川西北高寒區(qū)凍融交替作用后土壤水熱運(yùn)移模擬研究

宋 潔, 李曉寧, 趙 麗, 樊 敏

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 四川 綿陽(yáng) 621010; 2.河北邯鄲市瀚林環(huán)境評(píng)估有限公司, 河北 邯鄲 056000)

川西北高寒區(qū)處于長(zhǎng)江和黃河的發(fā)源地，能夠在黃河和長(zhǎng)江上游的水源涵養(yǎng)與補(bǔ)給、生態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用[1]。高寒地區(qū)土壤長(zhǎng)期經(jīng)歷晝夜及季節(jié)性凍融作用的影響，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)易于發(fā)生變化：孔隙度增大，容重減小，破壞團(tuán)聚體水穩(wěn)性，并減小其抗剪強(qiáng)度，增大土壤可蝕性，造成土壤退化[2-4]。同時(shí)，土壤周期性凍融作用對(duì)動(dòng)植物生存存在影響：土壤熱量傳輸，水分相變和鹽分堆積，改變了土壤的水分傳輸能力，從而影響化學(xué)物質(zhì)的運(yùn)移[5]，導(dǎo)致植被退化，野生動(dòng)物的棲息地質(zhì)量和生物多樣性下降。因此，土壤水熱運(yùn)移規(guī)律的研究對(duì)于綜合評(píng)價(jià)地表、地下水資源，有效地利用土壤水、熱資源，合理解決高寒區(qū)資源的開(kāi)發(fā)、保護(hù)生物多樣性和土壤沙化防治與植被恢復(fù)等實(shí)際問(wèn)題都具有重要意義。尚倫宇等[6]揭示了土壤水熱變化對(duì)青藏高原地表能量的影響。于煒[7]分析了科爾沁地區(qū)沙坨地和草甸地兩種典型地貌條件下的土壤凍融期內(nèi)水熱動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及聯(lián)系。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，許多學(xué)者在研究土壤水熱運(yùn)移時(shí)將模型模擬方法運(yùn)用其中，Harlan[8]最早提出了基于非飽和土遷移機(jī)制的土壤凍結(jié)過(guò)程中水熱耦合運(yùn)移模型，鄭秀清等[9]采用包括水遷移和熱對(duì)流遷移的水熱耦合數(shù)值模擬模型，模擬天然條件下土壤的季節(jié)性凍融過(guò)程以及其中的水熱遷移規(guī)律。李瑞平等[10]利用SHAW模型研究了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬化土壤凍融期水熱鹽的動(dòng)態(tài)變化；王宇祥等[11]利用HYDRUS軟件模擬科爾沁沙地沙丘—草甸相間區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化指出：流動(dòng)沙丘和草甸地降雨與表層土壤水分呈極顯著相關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于高寒區(qū)凍融土壤研究多在融雪入滲水熱運(yùn)移規(guī)律[12]、凍融土壤物理結(jié)構(gòu)分析[13]、氣候?qū)ν寥纼鋈谟绊懙葐?wèn)題的試驗(yàn)與模擬研究，且國(guó)內(nèi)研究多在藏北、東北地區(qū)進(jìn)行，對(duì)于川西北高寒區(qū)凍融土壤水熱運(yùn)移對(duì)土壤沙化進(jìn)程的影響研究較少。本文以川西北高寒區(qū)經(jīng)過(guò)室內(nèi)凍融交替作用后沙化和天然草地土壤為研究對(duì)象，利用HYDRUS軟件模擬土壤剖面水熱變化，明確川西北高寒區(qū)土壤水熱運(yùn)移特性，探明凍融交替條件作用后沙化和天然草地土壤體積含水率和溫度隨土層深度變化的規(guī)律，為該地區(qū)土壤沙化治理與預(yù)防，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于阿壩藏族羌族自治州紅原縣(31°50′—33°22′N，101°51′—103°23′E)，位于青藏高原東部，地勢(shì)西北高、東南低，海拔在3 000～4 000 m范圍內(nèi)。研究區(qū)內(nèi)季節(jié)性凍土分布較廣，氣候?qū)俅箨懶愿咴疁貛Ъ撅L(fēng)氣候，四季變化劃分不明顯，冬長(zhǎng)夏短，寒冷氣候占據(jù)全年大部分時(shí)間；但日照長(zhǎng)，太陽(yáng)幅射強(qiáng)烈，早晚溫差極大，極端最高氣溫24.6℃，極端最低氣溫達(dá)-22.8℃，年平均氣溫2.9℃[4]。阿壩藏族羌族自治州紅原縣干雨季節(jié)分明，雨熱同季，降水量較為豐沛，年降水量可達(dá)860.8 mm，年均積雪期可達(dá)76 d。研究區(qū)主要的土壤類型為沼澤土、亞高山草甸土和風(fēng)沙土。按照土壤質(zhì)地的國(guó)際分類制，研究區(qū)沙化草地土壤屬于砂質(zhì)土；天然草地土壤屬于砂壤質(zhì)土[4]。沼澤、草甸、灌叢和森林為該區(qū)主要植被類型[4]。

