率的關(guān)系。水汽壓以3 hPa為界，當大氣水汽壓超過3 hPa時，BL、SC、SM1、SM2和SM3處理的土壤導熱率分別保持在1.9、1.7、1.5、1.4和1.3 W/(m×K)左右，當水汽壓小于3 hPa時，土壤導熱率迅速降低到0.6 W/(m×K)左右。這是由于土壤凍結(jié)以后，土壤中的凍層抑制了土壤的蒸發(fā)，使得水汽壓較低，此時由于土壤中含有大量的冰，因而土壤導熱率較高，當土壤開始融化以后，隨著溫度的升高和太陽輻射的增加，土壤蒸發(fā)量增加，水汽壓也逐漸升高，此時土壤中的冰已經(jīng)融化成水，因而土壤導熱率較低。由于積雪和秸稈覆蓋會減緩土壤凍結(jié)和融化的過程，因而在圖中出現(xiàn)了一些特異值，這也說明了積雪和秸稈覆蓋阻礙了土壤與環(huán)境之間的聯(lián)系。當環(huán)境溫度小于?3 ℃時，土壤中的水迅速凍結(jié)成冰，且土壤中的冰水含量保持不變，因而土壤導熱率維持在一個較高的數(shù)值上基本保持不變；當環(huán)境溫度大于?3 ℃以后，土壤迅速融化，因而土壤導熱率較小且保持基本不變。

表4 氣象因子與土壤導熱率的相關(guān)系數(shù)

注：**表示相關(guān)性極顯著（<0.01），*表示相關(guān)性顯著（<0.05）。下同。

Note: **indicated extremly significant correlation (<0.01), * indicated significant correlation (<0.05). The same below.

圖3 水汽壓和環(huán)境溫度與土壤導熱率的關(guān)系

2.4 氣象因子對土壤熱通量的影響

采用SPSS將土壤熱通量跟太陽輻射、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、水汽壓和風速做相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。從表中可以看出各個處理土壤熱通量與太陽輻射相關(guān)性最大，各處理與太陽輻射的相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，與風速相關(guān)性最小，各處理與風速相關(guān)系數(shù)均在0.55以下，相關(guān)性的排序為：太陽輻射>環(huán)境溫度>環(huán)境濕度>水汽壓>風速。同一氣象因子與各處理的相關(guān)性基本呈現(xiàn)BL>SC>SM1>SM2>SM3。太陽輻射與BL處理土壤熱通量的相關(guān)系數(shù)高達?0.91（<0.01），而與SM3相關(guān)系數(shù)只有?0.88（<0.01）。這說明積雪和秸稈覆蓋減弱了大氣環(huán)境對土壤熱通量的影響。由于土壤熱通量以向上為正，太陽輻射、環(huán)境溫度、水汽壓和風速的增加，會增加大氣向土壤中傳輸?shù)臒崃浚瑥亩鴾p小向上傳輸?shù)耐寥罒嵬?，因此，太陽輻射、環(huán)境溫度、水汽壓和風速與土壤熱通量呈負相關(guān)。由于環(huán)境濕度與土壤導熱率呈正相關(guān)，土壤熱通量隨著土壤導熱率的增加而增加，因而環(huán)境濕度與土壤熱通量也呈正相關(guān)。

表5 氣象因子與土壤熱通量的相關(guān)系數(shù)

a. 太陽輻射

a. Solar radiation

b. 環(huán)境溫度

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)太陽輻射和環(huán)境溫度對土壤熱通量的影響較大。通過繪制太陽輻射和環(huán)境溫度與20～40 cm土層之間土壤熱通量的關(guān)系圖（圖4），進一步探討太陽輻射和環(huán)境溫度與土壤熱通量的關(guān)系。從圖中可以看出，BL、SC、SM1、SM2和SM3五種處理土壤熱通量與太陽輻射擬合直線的斜率分別為?2.76、?1.72、?1.37、?0.92和?0.81，即太陽輻射每變化1 MJ/m2，BL、SC、SM1、SM2和SM3五種處理20～40 cm土層之間的土壤熱通量會相應的變化2.76、1.72、1.37、0.92和0.81 W/m2。BL、SC、SM1、SM2和SM3五種處理土壤熱通量與太陽輻射擬合直線的斜率分別為?1.57、?0.98、?0.76、?0.49和?0.44，即環(huán)境溫度每變化1 ℃，BL、SC、SM1、SM2和SM3五種處理20～40 cm土層之間的土壤熱通量會相應的變化1.57、0.98、0.76、0.49和0.44 W/m2。這說明BL處理的土壤熱通量對太陽輻射和環(huán)境溫度的敏感性更強，積雪和秸稈覆蓋阻礙了土壤熱通量對大氣環(huán)境的響應，且秸稈厚度越大，阻礙效果越明顯。

