疏勒河源區(qū)含砂礫石土壤水熱實驗

何玉潔， 宜樹華， 陳建軍， 秦 彧

(1.中國環(huán)境科學研究院，100012，北京；2.南通大學，226007，江蘇南通； 3.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，730000，蘭州；4.桂林理工大學測繪地理信息學院，541004，廣西桂林)

青藏高原由于獨特的地理位置成為全球氣候變化的敏感區(qū)，其動力和熱力作用對大氣環(huán)流、氣候變化和災害性天氣形成發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響[1]。土壤是陸面過程的一個分量,土壤溫度和濕度作為陸面過程中的重要參量,它們通過改變地表向大氣輸送的感熱、潛熱和長波輻射通量而影響氣候變化,而且影響土壤本身的熱力性質和水文過程,從而改變地表的各種參數(shù),進而影響氣候變化[2]。土壤水熱變化是陸地與大氣之間能量和水分交換的重要過程之一,因此加強土壤水熱狀況模擬的準確性是改進陸面過程、提高天氣和氣候模擬效果的迫切需要[3]。在近年大量的野外實驗觀察中，發(fā)現(xiàn)青藏高原有大量砂礫石的存在。青藏高原高寒草地由于緩慢的風化和成土作用，土壤質地較粗,土層較薄，砂土含量較大,局部土壤石塊和礫石含量較多，石塊和礫石的存在將對土壤的水熱性質產(chǎn)生一定的影響[4]。MILLER等[5]定義砂粒石為粒徑>2 mm，相對獨立、不易破碎的礦物質顆粒。土壤中的礫石會影響土壤物理特性[6]，以及導熱率、含水量、孔隙度和入滲特性[7]；因此，對青藏高原土壤水熱傳輸?shù)臏蚀_模擬是提高陸面過程模擬精度的重要條件，對于全球變化的研究具有重大意義[8-10]。

土壤飽和導水率是指土壤全部孔隙充滿水時，在單位水勢梯度作用下，通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度[11]。它作為土壤水分平衡研究中的關鍵參數(shù)，對地面的水分入滲、徑流及蒸散三者之間的分配關系產(chǎn)生影響[12]。目前，對于飽和土壤導水性能的研究主要集中在土壤表層，缺乏研究其在土壤剖面上的變化[13]，對于青藏高原土壤飽和導水率的測定實驗則更少?，F(xiàn)有許多學者[14-16]對含有碎石的配級土進行研究，測定其飽和導水率和水土特征曲線等水屬性，結果表明土壤中碎石的存在會影響土壤的水屬性，碎石的風化程度、顆粒形狀和試樣密度與其水屬性有密切關系。土壤導熱率是在標準條件下通過土壤傳導熱量的量度[17]，它是下墊面的重要熱力參數(shù)，也是陸面模式的重要輸入量。很多學者也進行了大量的實驗測定，結果表明土壤導熱率與土質、含水量、孔隙率有關[18-22]。陸面模式模擬方面，許多研究指出陸面模式在寒區(qū)的參數(shù)化存在很多問題[23]，模擬存在偏差的一個原因是沒有考慮砂礫石的存在[4]，有學者提出在以后的研究中應對礫石的水熱屬性做更全面深入的考慮[3]，對含砂礫石土壤的水、熱屬性開展大量的實驗室和野外實地測定工作[24]?？傊陙砦覈年懨孢^程研究水平不斷提高，但是在高原地區(qū)的模擬仍存在著一些問題；因此，筆者對疏勒河源區(qū)的翻耕補播地、圍欄封育地和圍欄外草地這3種砂礫石含量不同的草地為研究對象，對其飽和導水率、凍融狀態(tài)下的導熱率進行測定。分析飽和導水率、導熱率與不同樣地、土層深度、及土壤物理性質的關系，以更好地了解該地區(qū)土壤水熱性能的變化機制，同時對于確立青藏高原水、熱參數(shù)化方案，提高模式模擬精度，進而合理模擬青藏高原地氣交換過程及高寒草地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應有重要意義。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于青藏高原東北緣祁連山西段，是我國河西走廊3大內(nèi)陸河流域之一， 冰雪融水是主要水源補給[25]。研究區(qū)位于疏勒河上游青海省蘇里鄉(xiāng)(E 98°19′，N 38°25′，海拔3 885 m)，該區(qū)屬大陸性干旱荒漠氣候，氣候干冷、多風，年均降水量349.2 mm[26]。 植物種類主要有嵩草(Atremisavulgaris)、鐵棒錘(Aconitumpendulum)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、紫菀(Astertataricus)、火絨草(Leontopodiumalpinum)、苔草(Carextristachya)、金露梅(Potentillafruticosa)和西伯利亞蓼(Polygonumsibiricum) 8種，土壤類型主要有高山草甸草原土、高山寒漠土、栗鈣土和山地灰鈣土等[27]。采樣點位置及3種樣地航拍情況如圖1所示。