1.2 供試材料

1.2.1 土壤采集及物理性質(zhì)測(cè)定 研究采用的土壤取自阿壩藏族羌族自治州沙化最嚴(yán)重的地區(qū)之一紅原縣瓦切鄉(xiāng)。依據(jù)《天然草地退化、沙化鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》(GB19377—2003)選取沙化草地和植被覆蓋良好的天然草地2類。沙化草地的平均蓋度13%，物種豐富度低，極多裸露砂粒，干燥、人為擾動(dòng)大；天然草地土層較厚，平均蓋度95%以上，植物物種豐富。植被類型主要有四川蒿草(Kobresiasetchwanensis)、細(xì)葉亞(Ajaniatenuifolia)、小柴胡群叢(Bupleurumtenue)等。

土壤采集原狀土，每15 cm為一層，共取4層土壤樣品，用于裝填實(shí)驗(yàn)室水熱運(yùn)移模擬土柱。每層土壤分別用環(huán)刀重復(fù)取樣3次，用于測(cè)定土壤容重和含水率。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤含水率和容重，土壤物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤物理性質(zhì)

1.3 研究方法

1.3.1 試驗(yàn)裝置 本研究采用3個(gè)自制土柱土壤積水入滲裝置進(jìn)行入滲試驗(yàn)(圖1)，將原狀采集土壤各層分別風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，沙化草地和天然草地土壤各層含水率和容重按照野外測(cè)定數(shù)據(jù)設(shè)置(表1)，采用干堆法，根據(jù)公式(1)在每次裝入土壤后，壓實(shí)使其達(dá)到規(guī)定的土柱高度15 cm，保證試驗(yàn)土柱各層土壤干容重與天然土壤干容重相近。

W=V·γ(1+S)

(1)

式中：W為土壤質(zhì)量(g)；V為每次裝入的土體體積(cm3);γ為天然土體干容重(g/cm3);S為室內(nèi)土壤含水量(%),室內(nèi)土壤含水量則根據(jù)采樣時(shí)的實(shí)測(cè)值,采用稱重法,保持土壤重量含水率與實(shí)測(cè)值一致。沙化草地和天然草地土柱裝填高度均為 60 cm,每隔12 cm開(kāi)設(shè)孔洞(12 cm,24 cm,36 cm,48 cm和60 cm),用于插入土壤水分傳感器探頭(型號(hào)ECH2O),水分傳感器探頭孔洞對(duì)側(cè)設(shè)置排氣孔(φ=0.2 cm)。土柱底部設(shè)置排氣孔板和排水室(h=0.2 cm,φ=10 cm),出水由燒杯直接截取,利用馬氏瓶穩(wěn)壓供水,供水水溫控制為室溫25℃。

1.3.2 凍融條件設(shè)定 根據(jù)川西北高寒區(qū)實(shí)際凍融現(xiàn)狀，設(shè)置連續(xù)反復(fù)凍融(模擬晝夜)模式，依據(jù)凍結(jié)溫度設(shè)置為-11℃，每天凍結(jié)12 h，在空調(diào)室內(nèi)恒溫25℃進(jìn)行融化，消融12 h的凍融條件，連續(xù)凍融6 d，第6天融化后進(jìn)行水熱運(yùn)移試驗(yàn)。

圖1 土柱試驗(yàn)裝置示意圖

1.3.3 試驗(yàn)步驟 經(jīng)6 d連續(xù)反復(fù)凍融作用后，對(duì)土柱進(jìn)行恒定水頭入滲試驗(yàn)。土柱分別在12 cm，24 cm，36 cm，48 cm和60 cm處插入ECH2O監(jiān)測(cè)探頭，數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄剖面土壤含水率和溫度變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，讀取頻率1次/ min?？刂岂R氏瓶?jī)?nèi)水面高度，確保土柱表面水分入滲恒定水頭2 cm。當(dāng)排水室有水流溢出時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。由于試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較短，試驗(yàn)分析中不計(jì)蒸發(fā)對(duì)入滲過(guò)程的影響。

2 HYDRUS模型構(gòu)建

2.1 基本方程

(2)