3 討 論

研究結(jié)果表明在凍融期積雪和秸稈覆蓋阻礙了氣象因子對土壤導熱率和熱通量的影響，減小了土壤導熱率和熱通量的變化。Iwata等[29-30]在日本也發(fā)現(xiàn)了積雪覆蓋可以減小土壤熱通量的變化幅度。但是他們沒有考慮秸稈對土壤導熱率和熱通量的影響。積雪和秸稈是熱的不良導體，阻礙了大氣與土壤之間的熱量傳遞[16,18]。付強等[16,18,20,27]、陳軍鋒等[17]研究發(fā)現(xiàn)積雪和秸稈會抑制土壤水分和溫度的變化，減小土壤活躍層深度。土壤中的水分和溫度與土壤導熱率和熱通量密切相關(guān)[4,11]，這也從側(cè)面證明了本文的觀點。土壤導熱率和熱通量是能量循環(huán)的重要組成部分，研究結(jié)果可以幫助更好的理解土壤凍融過程，為凍季農(nóng)田管理提供依據(jù)。在以后的研究中，可以結(jié)合土壤導熱率和熱通量從能量平衡的角度預測土壤凍深。

4 結(jié) 論

1）在土壤凍結(jié)期，土壤導熱率隨著土壤的凍結(jié)而增大，直至完全凍結(jié)后基本保持不變，而在土壤融化期則逐漸減小。凍融階段，秸稈覆蓋會延緩土壤導熱率的變化。凍結(jié)期，裸地處理的土壤導熱率最大，平均為1.55 W/(m×K)；融化期，裸地處理的土壤導熱率最小，平均為0.79 W/(m×K)。積雪和秸稈覆蓋會減小土壤導熱率的變化和活躍層深度。

2）在凍結(jié)期，土壤熱量向上傳遞，傳遞量先增加后減?。辉谌诨?，土壤熱量向下傳遞，傳遞量逐漸增加。積雪和秸稈覆蓋可以減小土壤熱通量及其變化。凍融期積雪和秸稈覆蓋導致土壤熱通量減少了4.73～8.84 W/m2。隨著土壤深度的增加，土壤熱通量呈現(xiàn)出減弱的趨勢，同時覆蓋還會減小土壤熱通量的活躍層深度。

3）裸地處理的土壤導熱率與水汽壓的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為?0.84，與風速的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)為?0.43。積雪和秸稈覆蓋條件下的土壤導熱率與環(huán)境溫度的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為?0.67～?0.73，與風速的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)為?0.18～?0.23。積雪和秸稈覆蓋可以減少大氣環(huán)境對土壤導熱率的影響。太陽輻射、環(huán)境溫度、水汽壓和風速與土壤導熱率呈負相關(guān)，環(huán)境濕度與土壤導熱率呈正相關(guān)。

4）土壤熱通量與太陽輻射的相關(guān)性最好，與風速的相關(guān)性最差，其中裸地處理土壤熱通量與太陽輻射的相關(guān)系數(shù)達?0.91。秸稈覆蓋會減小大氣環(huán)境對土壤熱通量的影響。太陽輻射每增加1 MJ/m2，裸地、自然積雪覆蓋、6 000、12 000和18 000 kg/hm2秸稈+積雪覆蓋5種處理20～40 cm土層之間的土壤熱通量會相應的降低2.76、1.72、1.37、0.92和0.81 W/m2。

[1] Abu-Hamdeh N H. Thermal properties of soils as affected by density and water content[J]. Biosystems Engineering, 2003, 86(1): 97－102.

