大气--覆被--冻融土壤系统水热能量变化规律及传递机制研究

摘要

在季节性冻土区，受环境驱动作用的影响，土壤在冻融循环过程中伴随着水热的运移及能量的交换传递作用。为明确实际情况，并对野外大田条件下土壤水热运动过程进行深入的研究，本文将大气、覆被、土壤三者视为一个复合系统，对系统内各项参数进行实时监测。本研究基于野外大田试验，利用自动观测及人工观测的连续时间序列数据，研究了不同覆盖模式下土壤水热变异规律，筛选了对土壤水热贡献度较大的气象因子;根据土壤水热的相变、迁移过程，核算土壤能量收支平衡量值，进而分析能量传递转化在空间尺度的变异效果;采用小波变换分形理论评价了土壤水热的复杂性变异性效果，基于此，建立了土壤水热响应关系函数，定量的描述不同时段内土壤水热的传递关系;最后，利用CoupModel模型对不同覆盖处理条件下的土壤水热进行的动态模拟，该研究为松嫩平原黑土区的水土资源高效利用以及区域生态与农业的可持续发展提供科学的理论依据，主要的研究成果如下: (1)冻融循环过程中，在土壤垂直剖面上，随着土层深度的增加，土壤水分、温度的变化幅度逐渐的降低。而不同的积雪-秸秆协同覆盖处理导致其呈现出一定的差异性效果。在快速冻结期和稳定冻结期，随着积雪和秸秆覆盖量的增加，土壤水分和温度的变异幅度逐渐的减弱，而在融化期内，自然降雪覆盖处理条件下，融雪水的入渗导致了土壤含水率的变异幅度出现骤然增加，而秸秆的覆盖作用调节了土壤水热的变异特性，并且随着秸秆覆盖量的增加，土壤水热变异特性逐渐的稳定。 (2)冻融土壤与环境之间进行着频繁的能量交换过程，在垂直剖面上，随着土层深度的增加，土壤能量的传递交换程度逐渐的降低。在裸地处理条件下，快速冻结期内，表层10cm土层处的能量占比为44.28％，其相对于20cm、30cm、40cm土层处比占比别提升了27.34％、30.27％和33.56％，表明随着土层深度的增加，其能量收支效果逐渐的减弱。同时，伴随着积雪和秸秆的覆盖，表层土壤能量占比与深层土壤占比之间的差异逐渐的减弱，其差异性由大到小依次表现为:裸地处理＞自然降雪＞自然降雪+5cm秸秆＞自然降雪+10cm秸秆。并且随着土层深度的增加，土壤能量的收支变化趋势减弱。 (3)土壤试验期内，土壤能量的收支平衡效果主要分为三类，即:能量吸收、能量释放和无变化。具体统计各种平衡效果的时间节点可知，快速冻结期内，能量释放的时间节点比重较大，而随着积雪和秸秆覆盖量的增加，其比重逐渐缩减，其中，自然降雪、自然降雪+5cm秸秆和自然降雪+10cm秸秆覆盖处条件分别相对于裸地处理减小了9.54％、13.56％和21.55％。而在稳定冻结期内，能量无变化的时间节点比重较大，随着并且随着积雪和秸秆覆盖量的增加，其比重逐渐表现为依次增长的趋势。而在融化期内，能量吸收的时间节点比重较大，并且在积雪和秸秆的覆盖处理条件下，其比重逐渐的缩减，表明覆盖处理在一定程度上抑制了土壤能量的吸收与支出。 (4)土壤能量的收支平衡效应导致其净能量时间内序列呈现出一定的周期性变化效果。具体分析可知，在空间尺度上，随着土层深度的增加，土壤净能量序列整体表现为逐渐增大的趋势。在快速冻结期内，随着积雪和秸秆覆盖量的增加，土壤能量的变化周期逐渐的增大，并且在稳定冻结期内，其周期的变化趋势快速冻结一致，而在融化期内，自然降雪覆盖处理条件下的土壤能量变化的周期骤然增加，其显著的高于裸地处理，而伴随着秸秆的填充覆盖处理，其变化周期出现了一定程度的降低。 (5)在研究中发现各个土层与表层10cm土层差值序列的拟合曲线符合Logistic曲线。并且借助该方法对土壤活动的临界层位置进行了界定。从土壤水热水热的临界层活动位置分析可知，随着积雪和秸秆覆盖量的增加，其水热活动的临界层逐渐的提升，并且改方法的界定效果较好，其界定值与实测值之间的误差控制在5％以内。 (6)土壤冻结融化过程中，其水热存在着一定的互作响应关系。在快速冻结期，土壤水热之间的关系曲线符合高斯函数，其关系曲线类型符合弧形增长趋势。而在稳定冻结期，随着环境温度的降低，土壤含水率的变化趋势较为微弱，二者之间关系曲线近似的复合指数增长，而在融化期期内，二者的关系符合“S”型曲线。在垂直剖面上，随着土层深度的增加，土壤水热互作响应函数的拟合精度逐渐的降低，二者的响应关系依次的减弱。而积雪的覆盖在融化期较大程度的干扰了二者的关系效果，而秸秆的填充覆盖改善其相互作用关系。 (7)在分析与评价的基础之上，利用CoupModel模型对冻融循环过程中的土壤水分和温度进行了动态模拟，该模型的模拟精度较高，并且能够较好实现水热迁移过程的定量模拟。而积雪的覆盖在对土壤的水热参数产生了一定的扰动，其模拟精度有所降低，而秸秆与积雪的协同覆盖处理使得模型的模拟效果有所提升。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 立题依据