式中:θ為土壤體積含水量(cm3/cm3);t為時(shí)間(min);z為一維垂直向坐標(biāo)(cm);K(h)為土壤的非飽和含水率(cm/s);h為壓力水頭(cm);z為土柱縱剖面空間坐標(biāo)(cm),原點(diǎn)在圖層的上邊界,向下為正。本試驗(yàn)不考慮作物根系對(duì)土壤水的吸收作用,故S為0。

土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率用Van Genuchten方程擬合：

(3)

(4)

(5)

式中:θ為土壤體積含水率；θs為土壤飽和含水率(cm3/cm3)；θr為土壤殘余含水率(cm3/cm3)；K為土壤的非飽和導(dǎo)水率(cm/s)；Ks為飽和導(dǎo)水率(cm/s)；Se為無(wú)量綱的相對(duì)含水量；α，m(m=1-1/n)，n,l(一般取0.5)均為擬合參數(shù)。

2.1.2 熱運(yùn)移方程 土體熱量運(yùn)移采用的基本方程(僅考慮液態(tài)水運(yùn)動(dòng))為：

C(θ)=Cnβn+Cwβw+Caav

(6)

式中:Cp(θ)為多孔介質(zhì)比熱容〔J/(cm3·℃)〕;Cn為固相比熱容〔J/(cm3·℃)〕;Ca為氣體比熱容〔J/(cm3·℃)〕;Cw為液體比熱容〔J/(cm3·℃)〕;λ(θ)為土壤導(dǎo)熱率(cm2/s);q為水分通量(g/s)；T為土壤溫度(℃)。

2.2 初始條件與邊界條件

2.2.1 初始條件 在研究土壤入滲過(guò)程中的水熱運(yùn)移規(guī)律時(shí)，初始條件為各層土壤初始含水率，不考慮蒸發(fā)、降雨和地下水對(duì)試驗(yàn)的影響情況下，t=0時(shí)，土體剖面水流模型初始條件：

h(z,t)=h0(z)t=0, 0≤z≤Z,Z=66 cm

T(z,t)=t0(z)

(7)

式中:h0(z)為土體初始負(fù)壓水頭(cm);t0(z)為土壤初始溫度(℃)。

2.2.2 邊界條件 水流上邊界為恒定2 cm水頭邊界。下邊界為自由排水邊界：

h(z,t)=h0(t)z= 0

(8)

式中:h0(t)為上邊界邊界壓力水頭值(cm)；k為土壤非飽和導(dǎo)水率(cm/min)；q0(t)為土壤下邊界水通量(cm/s)。

T(z,t)=T0(t)z= 0

(9)

式中:T0(t)為進(jìn)水流溫度(℃);T和T0分別為土壤和下邊界溫度;λ為為土壤導(dǎo)熱率〔J/(cm·K)〕；Cw為液體比熱容〔J/(cm·K)〕；q0為下邊界土壤水通量(cm/s)。

2.2.3 土體剖面信息 模擬土體剖面空間步長(zhǎng)設(shè)置為1cm，60 cm土柱則剖分為60層，共60個(gè)節(jié)點(diǎn)，距地表不同距離處設(shè)定土壤水分、溫度及水勢(shì)變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，含水量和溫度數(shù)據(jù)獲取點(diǎn)為4個(gè)，分別在12 cm，24 cm，36 cm和48 cm處。設(shè)置初始時(shí)間步長(zhǎng)0.001 d，可變步長(zhǎng)設(shè)置為0.5～0.001 d。

2.3 模型參數(shù)

2.3.1 土體水力學(xué)參數(shù) 在HYDRUS-1 D模型的水分運(yùn)動(dòng)模型中，輸入不同土層深度的粒級(jí)分析(砂粒、粉砂粒和黏粒的百分含量)和容重值，采用RETC軟件對(duì)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并利用軟件獲取Van Genuchten模型中的土壤含水率參數(shù)(θr，θs，α，n和l)以及飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)(Ks)等相關(guān)參數(shù)，土體相關(guān)水力參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3.2 土體熱力學(xué)參數(shù) 熱力學(xué)參數(shù)利用HYDURS軟件的內(nèi)部程序Rosetta Lite.v.1.1獲得，土壤固相占總體積的比率為0.57；土壤縱向熱擴(kuò)散率DL(cm2/s)為5.00；土壤橫向熱擴(kuò)散率Dr(cm2/s)為1.00；熱導(dǎo)率函數(shù)系數(shù)(b1)為1.13×108；熱導(dǎo)率函數(shù)系數(shù)(b2)為1.53×108；熱導(dǎo)率函數(shù)系數(shù)(b3)為1.16×108；土壤固相熱容Cn(J/(g·℃)為6.91×108；土壤有機(jī)質(zhì)熱容Co(J/g·℃)為1.04×108；土壤液相熱容Cw(J/g·℃)為1.54×108。