TR refers to the tilling and reseeding. FE refers to the fence enclosure. OG refers to the grass outside the fence. The same below. 圖1 研究區(qū)概況及采樣點Fig.1 Sketch map of study area and the sampling sites

2 材料與方法

2.1 樣地選取與土壤采樣

根據(jù)土壤砂礫石含量的不同，選取疏勒河上游翻耕補播地，圍欄封育地和圍欄外草地3種類型為研究對象，每種類型再選取3塊樣地作為重復，共計9塊樣地，在每塊樣地挖1個1.6 m深的土壤剖面，每個剖面分4層，分別為(0～20，20～40，60～100,100～160 cm)，每個土層取適量土樣帶回實驗室，自然風干后過2 mm篩孔。因研究區(qū)域有大量>2 mm砂礫石存在，所以，本研究只將土壤顆粒分為2級：>2 mm砂礫石組分和<2 mm非砂礫石組分。每個剖面不同土層的容重、孔隙度、機械組成測定均設為3個重復的平均值。

2.2 飽和導水率測定

利用常水頭滲透儀和變水頭滲透儀在實驗室內(nèi)對土樣的飽和導水率進行了測定。對于砂礫石含量大于40%的土樣利用常水頭滲透儀進行測定，其余土樣均用變水頭滲透儀進行測定。常水頭滲透儀為基姆式滲透儀，該儀器內(nèi)徑約為100 mm，筒高約400 mm，裝樣高度約為28 cm左右。變水頭滲透儀為TST-55型土壤滲透儀，儀器內(nèi)徑60 mm，高度40 mm。實驗方法嚴格按照《土工試驗方法標準》對樣品進行測定。利用常水頭滲透儀的實驗步驟為：1)取具有代表性的風干土樣3～4 kg裝入圓筒內(nèi)并敲擊筒外部，使土樣具有均勻的孔隙度，直到試樣高出測壓管3～4 cm，稱剩余土樣的質量用來計算試樣質量。從滲水孔向圓筒充水至試樣頂面，直到溢水孔有水溢出，靜置至試樣完全飽和。2)將調節(jié)閥分別放置在試樣上部1/3高度處、試樣中部、試樣下部1/3高度處，期間使溢水孔始終有水溢出并保持圓筒內(nèi)水位不變。3)當測壓管水位穩(wěn)定后，重復記錄各測壓管之間的水位差，時間段和滲出水量。利用公式計算：

k=QL/AHt。

式中：k為滲透系數(shù)，cm/s，Q為時間t內(nèi)的滲出水量，cm3；L為兩測壓管中心間的距離，cm；A為試樣的斷面積，cm2；H為平均水位差，cm；t為時間，s。利用變水頭滲透儀的實驗步驟為：1)將飽和試樣裝入滲透儀里的環(huán)刀，旋緊螺母。2)向變水頭管注水，使水升1.6 m高度后停止供水，開進水管夾，當出水口有水溢出時記錄水頭變化和時間間隔，重復記錄6次。3)利用公式計算：

式中：a為變水頭管斷面積，cm2；L為試樣高度，cm；t2、t1：記錄水頭的起始和終止時間，s；H1、H2為起始和終止水頭。本實驗中飽和含水量測定方法為烘干稱重法，即在實驗室內(nèi)將裝有土樣的環(huán)刀浸入水中直到飽和，然后烘干測定重量，計算飽和含水量。