[2] Ju Z, Ren T, Hu C. Soil thermal conductivity as influenced by aggregation at intermediate water contents[J]. Soilence Society of America Journal, 2011, 75(1): 26－29.

[3] 李毅，邵明安，王文焰，等. 質(zhì)地對土壤熱性質(zhì)的影響研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19(4)：62－65.

Li Yi, Shao Mingan, Wang Wenyan, et al. Influence of soil textures on the thermal properties[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(4): 62－65. (in Chinese with English abstract)

[4] 李建波，王衛(wèi)華，Su Yiming，等. 溫室土壤含水率與導熱率空間分布及相關(guān)性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(19)：127－132.

Li Jianbo, Wang Weihua, Su Yiming, et al. Spatial pattern and interrelation of soil water content and thermal conductivity in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 127－132. (in Chinese with English abstract)

[5] 王鑠，王全九，樊軍，等. 土壤導熱率測定及其計算模型的對比分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(5)：78－84.

Wang Shuo, Wang Quanjiu, Fan Jun, et al. Soil thermal properties determination and prediction model comparison[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 78－84. (in Chinese with English abstract)

[6] 蘇李君，王全九，王鑠，等. 基于土壤物理基本參數(shù)的土壤導熱率模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(2)：127－133.

Su Lijun, Wang Quanjiu, Wang Shuo, et al. Soil thermal conductivity model based on soil physical basic parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(2): 127－133. (in Chinese with English abstract)

[7] 周亞，高曉清，李振朝，等. 青藏高原深層土壤熱通量的變化特征分析[J]. 高原氣象，2017，36(2)：307－316.

Zhou Ya, Gao Xiaoqing, Li Zhenchao, et al. Analysis of the characteristics of deep soil heat flux in Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Plateau Meteorology, 2017, 36(2): 307－316. (in Chinese with English abstract)

[8] Chung S O, Horton R. Soil heat and water flow with a partial surface mulch[J]. Water Resour Res, 1987, 12(11): 2175－2186.

[9] Gan L, Peng X, Peth S, et al. Effects of grazing intensity on soil thermal properties and heat flux under Leymus chinensis and Stipa grandis vegetation in Inner Mongolia, China[J]. Soil and Tillage Research, 2012, 118(5): 147－158.

[10] Orakoglu M E, Liu J, Niu F. Experimental and modeling investigation of the thermal conductivity of fiber-reinforced soil subjected to freeze-thaw cycles[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 108: 824－832.

[11] Usowicz B, ?ukowski M I, Rüdiger C, et al. Thermal properties of soil in the Murrumbidgee River Catchment (Australia)[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 115: 604－614.

[12] Kurz D, Alfaro M, Graham J. Thermal conductivities of frozen and unfrozen soils at three project sites in northern Manitoba[J]. Cold Regions Science & Technology, 2017, 140: 30－38.

[13] Yi J, Zhao Y, Shao M A, et al. Soil freezing and thawing processes affected by the different landscapes in the middle reaches of Heihe River Basin, Gansu, China[J]. Journal of Hydrology, 2014, 519: 1328－1338.

[14] Hu G, Zhao L, Wu X, et al. Comparison of the thermal conductivity parameterizations for a freeze-thaw algorithm with a multi-layered soil in permafrost regions[J]. Catena, 2017, 156: 244－251.

[15] 李瑞平，史海濱，赤江剛夫，等. 凍融期氣溫與土壤水鹽運移特征研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23(4)：70－74.

Li Ruiping, Shi Haibin, Takeo Akae, et al. Characteristics of air temperature and water-salt transfer during freezing and thawing period[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(4): 70－74. (in Chinese with English abstract)

[16] 付強，侯仁杰，王子龍，等. 積雪覆蓋下土壤熱狀況及其對氣象因素的響應研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46(7)：154－161.

Fu Qiang, Hou Renjie, Wang Zilong, et al. Soil thermal regime under snow cover and its response to meteorological factors[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(7): 154－161. (in Chinese with English abstract)

[17] 陳軍鋒，鄭秀清，秦作棟，等. 凍融期秸稈覆蓋量對土壤剖面水熱時空變化的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(20)：102－110.