2.4 模型驗(yàn)證與評(píng)價(jià)

2.4.1 模型驗(yàn)證 對(duì)實(shí)測(cè)的土體數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析土柱體積含水率和溫度模擬數(shù)據(jù)的模擬效果。本文采用均方根誤差(RMSE，公式10)及決定系數(shù)(R2，公式11)2個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)模型的模擬效果。

(10)

(11)

2.4.2 土壤體積含水率和溫度動(dòng)態(tài)變化的驗(yàn)證結(jié)果為了驗(yàn)證該模型模擬的效果，利用HYDRUS-1D模擬經(jīng)過(guò)連續(xù)凍融作用后沙化草地和天然草地土壤含水率和溫度隨時(shí)間變化過(guò)程，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制土壤體積含水率和溫度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線圖(圖2和圖3)。為了觀察模擬數(shù)據(jù)的模擬效果，對(duì)實(shí)測(cè)的土體數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，采用均方根誤差及決定系數(shù)2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值之間的偏差進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 率定后土壤水分特征參數(shù)

從圖2和圖3可見(jiàn)，沙化草地和天然草地各土層體積含水率和溫度模擬值與測(cè)定值接近，且變化趨勢(shì)基本一致。天然草地15 cm處土壤體積含水率模擬值略低于測(cè)定值，這種差異的存在說(shuō)明該層土體接近地表，容易受到外界環(huán)境因素的影響。60 cm處土壤體積含水率模擬中期數(shù)據(jù)高于測(cè)定數(shù)據(jù)，說(shuō)明土體初始含水量越高，土柱在融化時(shí)間內(nèi)未能完全融化，導(dǎo)致實(shí)測(cè)時(shí)體積含水率偏低，隨著深度的增加模擬精度有所提高，這可能與接近地表的熱通量受到外界的影響較多。

圖2 不同土層土壤水分隨時(shí)間變化的模擬值與測(cè)定值對(duì)比

2.4.3 模型模擬結(jié)果評(píng)價(jià) 經(jīng)過(guò)參數(shù)的率定和驗(yàn)證，沙化草地和天然草地土壤體積含水率和溫度在剖面各節(jié)點(diǎn)上的相對(duì)差值都較小，展現(xiàn)了比較好的擬合效果和擬合精度。模擬值與實(shí)測(cè)值的均方根誤差RMSE在合理范圍內(nèi)，決定系數(shù)R2大于0.9。HYDRUS-1D模型能夠用于模擬土壤含水率和溫度的變化，具有一定的可靠性與穩(wěn)定性(表3)。

3 模型應(yīng)用與分析

3.1 HYDRUS-1D模擬預(yù)測(cè)土壤水分變化過(guò)程

選取2010年實(shí)測(cè)的輻射、氣溫、濕度等氣象數(shù)據(jù)輸入模型，模擬并分析土壤經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后，土壤體積含水率變化特性。

圖3 不同土層土壤溫度隨時(shí)間變化的模擬值與測(cè)定值對(duì)比

表3 模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)

圖4中顯示凍融循環(huán)作用前后各層土壤體積含水率模擬變化情況。凍融前(圖4A和圖4B)，沙化草地0—15 cm土壤體積含水率最低，45—60 cm土壤體積含水率最高，15—30 cm和30—45 cm土壤體積含水率次之，且差異較小；天然草地各層土壤呈現(xiàn)隨著剖面加深，土壤體積含水率逐漸降低的趨勢(shì)；沙化草地表層土壤體積含水率與天然草地表層土壤體積含水率相差約10%。反復(fù)凍融循環(huán)后(圖4C和圖4D)，兩種土壤含水率隨季節(jié)變化均呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢(shì)，但天然草地各土層含水率范圍在0.08%～0.25%，總體均高于沙化草地含水率的變化范圍為0.06%～0.16%；天然草地各層含水率有明顯差異，0—15 cm土壤含水率最低，15—30 cm土壤含水率最高；沙化草地各層土壤呈現(xiàn)隨著剖面加深，且各土層含水率差異較小。

3.2 模擬預(yù)測(cè)凍融循環(huán)條件下土壤溫度變化過(guò)程

土壤凍融狀況受土壤溫度影響，在溫度梯度作用下，土壤溫度會(huì)隨著太陽(yáng)輻射變化和季節(jié)更替而出現(xiàn)晝夜變化和季節(jié)波動(dòng)。