2.3 導熱率測定

本實驗利用KD2 Pro高端熱特性分析儀(KD2 Pro，DECAGON，美國)進行研究區(qū)土樣的導熱率分析。KD2 Pro操作環(huán)境：-20～60 ℃，準確性：5%，量程：0.02～2 (W·m-1·℃-1)。實驗步驟為：1)將實驗土樣放置于烘箱中烘至恒重后稱量。2)常溫狀態(tài)下的實驗：將實驗土樣置于20 ℃環(huán)境中穩(wěn)定24 h以上后，向土樣中依次注水，用KD2測定土壤樣品在未凍結時不同含水率下的導熱率。3)凍結狀態(tài)下的實驗：向土樣中依次注入不同量水后，將KD2 Pro雙探針插入土壤樣品，將其置于-15 ℃的冰箱中12 h以上，待其凍結后，測定土壤樣品在凍結時不同含水率下的導熱率。4)將土壤樣品置于樣桶中，加水使其淹沒土樣，待24 h后，土壤樣品全部飽和，稱重計算其孔隙度，再根據(jù)2)、3)步驟，分別測定土樣常溫狀態(tài)和凍結狀態(tài)下的導熱率。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用origin軟件分析了飽和導水、導熱率與砂礫石含量的關系，在SPSS中利用單因素方差對不同類型樣地不同深度土壤的飽和導水率以及凍結狀態(tài)和未凍結狀態(tài)下的導熱率進行顯著性檢驗，并應用LSD對其結果進行差異性對比，顯著性水平P=0.05。最后在SPSS中利用相關分析法分析了飽和導水率和導熱率的影響因素。

3 結果

3.1 土壤基本物理性質

土壤物理性質見表1,可見：1)翻耕補播地和圍欄封育地隨著深度的增加，容重明顯增加，孔隙度逐漸減小，而圍欄外草地容重和孔隙度隨深度變化不明顯。翻耕補播地和圍欄封育地的60～160 cm土層的容重大于0～40 cm土層,孔隙度則反之。2)翻耕補播地和圍欄封育地100～160 cm土層的砂礫石含量分別達到73%和62%，0～10 cm土層砂礫石含量僅為6%和1%，隨著深度增加，翻耕補播地和圍欄封育地的砂礫石含量明顯增加。而圍欄外草地的砂礫石含量在土壤剖面的每個土層含量都很少。

表1 3種草地類型不同土層土壤物理性質Tab.1 Soil physical properties of different soil layers in three types of grassland

注：括號中數(shù)字為每種樣地不同土層物理性質的標準誤差, 下同。Notes: The number in parentheses is the standard error of the physical properties of different soil layers in each plot. The same below.

3.2 飽和導水率變化規(guī)律

3.2.1 飽和導水率與砂礫石關系 不同樣地飽和導水率與砂礫石關系如圖2所示。當砂礫石含量大于60%時，飽和導水率急劇變大，當砂礫石含量達到80%時，飽和導水率達到1.5 cm/s。翻耕補播地的飽和導水率隨著砂礫石含量的變多逐漸變大，圍欄封育地和圍欄外草地的飽和導水率基本在0.000 1～0.1 的范圍內(nèi)。

圖2 砂礫石含量與飽和導水率關系圖Fig.2 Relationship between saturated hydraulic conductivity and the gravel content

3.2.2 飽和導水率垂直變化規(guī)律 圖3反映了3種樣地飽和導水率隨土層深度的變化情況。從圖中可以看出，除過翻耕補播地的20～40 cm，圍欄封育地的0～20 cm以外，翻耕補播和圍欄封育地的其他土層飽和導水率都隨著土層的深度逐漸增大。而圍欄外草地的飽和導水率隨著深度的變化不明顯。3種樣地土壤表層和100～160 cm土層的飽和導水率差異顯著(P<0.05)。

不同小寫字母表示處理之間在0.05水平存顯著性差異, 下同。The different normal letters in the same column indicate significance among treatments at 0.05 level. The same below. 圖3 3種樣地飽和導水率比較及隨深度的變化差異分析Fig.3 Comparing of saturated hydraulic conductivity at 3 different sites and its variations soil depths