1．2 研究目的及意义

1．3 国内外研究动态

1．3．1 土壤冻融物理过程

1．3．2 冻融土壤水热互作效应研究

1．3．3 冻融土壤与外环境的能量平衡效应

1．3．4 冻融土壤水热过程模拟与预测

1．3．5 存在问题及发展趋势

1．4 研究内容

1．4．1 冻融土壤水热变异规律及敏感性因子识别

1．4．2 冻融土壤能量收支过程及响应机理探究

1．4．3 冻融土壤水热复杂性评价及响应关系研究

1．4．4 冻融土壤水热过程动态模拟

1．5 技术路线

2 区域概况与试验方案设计

2．1 研究区概况

2．1．1 地形地貌

2．1．2 研究区域气象条件

2．1．3 土壤条件

2．2 田间试验方案设计

2．3 测定内容及方法

2．3．1 土壤基本物理指标测定

2．3．2 冻融期土壤水热监测

2．3．3 冻融期土壤冻深监测

2．3．4 试验区气象数据观测

3 大气-覆被-冻融土壤系统相关概念界定及特征分析

3．1 大气环境系统组成及热量传递机理

3．1．1 大气环境系统

3．1．2 大气环境热量传递机理

3．2 雪被水文过程及特性变异机理

3．2．1 积雪水文学

3．2．2 积雪特性变异机理

3．3 土壤水热动态变化过程

3．3．1 土壤生态系统土壤热平衡过程

3．3．2 土壤水文动态过程

3．4 大气-覆被-冻融土壤互馈机制关系

3．4．1 大气-积雪关联响应关系

3．4．3 大气-土壤互作驱动关系

4 大气-覆被-冻融土壤系统土壤温度时空变化规律研究

4．1 积雪水热变异响应特征分析

4．1．1 气象因子日均变化规律

4．1．2 积雪温度变异特征

4．1．3 积雪含水率变异特征

4．2 土壤冻结过程差异性分析

4．2．1 土壤冻结时段划分

4．2．2 土壤冻结速率差异

4．2．3 土壤冻深对负积温的响应

4．3 土壤冻结过程水热变异特征

4．3．1 土壤温度变化规律

4．3．2 土壤温度空间变异特征

4．3．3 土壤含水率变化规律

4．3．4 土壤含水率空间变异特征

4．4 覆被-土壤水热变异敏感性因子识别

4．4．1 灰色关联方法介绍

4．4．2 积雪水热变异环境因子响应研究

4．4．3 土壤水热变异环境因子响应研究

4．5 本章小结

5 大气-覆被-冻融土壤系统土壤能量传递效应及响应机理研究

5．1 土壤热量传递计算方法

5．1．1 冻融土壤能量传递概述

5．1．2 冻融土壤能量计算理论方法

5．2 土壤热量时空分布特征

5．2．1 土壤能量结构特征

5．2．2 土壤能量收支平衡特征

5．2．3 土壤热量双向传递特征分析

5．3 土壤热量变异周期性识别

5．3．1 土壤能量周期监测方法

5．3．2 土壤能量变化趋势

5．3．3 土壤能量周期性识别

5．4 土壤热量传递响应机理研究

5．4．1 土壤热量传递响应因子识别

5．4．2 土壤热量传回归方程构建

5．4．3 土壤热量传递响应关系分析

5．5 本章小结

6 大气-覆被-冻融土壤系统土壤水热复杂性测度及水热响应关系

6．1 冻融土壤水热变异复杂性评价理论

6．1．1 小波变换理论

6．1．2 分形理论

6．1．3 基于小波变换的分形理论

6．2 土壤温度复杂性变异特征

6．2．1 快速冻结期土壤水热复杂性评价

6．2．2 稳定冻结期土壤水热复杂性评价

6．2．3 融化期土壤水热复杂性评价

6．3 土壤水热活动临界层界定

6．3．1 土壤温度方差变异分析

6．3．2 土壤含水率方差变异分析

6．3．3 土壤水热活动分界层求解

6．4 冻融土壤水热响应关系

6．4．1 地表环境温度和土体温度的关系

6．4．2 环境湿度对水分迁移的影响

6．4．3 快速冻结期土壤水热响应效果

6．4．4 稳定冻结期土壤水热响应效果

6．4．5 融化期土壤水热响应效果

6．5 本章小结

7 大气-雪被-冻融土壤水热动态过程模拟

7．1 基于CoupModel模型的土壤水热动态模拟

7．1．1 模型简介

7．1．2 模型所需参数

7．2 模型原理

7．2．1 土壤热量迁移过程

7．2．2 土壤水分迁移过程

7．2．3 土壤冻结过程

7．2．4 积雪过程

7．3 模型运行及参数率定

7．3．1 模型输入

7．3．2 参数估计

7．3．3 模型评估与检验

7．3．4 模型率定

7．4 土壤数水热动态过程模拟

7．4．1 不同覆盖处理条件下土壤温度模拟

7．4．2 不同覆盖处理条件下土壤水分模拟

7．4．3 模拟效果差异性机理分析

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文