季节性冻融土壤水分迁移规律的研究

1、科技情报开发与经济文章编号：（）年第卷第期收稿日期：季节性冻融土壤水分迁移规律的研究吕棚棚（山西省水利科学研究所，山西太原，）摘要：论述了季节性冻融土壤水分迁移对农业生产的影响，探讨了冻融土壤水分迁移在水资源评价中的作用，同时介绍了冻土学研究进展。关键词：冻融土壤；水分迁移；土壤水资源中图分类号：文献标识码：土壤和水是自然环境和农业生产的基本资源，与人类的生产和生活密切相关。土壤和水作为一个系统，与外部环境不断进行着物质和能量的交换，同时水分在土水系统内也进行着复杂的运动和迁移，且水分运动的同时伴随着热量和溶质的传输。土壤水分是土壤三相组成中最活跃的因素，当土壤温度降低到土壤冰点时，水分就会发

2、生相变，因此，季节性冻土是一种含冰晶质的特殊土水系统，是由颗粒相互连接而成的多成分多相体系。据研究，地球上中纬度的大部分地区受季节性冻融作用影响。中国以北地区，面积为×季节性冻土主要分布于北纬°，约占全国国土面积的，且大多属于干旱、半干旱的水资源短缺地区。中国北方内陆盆地，每年约在月进入冻结期，冻融作用一直持续到翌年月底，历时个月左右。在季节性冻融期，土壤的冻融过程伴随着水分的相变、冻融土壤的相变及其伴生现象使得本来就不稳定的土水系统变得更加复杂。在土壤冻结过程中，冻结区水分冻结成冰，冰水共存，使土壤水热状况发生变化，土水系统的动态平衡遭到破坏，水分在土水势梯度作用下不断从

3、未冻区向冻结区迁移，其结果是冻结区冰的含量不断增加，引起土体冻胀。随着气候的逐渐变暖，土壤从表层开始融化，而其下面的冻结层阻碍上层融水的下渗，导致上层土壤含水率增加，出现春涝翻浆等现象。也就是说，冻融过程中，土壤的水、热状况发生了剧烈的变化。因此，研究冻融土壤水热变化规律是非常必要的。冻融土壤中水分运动作为自然界水循环的一个重要环节，在农业、水资源、环境及人类工程中占有极其重要的地位。冻融土壤水分迁移在水资源评价中的作用水资源是人类赖以生存的自然资源之一，当今世界面临的人口、资源、环境和生态四大问题无不与水密切相关，其不仅是工农业的命脉，也是国民经济的命脉。随着社会的进步和经济的发展，人类社会

4、对水的需求愈来愈迫切，水资源已经成为社会经济可持续发展的至关重要的制约因素。（大气降水、地表水、土壤水和地下水）处于不断的地球上的“四水”循环和转化之中，非饱和土壤水将地表水和地下水联系起来，土壤水分入渗、迁移、腾发与转化是水循环的重要环节，研究其规律对于地下水资源的补给与消耗的确定以及地表水资源与地下水资源的合理开发利用“四水”转化关系的研究中具有重要地位。如在地下水具有重要意义，在资源的评价与计算中，潜水蒸发、河渠补给和灌溉入渗补给是其补给及消耗项的主要组成部分。非冻融条件下上述各项资源量的计算依据研究较为深入，而冻融条件下的有关参数的研究甚少。冻融土壤的水分运动规律的研究可以为季节性冻融

5、期潜水蒸发量、河渠补给量和灌溉入渗补给量的计算提供依据，有助于合理评价地下水资源。此外，与地表冻融有关的工程冻胀、盐胀、土壤中污染物迁移等问题的解决也依赖于冻融条件下土壤水分运动的研究。同时，冻融土壤水分迁移的研究对于土壤盐碱化防治具有重要意义。冻土水分迁移研究进展冻土学研究概况关于冻土学较为系统的研究始于世纪末期，年俄国成立了冻融土壤水分迁移对农业生产的影响土壤冻结过程中的冻胀及融化过程中的沉陷等作用，会给作物根系冻土研究委员会，开始对冻土进行比较广泛的研究。进入世纪以后，在前苏联时代，冻土学研究发展较快，研究问题涉及冻土物理学、冻土力学、土壤水热改良、工程稳定性等。在美国、加拿大等国家从世

6、纪中期开始，由于自然资源的开发推动了冻土学研究的不断发展。年举行了第一届国际冻土大会（，简称生长带来不利影响。在地下水水位埋深较浅的地区，冻结期盐分随水分运动迁移至表层，消融期由于水分的不断蒸发，盐分便积累在表层，从而出现地表泛盐和作物因生理脱水而死亡等现象。如内蒙古河套灌区，地下水位较高，灌水量大，排水不畅，一年内有半年以上时间存在土壤冻结融化现象，地表盐分较高，对春小麦的播种和苗期的生长十分有害。在农业生产中，土壤是陆生植物的水分源泉，热量则是生物赖以生存、繁衍的基础。土壤中许多物理的、化学的和生物的过程都需要在一定的水分、温度下进行，水分、热量条件是影响植物分带及作物产量的决定性因素。在

7、我国北方的大中型灌区，绝大部分冬春灌溉都是在地表负积有冻层的条件下进行的，冬春灌溉后土壤水分的保持和迁移，农田灌溉合理灌水技术参数的确定都与土壤水分运动密切相关。而且随着水资源的日益紧缺，我国农业用水面临的问题极为严峻，农业节水灌溉和高效用水已成为全社会关注和重视的问题之一，如何合理高效地利用土壤水资源与掌握冻融土壤水分迁移规律密不可分，如在中国北方地区春季造林要把握造林时机和栽植树苗深度。在地下水深埋区，进行秋冬灌溉储水，可以充分利用土壤冻融作用对土壤剖面水分再分布，使土壤在溶解后保持较好的墒情，满足春小麦生长的需要。），标志着冻土学的研究进入了新的阶段。此后从年起每隔年举行一次，以交流各国