3.3 導熱率變化規(guī)律

3.3.1 導熱率與土壤濕度、砂礫石含量、凍融狀態(tài)關系 對于所有土層，在土壤干燥情況下，即土壤濕度(此處土壤濕度為土壤體積含水量和孔隙度的比值)為零時，導熱率在2種狀態(tài)下基本相同。向土樣中逐漸注入水分，凍結狀態(tài)下的土壤導熱率低于未凍結情況下的導熱率。隨著土樣濕度的增加，在10%～20%時，凍結狀態(tài)下的土壤導熱率逐漸高于土壤未凍結狀態(tài)下的導熱率，即當濕度低于某一閾值時，含水土壤凍結狀態(tài)下的導熱率低于未凍結狀態(tài)下的導熱率。另外，當土壤樣品濕度大致相同時，含砂礫石比重越大的土樣在凍結狀態(tài)和未凍結狀態(tài)下的導熱率高于含砂礫石比重小的土樣。翻耕補播地100～160 cm土樣凍結狀態(tài)下導熱率達到2.91，未凍結狀態(tài)下導熱率達到1.71。

3.3.2 導熱率垂直變化規(guī)律 3種不同砂礫石含量樣地垂直剖面導熱率變化規(guī)律如圖4所示，反映了3種樣地土樣飽和時，即土壤濕度為1時，在未凍結狀態(tài)和凍結狀態(tài)下導熱率隨土層深度的變化情況?？梢?，在未凍結情況下，除過翻耕補播地的20～40 cm，圍欄封育地的0～20 cm、100～160 cm以外,3種樣地的導熱率都隨著土層的深度逐漸增大。在凍結情況下，除過翻耕補播地的20～40 cm、100～160 cm，圍欄外草地的100～160 cm以外，3種樣地的導熱率都隨著土層的深度逐漸增大。而圍欄外草地飽和時凍結狀態(tài)下導熱率隨著深度的變化不明顯。翻耕補播地的表層和100～160 cm的導熱率差異顯著(P<0.05)。

圖4 3種樣地土樣導熱率與土壤濕度關系(圖中圓圈越大代表土樣砂礫石含量比重越大)Fig.4 Relationships between thermal conductivity and soil moisture at 3 different sites and soil depths (The larger circle represents a higher proportion of gravel content of soil samples)

圖5 3種樣地土樣飽和狀態(tài)下導熱率比較及隨深度的變化差異分析((a) 未凍結狀態(tài) (b) 凍結狀態(tài))Fig.5 Comparing of soil thermal conductivity in the saturated state at 3 different sites and its variation with soil depths((a) unfrozen. (b) frozen)

3.4 飽和導水率和導熱率的影響因素

土壤的飽和導水率、土壤飽和時未凍結狀態(tài)和凍結狀態(tài)下的導熱率均與土壤密度，>2 mm的砂礫石含量呈正相關，與孔隙度、<2 mm的非砂礫石含量呈負相關(表2)。土壤飽和時未凍結和凍結狀態(tài)下的導熱率與其他因子的相關性均達到極顯著水平(P<0.01) ，土壤飽和時未凍結狀態(tài)下的導熱率和>2 mm砂礫石含量相關系數(shù)達到0.85，土壤飽和時凍結狀態(tài)下的導熱率和>2 mm砂礫石含量相關系數(shù)達到0.90(表2)。

4 討論

本研究利用常水頭滲透儀和變水頭滲透儀得到了疏勒河上游翻耕補播地，圍欄封育地和圍欄外草地這3種砂礫石含量不同的樣地土壤垂直剖面的飽和導水率，在3種樣地的100～160 cm,翻耕補播地的飽和導水率最高，其次為圍欄封育地，圍欄外草地最低。這表明在翻耕補播地的深層，入滲性能最強，這與其含有大量砂礫石有關，砂礫石含量>60%以上。潘永杰等[3]指出礫石對土壤孔隙的影響可能主要在于減小了孔隙度、增加了土壤孔隙的彎曲度、增加了土壤大孔隙的比例。目前，飽和導水率的測定方法，包括實驗室測定法和野外原地觀測法，實驗室測定法有定水頭滲透儀法和變水頭滲透儀法。不同土壤導水率測定方法由于其測定原理和過程的不同，加之土壤較高的空間變異性，其測量結果往往有所差異[28]。由于土樣帶回實驗室后，已破壞了土壤原有的物理結構，對測量結果造成一定影響。今后可以利用更先進的方法和更成熟的方案對含有大量砂礫石的土壤進行其飽和導水率的測定。

表2 飽和導水率、導熱率與土壤物理性質相關性Tab.2 Correlation coefficients among soil saturated hydraulic conductivity, thermal conductivity and physical properties

注：**表示P<0.01顯著相關，*表示P<0.05顯著相關。Notes: **： Significant correlation atP<0.01. *： Significant correlation atP<0.05.

