季節(jié)性凍土區(qū)土壤剖面水分空間變異特征

季節(jié)性凍土區(qū)土壤剖面水分空間變異特征

作為自然界水循環(huán)的重要組成部分，季節(jié)性冷凍系統(tǒng)的水運動在農(nóng)業(yè)、水資源和機械工程等方面發(fā)揮著極其重要的作用。對季節(jié)性凍土區(qū)土壤水分變化進(jìn)行深入研究、掌握其運動規(guī)律,不僅有助于推動非飽和帶土壤中水分遷移理論的發(fā)展,而且可為綜合評價地表、地下水資源,有效利用土壤水資源,合理確定農(nóng)田灌溉技術(shù)參數(shù),水土保持及環(huán)境保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù),因此,研究土壤凍融過程中的水分運移規(guī)律問題無論在理論上還是在指導(dǎo)生產(chǎn)實踐上都具有重要意義。凍土水分運動理論研究隨著土壤水分形態(tài)學(xué)觀點到能態(tài)學(xué)觀點的轉(zhuǎn)變有了長足的進(jìn)展,其方法研究也由基于凍土物理學(xué)試驗的定性描述發(fā)展到基于數(shù)值分析與模擬的定量研究。然而,土壤凍融過程伴隨相組成的變化使得季節(jié)性凍融土水體系變得復(fù)雜,加之季節(jié)性凍土水分空間非均一性(即空間變異性)的客觀存在,使現(xiàn)有方法在分析季節(jié)性凍融過程中土壤水分變化時顯得力不從心。地統(tǒng)計學(xué)是研究系統(tǒng)屬性空間變異的理論,該理論在非凍結(jié)土壤水分空間變異研究中已有應(yīng)用,但在季節(jié)性凍土剖面水分變化規(guī)律方面的應(yīng)用研究極少。因此,本文嘗試運用該方法研究季節(jié)性凍土區(qū)不同時期土壤剖面水分的空間變異性,以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究與實踐工作提供參考。1材料和方法1.1試驗設(shè)計與觀測本次觀測試驗在黑龍江省水利科學(xué)研究院的哈爾濱水利綜合試驗站進(jìn)行。哈爾濱市位于黑龍江省南部及中國東北黑土帶的中部,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫3.6℃,冬季嚴(yán)寒,春季干燥多大風(fēng),1月份平均氣溫-20.3℃,無霜期平均為141d,年平均降雨量523.3mm,年平均降雪量為63.1mm,無常年凍土層,年均凍深1.75m左右。本試驗以旱田土壤水分為研究對象,在2008~2009年的整個土壤凍融期利用CNC503B型中子水分儀對土壤剖面水分進(jìn)行觀測,在同一縱剖面每隔2m埋設(shè)1根中子儀探管(共計10根),每根中子儀探管設(shè)8個測點,分別為20、40、60、80、100、140、180、220、260cm;凍深由TB-1型凍土器觀測;積雪情況人工觀測;氣象資料來自于試驗站內(nèi)的自動氣象站。1.2地統(tǒng)計學(xué)在地統(tǒng)計學(xué)中的應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)是研究土壤特性空間變異性的最主要方法。自1963年法國著名的統(tǒng)計學(xué)家MatheronG提出地統(tǒng)計學(xué)概念以來,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,地統(tǒng)計學(xué)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、氣象、資源環(huán)境等諸多領(lǐng)域。地統(tǒng)計學(xué)的理論與方法不僅能保持空間變量的自相關(guān)性,而且能夠使實測點處的模擬值等于實測值,可用較少的采樣點模擬許多未知信息和空間分布,大幅降低野外采樣和觀測工作量,增強數(shù)據(jù)分析的直觀性。