季节性冻土区土壤剖面水分空间变异特征

季节性冻土区土壤剖面水分空间变异特征

作为自然界水循环的重要组成部分，季节性冷冻系统的水运动在农业、水资源和机械工程等方面发挥着极其重要的作用。对季节性冻土区土壤水分变化进行深入研究、掌握其运动规律,不仅有助于推动非饱和带土壤中水分迁移理论的发展,而且可为综合评价地表、地下水资源,有效利用土壤水资源,合理确定农田灌溉技术参数,水土保持及环境保护等提供科学依据,因此,研究土壤冻融过程中的水分运移规律问题无论在理论上还是在指导生产实践上都具有重要意义。冻土水分运动理论研究随着土壤水分形态学观点到能态学观点的转变有了长足的进展,其方法研究也由基于冻土物理学试验的定性描述发展到基于数值分析与模拟的定量研究。然而,土壤冻融过程伴随相组成的变化使得季节性冻融土水体系变得复杂,加之季节性冻土水分空间非均一性(即空间变异性)的客观存在,使现有方法在分析季节性冻融过程中土壤水分变化时显得力不从心。地统计学是研究系统属性空间变异的理论,该理论在非冻结土壤水分空间变异研究中已有应用,但在季节性冻土剖面水分变化规律方面的应用研究极少。因此,本文尝试运用该方法研究季节性冻土区不同时期土壤剖面水分的空间变异性,以期为相关领域的研究与实践工作提供参考。1材料和方法1.1试验设计与观测本次观测试验在黑龙江省水利科学研究院的哈尔滨水利综合试验站进行。哈尔滨市位于黑龙江省南部及中国东北黑土带的中部,属温带大陆性季风气候,年平均气温3.6℃,冬季严寒,春季干燥多大风,1月份平均气温-20.3℃,无霜期平均为141d,年平均降雨量523.3mm,年平均降雪量为63.1mm,无常年冻土层,年均冻深1.75m左右。本试验以旱田土壤水分为研究对象,在2008~2009年的整个土壤冻融期利用CNC503B型中子水分仪对土壤剖面水分进行观测,在同一纵剖面每隔2m埋设1根中子仪探管(共计10根),每根中子仪探管设8个测点,分别为20、40、60、80、100、140、180、220、260cm;冻深由TB-1型冻土器观测;积雪情况人工观测;气象资料来自于试验站内的自动气象站。1.2地统计学在地统计学中的应用地统计学是研究土壤特性空间变异性的最主要方法。自1963年法国著名的统计学家MatheronG提出地统计学概念以来,经过几十年的发展,地统计学已经广泛的应用到土壤学、生态学、地质学、水文学、气象、资源环境等诸多领域。地统计学的理论与方法不仅能保持空间变量的自相关性,而且能够使实测点处的模拟值等于实测值,可用较少的采样点模拟许多未知信息和空间分布,大幅降低野外采样和观测工作量,增强数据分析的直观性。2结果与分析2.1土壤剖面水分块基比及空间相关性分析半方差分析是地统计学中研究系统属性空间变异结构的基础,本文以不同特征时期季节性冻土剖面水分观测资料为基础,运用GS+7.0软件进行半方差分析(表1)。研究区不同时期土壤剖面水分数据的半方差分析结果表明,不同时期的土壤剖面水分都具有良好的空间结构。块基比的大小可以反映系统变量的空间相关性程度,小于25%,表明系统变量具有强烈的空间相关性,大于75%,则空间相关性很弱。研究区2008年10月29日、2009年5月19日及6月2日的土壤剖面水分的块基比均小于25%,说明该3个时期的土壤剖面水分具有强烈的空间相关性;而其它时期土壤剖面水分的块基比在29.4%~56.8%之间,属于中等的空间相关性。土壤剖面水分具有强烈空间相关性的3个时期分别属于未冻期及土壤融化末期,说明土壤冻结过程对土壤剖面水分的空间相关性影响较大,明显削弱了主要冻结时期的土壤剖面水分空间相关性。比较不同时期土壤剖面水分变程,以上3个时期同样具有相对较大的变程,在空间上具有较大的相关距离,进一步说明土壤冻结过程对土壤剖面水分空间变异结构特征的影响。2.2土壤冻结对土壤水分的影响利用ArcGIS9.0软件中的地统计学模块(GeostatisticalAnalyst)对不同时期土壤剖面水分进行空间局部估计并绘制空间分布图(图1)。图1中θ表示土壤体积含水量。从研究区不同时期土壤剖面水分的空间分布图可以看出,总体上土壤剖面水分含量下层大、上层小;上层空间分布复杂,下层简单;上层空间分布特征随土壤冻融过程的推进显示出较大的变异,而下层变异则相对较小,且变异主要集中在土壤水分含量上,其空间分布形态基本保持不变。