筆者利用KD2 Pro導熱儀測定疏勒河上游圍欄外草地，圍欄封育和翻耕補播草甸3種類型樣地不同土層、不同濕度，不同凍融狀態(tài)下的導熱率。在土壤干燥情況下，即濕度為零時，導熱率在未凍結和凍結2種狀態(tài)下基本相同。向土樣中逐漸注入水分，凍結狀態(tài)下的土壤導熱率低于未凍結情況下的導熱率。隨著土樣含水量的增加，濕度達到10%～20%時，凍結狀態(tài)下的土壤導熱率逐漸高于土壤未凍結狀態(tài)下的導熱率，即當濕度低于某一閾值時，含水土壤凍結狀態(tài)下的導熱率低于未凍結狀態(tài)下的導熱率。這可能是由于土壤中未凍水的存在產(chǎn)生了一定影響，F(xiàn)AROUKI O T[29]通過研究指出，凍土中的未凍水在促進熱量傳輸中起到重要的作用。李韌等[30]研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)冬季導熱率較小的情況，指出表層細粒土壤及較小的未凍水含量是研究區(qū)域凍結狀態(tài)下導熱率偏小的一個重要原因，另外，INABA H[31]指出，凍土中的凍脹現(xiàn)象及冰透鏡體的出現(xiàn)破壞了土壤的結構，使土壤顆粒間的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，并指出未凍水含量與晶粒尺寸，初始含水量有密切關系，這是導致凍土有效導熱率在較小含水量時減小的另一個可能原因。未凍結狀態(tài)下，水的導熱率約是空氣的20倍，增加土壤濕度，即土壤空隙中水分增加，從而增加了土壤礦物骨架之間的聯(lián)系，使土壤導熱率快速增加，繼續(xù)增加水分,當含水量在最大含水量至液限含水量之間時，水化膜厚度增大,顆粒間形成面接觸,熱導率增大速度變緩；顆粒間接觸充分后,繼續(xù)增加水分會引起孔隙內(nèi)水分增加,顆粒間有效接觸面增加不明顯，此時，土壤導熱率變化平緩，逐漸接近某一固定值[32-33]。凍結狀態(tài)下，起初土中水處于過冷狀態(tài)，水分子不活躍，與未凍結狀態(tài)相比，水分增加礦物顆粒之間的作用不明顯，因此導熱率變化速率較慢，隨著土中冰晶的出現(xiàn)和增多，冰的導熱率約為水的4倍，此時導熱系數(shù)迅速增大，隨著土壤含冰量增大，冰在土壤導熱中起主導作用，冰晶使導熱系數(shù)迅速增大的作用減弱，導熱率變化變緩[33]。另外，當土壤樣品濕度大致相同時，含砂礫石比重越大的土樣在凍結狀態(tài)和未凍結狀態(tài)下的導熱率高于含砂礫石比重小的土樣。翻耕補播地每個土層的導熱率都基本大于圍欄封育和圍欄外草地的相同土層，這是由于翻耕補播地每個土層的砂礫石含量都高于其他2個樣地的相同土層。

本研究中土樣的飽和導水率和導熱率是在實驗室內(nèi)進行測定，和野外測量比較相對方便，對于砂礫石的分析更準確，尤其土樣凍結狀態(tài)下的導熱率在野外不容易測定。本研究中砂礫石含量越大飽和導水率越大這一結果與張湘潭等[34]的研究結果一致。李韌等[30]觀測發(fā)現(xiàn)研究區(qū)4個站點土壤的導熱率在冬季更小，而通常情況下是凍土的導熱率更大，這與本實驗導熱率測定相一致。因此，本實驗測定結果不僅可以指導野外觀測，對于潘永杰等[3]、羅斯瓊等[4]等提出的陸面模式中沒有考慮砂礫石影響這一問題提供了更多的參數(shù)參考。

5 結論

疏勒河上游地區(qū)不同類型樣地的不同土層砂礫石含量有較大差異；土壤飽和導水率，導熱率隨土層深度不同而有較大差異，疏勒河上游高寒草地土壤飽和導水率和導熱率有著較高的空間異質性；砂礫石含量對土壤飽和導水率，導熱率有著顯著影響，在將來的模式模擬研究中必須考慮砂礫石對土壤水熱屬性的影響，進而提高土壤水熱狀況模擬的精度。