8、在冻土学领域内的研究成果。在年举行的第四届上，由中、俄、美、加四国倡议成立了国际冻土协会（，简称）。我国的冻土学研究在新中国成立后才开始起步，但发展较快，目前在冻土方面的研究已达到世界先进水平。从世纪年代开始，先后有东北水利科学研究院、长春水利科学研究所、哈尔滨工业大学土木工程系、北京建筑科学研究院以及中国科学院兰州冰川冻土研究所等开展了冻土学方面的研究。进入年代后，铁路、交通、水利和林业等部门的有关单位逐步开展了有关的现场观测工作。年成立了中国地理学会冰川冻土分会，并举行全国冰川冻土学大会，交流国内外相关领域的研究进展，对推动冻土学的研究起到了很大的促进作用。其后，中国科学院兰州冰川冻土研究

9、所开展了较为系统的相关室内试验研究。季节性冻融土壤水分迁移研究存在的问题科技情报开发与经济文章编号：（）年第卷第期收稿日期：从思维方式的变革看科学革命李强，李静（中国地质大学（武汉）政法学院，湖北武汉，）摘要：对关于科学革命的诸多争论进行了介绍，从科学思维方式的变革的角度探讨了两次科学革命。关键词：科学思维方式；科学革命；还原论中图分类号：文献标识码：（）科学渐进论。归纳主义者认为科学的发展是绝对真命题的积累，随着经验观察深入，科学知识呈现出量的积累，没有革命、中断和质的飞内格尔在科学的结构中提出，科学发展表现为跃。如年美国“一个相对自足的理论为另一个内涵更大的理论所吸收，或者归化到一个内涵更

10、大的理论。”内格尔认为有两种形式归化：一是同质归化。在这实质上相同的种归化中，一条定律被归并到并利用出现在该定律中的、概念的一个理论中去，如伽利略落体定律被归并到牛顿力学中。二是异质归化。异质归化是“一条定律通过演绎包容在一个缺乏表达该定律所用的一些概念的理论内”，如经典热力学统计力学。（）科学革命论。持这种观点的学者认为，科学是通过一系列的革命而进步的。按照这种模型，比通常增长量大很多的科学发展，例如牛顿、拉瓦锡、达尔文、卢瑟福或爱因斯坦等人的科学活动，可以构成了一场革命；革命的发生是一个又一个本身很小的进步累积而成的。然而，如此重要的科学领域中的重组活动，即使有人认为它们的确发生过，其发生

11、也会被认为是极为罕见的。库恩、科恩则是科学革命论的代表人物。库恩科学革命的结构是开创科学革命论的标志性著作。可以年出版的“科学革命论”成为主流和时髦，好像现在不讲说，库恩和科恩的努力使“科学革命的实质是某一自然研究领域内占主导地位的科学观念发生了重大更替。这里，科学观念指的是作为该领域科学研究基础的那些形而上的知识成分。它与具体理论相比具有总括性、规范性、抽象性、稳定性和信念性等特点。”我们认为，科学革命实质是科学思维方式的变革。科学思维方式在一定意义上是指思维主体的认识定式和认识运行模思维运作的“逻辑”等诸多“精神定向”的方式，它不仅表现为思维倾向、面，而且还表现为对一定历史时期的科学活动起

12、引导和规范作用，包括为科学研究活动提供一套科学信念、基本原理、理论模式和操作方法等，因而它是一定历史时期科学活动和科学理论的思维基础和逻辑前提。科学思维方式的本质决定了它不可能脱离科学活动和科学发展而孤立存在，二者是一个双向互动的过程。科学发展的深层本质即是科学思维方式的变革，或者说科学革命是科学思维方式变革的结果。关于科学革命的争论有无科学革命的争论关于有无科学革命的争论，一直以来并没有一致的观点，目前主要存在着种观点：冻融土壤水分迁移规律的研究是冻土学的研究内容之一，目前主要研究成果有：周德源对内蒙古河套灌区季节冻土水分迁移规律作了研包气带土壤水分含量及土水势究；张立杰采用野外试验手段，通

13、过气象、能的观测分析，研究了季节性冻融土壤水分在冻融过程中的迁移规律及潜水的形成特征；尚松浩等对冻融土壤水、热耦合迁移的数值模拟方法进行了改进；高永等研究了土壤冻结过程中水分迁移动向；李伟强研究了硬壳覆盖条件下冻融期土壤水盐运动规律；郑秀清等根据土壤中能量和质量守衡定律、地表能量平衡及空气动力学理论建立了冻融条件下土壤水热耦合迁移模型；郭占荣等分析了冻结期和冻融期土壤水分迁移特征；刘海昆以北方冻土的实验资料，对冻土的变化过程进行了分析，并就冻土对土壤水分的动态影响进行了综合分析；朱春鹏等对季节冻土区高速公路路基土中的水分迁移变化进行了分析。综合现有研究成果，冻融土壤水分迁移规律的研究有以下问题亟待解决：一是研究成果地表条件单一，没有考虑地表条件对水分迁移的影响；二是用以直接解决农业生产实际问题的成果相对薄弱；三是冻融期浅层地下水和土壤水之间转化关系的研究较薄弱。!结语冻融土壤水分迁移的研究在水资源评价、农业生产以及土壤盐渍化防治等方面具有重要意义。在季节性冻土分布区，非饱和带的土壤水分状况主要取决于冻融期不同地表条件下土壤水分的运动与保持特点，探索不同地表条件下的