土壤剖面水分在整个冻融过程中具有明显的空间结构特征,在研究剖面上可分为上、中、下3个层次,由于受到各层次固有空间位置、土壤冻结状态、环境条件等因素的限制和影响,每个层次都表现出独立的空间分布规律和变化特征。为了能够更深入地揭示研究区不同时期土壤剖面水分空间变异特征的成因,将不同时期土壤冻融状态及环境条件列于表2之中(其中气象相关资料均为日平均数据;2009年6月2日冻结土壤已全部融通,因此没有冻深及融深)。在季节性冻融过程中土壤剖面水分迁移的主要驱动力为土水势梯度;未冻水迁移是冻土中气、液和固相迁移中的主要方式;温度是导致土中水相变、制约冻土中未冻水含量以及相应制约土水势的一个主导因素。而冻深和融深与土壤温度之间存在着密切关系,是温度梯度变化的具体体现,因此,根据冻深与融深的发展可分析土壤剖面水分(特别是土壤剖面中、下层)空间分布变化的原因。比较2008年10月29日(未冻期)与2008年12月19日(冻深0.65m)的土壤水分空间分布图可以发现两个特点:一是0.6~0.8m的土壤剖面水分含量明显上升;二是后者0.6~1.0m之间的土壤剖面水分空间分布状态较前者更加具有层次性。当土壤冻结时,其冻结锋面上产生较大的温度梯度,使得其下层土壤水分向该锋面迁移和聚集,同时土壤水分发生相变并滞留于冻结锋面,随着冻深的发展土壤水分会依次向冻结锋面运移,因此当土壤冻深发展至0.65m时,其附近土层的含水量会明显上升;土壤冻结使土壤水分向冻结锋面同向迁移,加之土壤水分在冻结锋面处发生由液态到固态的相变,对土壤水分起到了重分布作用,使得冻结土壤及其附近的含水量空间分布呈条带状,具有一定的规律性。上层土壤冻结,中层土壤含水量因土壤水分向冻结面聚集而减小(上渗),下层与中层土壤之间土水势梯度的存在使中层土壤对下层土壤进行少量水分补给(下渗),因此在稳定冻深发展期中层土壤会出现一个土壤含水量低值带(即发散型零通量面),而且该低值带始终位于冻结面之下,并随冻深的发展而向下移动。2008年12月19日、2009年1月10日、3月16日及3月27日依次为冻深稳定发展期的4个阶段,与其冻深0.65、0.98、1.60、1.67m相对应的土壤含水量低值带中心大致位置分别在1.20、1.50、1.70、1.80m,与冻深的发展相吻合。土壤融化与土壤冻结过程存在着明显的不同,土壤融化过程是双向的,即土壤表层与最大冻深界面分别向下、向上融解。本次试验土壤表层融化始于2009年4月初,6月2日全部融通,2009年4月23日的日平均气温和地面温度已分别达到了7.2℃和11.3℃,表明土壤已进入稳定融化阶段。在融化初期,土壤上层具有较高的含水量(如2009年4月23日),在融化中后期,上层土壤含水量受蒸发的影响而普遍降低;土壤融化的下界面自下而上移动,土壤水分由固相转变为液相之后在重力场的作用下向下迁移使下层土壤含水量有所上升(如2009年5月19日);比较土壤融通(2009年6月2日)与未冻期(2008年10月29日)土壤剖面水分的空间分布,两个时期土壤各层含水量存在很大差异,说明土壤冻融过程对其剖面水分有重分布作用。土壤表层蒸发与气象、含水量、土壤物理结构等因素有关,非冻期土壤表层水分受土壤蒸发的影响较大,而在土壤冻结稳定发展期,由于表层土壤始终处在冻结状态且地面温度与气温均较低(如2008年12月19日至2009年3月27日的日平均地面温度及气温),其内部少量的未冻水蒸发量较小,因此蒸发作用导致的表层土壤含水量变化较小。在稳定冻结期土壤表层含水量空间分布的较小变化主要由积雪融化引起,2008年12月19日至2009年1月10日间有3次小规模降雪过程,2009年3月16日至3月27日间有两次大规模降雪过程。在融化期表层土壤水分相变后其含量主要受蒸发作用的影响,自2009年4月23日起地面温度、气温及净辐射照度均为正值,这为土壤表层蒸发提供了良好条件,虽然风速和相对湿度在冻结和融化期差异不大,但从融化期土壤表层含水量空间分布图中可以看出,随着时间的推移表层土壤水分含量变化剧烈。3冻融过程空间分布的变化1)季节性冻土区不同时期土壤剖面水分具有良好的空间结构及中等空间相关性。土壤冻结过程对土壤剖面水分空间相关性影响较大,明显削弱了主要冻结期的土壤剖面水分空间相关性、减小了其空间相关距离。2)在整个冻融过程中土壤剖面上层水分空间分布变化较大,中、下层变化