2結(jié)果與分析2.1土壤剖面水分塊基比及空間相關(guān)性分析半方差分析是地統(tǒng)計學(xué)中研究系統(tǒng)屬性空間變異結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),本文以不同特征時期季節(jié)性凍土剖面水分觀測資料為基礎(chǔ),運用GS+7.0軟件進(jìn)行半方差分析(表1)。研究區(qū)不同時期土壤剖面水分?jǐn)?shù)據(jù)的半方差分析結(jié)果表明,不同時期的土壤剖面水分都具有良好的空間結(jié)構(gòu)。塊基比的大小可以反映系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度,小于25%,表明系統(tǒng)變量具有強烈的空間相關(guān)性,大于75%,則空間相關(guān)性很弱。研究區(qū)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塊基比均小于25%,說明該3個時期的土壤剖面水分具有強烈的空間相關(guān)性;而其它時期土壤剖面水分的塊基比在29.4%~56.8%之間,屬于中等的空間相關(guān)性。土壤剖面水分具有強烈空間相關(guān)性的3個時期分別屬于未凍期及土壤融化末期,說明土壤凍結(jié)過程對土壤剖面水分的空間相關(guān)性影響較大,明顯削弱了主要凍結(jié)時期的土壤剖面水分空間相關(guān)性。比較不同時期土壤剖面水分變程,以上3個時期同樣具有相對較大的變程,在空間上具有較大的相關(guān)距離,進(jìn)一步說明土壤凍結(jié)過程對土壤剖面水分空間變異結(jié)構(gòu)特征的影響。2.2土壤凍結(jié)對土壤水分的影響利用ArcGIS9.0軟件中的地統(tǒng)計學(xué)模塊(GeostatisticalAnalyst)對不同時期土壤剖面水分進(jìn)行空間局部估計并繪制空間分布圖(圖1)。圖1中θ表示土壤體積含水量。從研究區(qū)不同時期土壤剖面水分的空間分布圖可以看出,總體上土壤剖面水分含量下層大、上層小;上層空間分布復(fù)雜,下層簡單;上層空間分布特征隨土壤凍融過程的推進(jìn)顯示出較大的變異,而下層變異則相對較小,且變異主要集中在土壤水分含量上,其空間分布形態(tài)基本保持不變。土壤剖面水分在整個凍融過程中具有明顯的空間結(jié)構(gòu)特征,在研究剖面上可分為上、中、下3個層次,由于受到各層次固有空間位置、土壤凍結(jié)狀態(tài)、環(huán)境條件等因素的限制和影響,每個層次都表現(xiàn)出獨立的空間分布規(guī)律和變化特征。為了能夠更深入地揭示研究區(qū)不同時期土壤剖面水分空間變異特征的成因,將不同時期土壤凍融狀態(tài)及環(huán)境條件列于表2之中(其中氣象相關(guān)資料均為日平均數(shù)據(jù);2009年6月2日凍結(jié)土壤已全部融通,因此沒有凍深及融深)。在季節(jié)性凍融過程中土壤剖面水分遷移的主要驅(qū)動力為土水勢梯度;未凍水遷移是凍土中氣、液和固相遷移中的主要方式;溫度是導(dǎo)致土中水相變、制約凍土中未凍水含量以及相應(yīng)制約土水勢的一個主導(dǎo)因素。而凍深和融深與土壤溫度之間存在著密切關(guān)系,是溫度梯度變化的具體體現(xiàn),因此,根據(jù)凍深與融深的發(fā)展可分析土壤剖面水分(特別是土壤剖面中、下層)空間分布變化的原因。比較2008年10月29日(未凍期)與2008年12月19日(凍深0.65m)的土壤水分空間分布圖可以發(fā)現(xiàn)兩個特點:一是0.6~0.8m的土壤剖面水分含量明顯上升;二是后者0.6~1.0m之間的土壤剖面水分空間分布狀態(tài)較前者更加具有層次性。