Chen Junfeng, Zheng Xiuqing, Qin Zuodong, et al. Effects of maize straw mulch on spatiotemporal variation of soil profile moisture and temperature during freeze-thaw period[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(20): 102－110. (in Chinese with English abstract)

[18] 付強，馬梓奡，李天霄，等. 北方高寒區(qū)不同覆蓋條件下土壤溫度差異性分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(12)：152－159.Fu Qiang, Ma Ziao, Li Tianxiao, et al. Variability of soil temperature under different coverage conditions in alpine region of China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(12): 152－159. (in Chinese with English abstract)

[19] 邢述彥，鄭秀清，陳軍鋒. 秸稈覆蓋對凍融期土壤墑情影響試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(2)：90－94.

Xing Shuyan, Zheng Xiuqing, Chen Junfeng. Experimental study on effect of corn residue management on soil water content during freezing-thawing period[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 90－94. (in Chinese with English abstract)

[20] 付強，李鐵男，李天霄，等. 秸稈覆蓋對季節(jié)性凍融期土壤水分特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46(6)：141－146.

Fu Qiang, Li Tienan, Li Tianxiao, et al. Influence of straw mulching on soil moisture characteristics during seasonal freeze-thaw period[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 141－146. (in Chinese with English abstract)

[21] Seyfried M S, Murdock M D. Calibration of time domain reflectometry for measurement of liquid water in frozen soils[J]. Soil Science, 1996, 161(2): 87－98.

[22] Campbell G S. Soil physics with BASIC: Transport Models for Soil-plant Systems[M]. Elsevier, 1985.

[23] Hansson K, ?im?nek J, Mizoguchi M, et al. Water Flow and Heat Transport in Frozen Soil[J]. Vadose Zone Journal, 2004, 3(2):527-533.

[24] Watanabe K. Water and heat flow in a directionally frozen silty soil[J]. Proc Hydrus Workshop, 2008.

[25] 鄭秀清，陳軍鋒，邢述彥. 不同地表覆蓋下凍融土壤入滲能力及入滲參數(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(11)：23－28.

Zheng Xiuqing, Chen Junfeng, Xing Shuyan. Infiltration capacity and parameters of freezing and thawing soil under different surface coverages[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(11): 23－28. (in Chinese with English abstract)

[26] 鄭和祥，李和平，郭克貞，等. 河套灌區(qū)冬小麥凍結(jié)期土壤入滲特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(4)：70－78.

Zheng Hexiang, Li Heping, Guo Kezhen, et al. Soil infiltration characteristics of winter wheat field during freezing in Hetao Irrigation District[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(4): 70－78. (in Chinese with English abstract)

[27] 付強，蔣睿奇，王子龍，等. 不同積雪覆蓋條件下凍融土壤水分運動規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46(10)：152－159.Fu Qiang, Jiang Ruiqi, Wang Zilong, et al. Soil moisture movement during freezing-thawing period under different snow covers[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(10): 152－159. (in Chinese with English abstract)

[28] 王衛(wèi)華，王全九. 黑河中游綠洲麥田土壤導氣率空間變異尺度性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(4)：179－183.

Wang Weihua, Wang Quanjiu. Scale-dependency of spatial variability of soil air permeability on typical oasis croplands at middle reaches of Heihe River[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(4): 179－183. (in Chinese with English abstract)

[29] Iwata Y, Nemoto M, Hasegawa S, et al. Influence of rain, air temperature, and snow cover on subsequent spring-snowmelt infiltration into thin frozen soil layer in northern Japan[J]. Journal of Hydrology, 2011, 401(3/4): 165－176.

[30] Iwata Y, Hayashi M, Hirota T. Effects of snow cover on soil heat flux and freeze-thaw processes[J]. Journal of Agricultural Meteorology, 2009, 64(64): 301－309.

Influence of different coverage and meteorological factors on soil thermal conductivity and heat flux during freezing and thawing period

Fu Qiang, Yan Peiru, Li Tianxiao, Hou Renjie, Zhou Zhaoqiang, Ma Ziao

(,,150030,)

In order to study the characteristics of soil thermal conductivity and heat flux under different mulching conditions in freezing and thawing period, we measured the soil temperature with 5 different treatments, i.e. bare land (BL), snow cover (SC), 6 000 kg/hm2straw mulching + snow cover (SM1), 12 000 kg/hm2straw mulching + snow cover (SM2), and 18000 kg/hm2straw mulching + snow cover (SM3), and then calculated the soil thermal conductivity and heat flux. Results showed that the soil thermal conductivity increased when soil was freezing, maintained constant when soil was frozen completely, and decreased when soil was thawing. In the freezing period, straw mulching and snow cover could delay the increase of soil thermal conductivity. In the thawing period, straw mulching and snow cover could delay the decrease of soil thermal conductivity. The rising time of soil thermal conductivity of BL was 7 d earlier than the other 4 treatments in 20 cm soil layer. During the freezing period, the average soil thermal conductivity of BL was the largest, while during the thawing period the average soil thermal conductivity of BL was the lowest. The soil thermal conductivity of BL was 1.55 W/(m×K) in 20 cm soil layer during the freezing period, which was 12%, 26%, 41% and 49% higher than those of SC, SM1, SM2 and SM3, respectively. The thermal conductivity of BL in 20 cm soil layer was 0.78 W/(m×K) in the thawing period, which was 29%, 25%, 22% and 15% smaller than those of SC, SM1, SM2 and SM3, respectively. Straw mulching and snow cover could reduce the range of soil thermal conductivity and the active layer depth of soil thermal conductivity. Soil thermal conductivity had the best correlation with aqueous vapour pressure in BL, and the correlation coefficient was ?0.84 (<0.01). Soil thermal conductivity had the worst correlation with wind speed in BL, and the correlation coefficient was ?0.43 (<0.05). Soil thermal conductivity had the best correlation with ambient temperature under straw mulching and snow cover, and had the worst correlation with wind speed. Straw mulching and snow cover could reduce the influence of atmospheric environment on soil thermal conductivity. When the environment temperature was higher than ?3 ℃, the soil thermal conductivity maintained a lower value and remained unchanged. When the environment temperature was lower than ?3 ℃, the soil thermal conductivity maintained a higher value and remained unchanged. During the freezing period, the soil heat transfer upward and the soil heat flux increased first and then decreased; during the thawing period, the soil heat transfer downward and the soil heat flux increased gradually. Straw mulching and snow cover reduced the soil heat flux and its variation. In the whole freezing and thawing period, the average value of soil heat flux of BL was the largest and the soil heat flux of SM3 was the least in the same soil layer. Straw mulching and snow cover could reduce the active layer depth of soil heat flux. The heat flux of surface soil was significantly higher than that of deep soil. Soil heat flux had the best correlation with solar radiation, and all the correlation coefficients were above 0.85 in the 5 treatments. Soil heat flux had the worst correlation with wind speed, and all the correlation coefficients were below 0.55. Straw mulching and snow cover could reduce the influence of atmospheric environment on soil heat flux. The correlation coefficient between solar radiation and soil heat flux of BL was ?0.91 (<0.01), while the correlation coefficient of SM3 was only ?0.88 (<0.01). The results can provide scientific references for regulation of soil temperature in winter and prediction of soil temperature in spring.

straw; soils; snow; freezing and thawing period; meteorological factors; thermal conductivity; heat flux

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.013

S152.8

A

1002-6819(2017)-20-0098-08

2017-05-29

2017-09-13

國家自然科學基金（51679039）、黑龍江省杰出青年基金（JC201402）

付 強，教授，博士生導師，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源系統(tǒng)分析和節(jié)水灌溉等研究。Email：fuqiang0629@ 126.com

付 強，顏培儒，李天霄，侯仁杰，周照強，馬梓奡. 凍融期不同覆蓋和氣象因子對土壤導熱率和熱通量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(20)：98－105. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.013 http://www.tcsae.org

Fu Qiang, Yan Peiru, Li Tianxiao, Hou Renjie, Zhou Zhaoqiang, Ma Ziao. Influence of different coverage and meteorological factors on soil thermal conductivity and heat flux during freezing and thawing period[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 98－105. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.013 http://www.tcsae.org