當(dāng)土壤凍結(jié)時,其凍結(jié)鋒面上產(chǎn)生較大的溫度梯度,使得其下層土壤水分向該鋒面遷移和聚集,同時土壤水分發(fā)生相變并滯留于凍結(jié)鋒面,隨著凍深的發(fā)展土壤水分會依次向凍結(jié)鋒面運移,因此當(dāng)土壤凍深發(fā)展至0.65m時,其附近土層的含水量會明顯上升;土壤凍結(jié)使土壤水分向凍結(jié)鋒面同向遷移,加之土壤水分在凍結(jié)鋒面處發(fā)生由液態(tài)到固態(tài)的相變,對土壤水分起到了重分布作用,使得凍結(jié)土壤及其附近的含水量空間分布呈條帶狀,具有一定的規(guī)律性。上層土壤凍結(jié),中層土壤含水量因土壤水分向凍結(jié)面聚集而減小(上滲),下層與中層土壤之間土水勢梯度的存在使中層土壤對下層土壤進(jìn)行少量水分補給(下滲),因此在穩(wěn)定凍深發(fā)展期中層土壤會出現(xiàn)一個土壤含水量低值帶(即發(fā)散型零通量面),而且該低值帶始終位于凍結(jié)面之下,并隨凍深的發(fā)展而向下移動。2008年12月19日、2009年1月10日、3月16日及3月27日依次為凍深穩(wěn)定發(fā)展期的4個階段,與其凍深0.65、0.98、1.60、1.67m相對應(yīng)的土壤含水量低值帶中心大致位置分別在1.20、1.50、1.70、1.80m,與凍深的發(fā)展相吻合。土壤融化與土壤凍結(jié)過程存在著明顯的不同,土壤融化過程是雙向的,即土壤表層與最大凍深界面分別向下、向上融解。本次試驗土壤表層融化始于2009年4月初,6月2日全部融通,2009年4月23日的日平均氣溫和地面溫度已分別達(dá)到了7.2℃和11.3℃,表明土壤已進(jìn)入穩(wěn)定融化階段。在融化初期,土壤上層具有較高的含水量(如2009年4月23日),在融化中后期,上層土壤含水量受蒸發(fā)的影響而普遍降低;土壤融化的下界面自下而上移動,土壤水分由固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嘀笤谥亓龅淖饔孟孪蛳逻w移使下層土壤含水量有所上升(如2009年5月19日);比較土壤融通(2009年6月2日)與未凍期(2008年10月29日)土壤剖面水分的空間分布,兩個時期土壤各層含水量存在很大差異,說明土壤凍融過程對其剖面水分有重分布作用。土壤表層蒸發(fā)與氣象、含水量、土壤物理結(jié)構(gòu)等因素有關(guān),非凍期土壤表層水分受土壤蒸發(fā)的影響較大,而在土壤凍結(jié)穩(wěn)定發(fā)展期,由于表層土壤始終處在凍結(jié)狀態(tài)且地面溫度與氣溫均較低(如2008年12月19日至2009年3月27日的日平均地面溫度及氣溫),其內(nèi)部少量的未凍水蒸發(fā)量較小,因此蒸發(fā)作用導(dǎo)致的表層土壤含水量變化較小。在穩(wěn)定凍結(jié)期土壤表層含水量空間分布的較小變化主要由積雪融化引起,2008年12月19日至2009年1月10日間有3次小規(guī)模降雪過程,2009年3月16日至3月27日間有兩次大規(guī)模降雪過程。在融化期表層土壤水分相變后其含量主要受蒸發(fā)作用的影響,自2009年4月23日起地面溫度、氣溫及凈輻射照度均為正值,這為土壤表層蒸發(fā)提供了良好條件,雖然風(fēng)速和相對濕度在凍結(jié)和融化期差異不大,但從融化期土壤表層含水量空間分布圖中可以看出,隨著時間的推移表層土壤水分含量變化劇烈。3凍融過程空間分布的變化1)季節(jié)性凍土區(qū)不同時期土壤剖面水分具有良好的空間結(jié)構(gòu)及中等空間相關(guān)性。土壤凍結(jié)過程對土壤剖面水分空間相關(guān)性影響較大,明顯削弱了主要凍結(jié)期的土壤剖面水分空間相關(guān)性、減小了其空間相關(guān)距離。2)在整個凍融過程中土壤剖面上層水分空間分布變化較大,中、下層變化