從圖5中可看出凍融循環(huán)前后，土壤溫度模擬值呈現(xiàn)先波動(dòng)上升后波動(dòng)下降的趨勢(shì)，60～300 d兩種不同程度植被覆蓋下各層模擬土壤溫度變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)隨著剖面加深，土壤溫度逐漸降低的趨勢(shì)，且沙化草地土壤各層最高溫度平均低于天然草地各層土壤溫度1.8℃。60 d前和300 d后兩種不同程度植被覆蓋下各層土壤溫度呈現(xiàn)與60～300 d相反的變化趨勢(shì)，即底層溫度最高，表層溫度最低。沙化草地和天然草地表層土壤溫度最大值均出現(xiàn)在6月份下旬和7月份，氣溫最高分別為12.4℃和15.6℃，土壤溫度最低為1月份下旬。

4 討 論

4.1 凍融作用下土壤水分運(yùn)移特性模擬

通過(guò)對(duì)沙化草地和天然草地凍融前后土壤中水分運(yùn)移模擬表明，凍融方式和植被覆蓋度對(duì)水分運(yùn)移的影響極大。郭志強(qiáng)等[14]研究表明，夏季晝夜溫差大，土壤體積含水率在強(qiáng)烈蒸發(fā)、強(qiáng)輻射作用下出現(xiàn)顯著變化，導(dǎo)致土壤晝夜凍融反復(fù)循環(huán)的發(fā)生；冉洪伍等[12]對(duì)藏北高寒草地土壤凍融過(guò)程水分變化的研究結(jié)果顯示，由于積雪覆蓋于土壤表層，土壤處于長(zhǎng)期凍結(jié)狀態(tài)，各類草地土壤溫度結(jié)果均表現(xiàn)為無(wú)明顯變化；另有研究表明草甸植被覆蓋度的下降可以導(dǎo)致土壤含水量下降[15]。本研究綜合考慮以上因素對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響，結(jié)合HYDRUS-1D模型分析水分運(yùn)移規(guī)律及其在草地退化及沙化過(guò)程中的作用。

HYDRUS模擬預(yù)測(cè)凍融前后沙化草地和天然草地的土壤水分運(yùn)移特性中，不同深度土壤的含水量分別在75 d和50 d之后才明顯增大，分析原因在于一維模型忽略了土壤中空氣壓力的變化[16]和水流的滯后作用。沙化草地土壤體積含水量在120 d前后的變化趨勢(shì)相反，考慮到因前120 d為該區(qū)的1—4月份，氣溫未回升，無(wú)水分入滲和降水補(bǔ)給，且蒸發(fā)不強(qiáng)烈；120～300 d為該區(qū)的5—10月份，氣溫回升，積雪融化，雨季來(lái)臨降水量逐漸增加，氣溫逐漸達(dá)到一年中的最高溫(15.6℃)，蒸發(fā)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致表層的土壤體積含水率低于深層的土壤體積含水率。天然草地在100～300 d內(nèi)土壤體積含水率沿著剖面自上而下呈降低趨勢(shì)，分析原因?yàn)榇藭r(shí)間段積雪融化水分入滲、降水量逐漸增加，紅原縣牧草生長(zhǎng)的茂盛，土壤表面植被覆蓋率高，有效減緩了土壤水分的蒸發(fā)，加之植物根系發(fā)揮了涵養(yǎng)水源的作用。

圖4 凍融循環(huán)后各土層土壤體積含水率模擬

圖5 不同凍融循環(huán)后各土層土壤溫度模擬

反復(fù)凍融循環(huán)后，由于高寒區(qū)季節(jié)變化、降水差異、蒸發(fā)強(qiáng)度和土壤理化性質(zhì)的差異，土壤水分的垂直分布和時(shí)間變化具有明顯的規(guī)律。3—5月份為凍土消融前期，氣溫回升雪水融化入滲，各層土壤體積含水率逐漸增加，表層土壤中變化更為明顯。此時(shí)，沙化草地和天然草地各層土壤體積含水率沿著土壤剖面向下呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。6—10月份氣溫升高加速深層凍土消融，夏季降水量增加，沙化草地和天然草地土壤體積含水量均呈不同程度的上升趨勢(shì)；7月份左右氣溫達(dá)峰值，土壤體積含水率在強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下出現(xiàn)顯著變化，加之研究區(qū)海拔高、太陽(yáng)輻射強(qiáng)，在凍融期間表層土壤和大氣之間時(shí)刻發(fā)生著水分和能量的流動(dòng)，導(dǎo)致了凍融期間晝夜凍融循環(huán)的發(fā)生，土壤體積含水率波動(dòng)性明顯。同時(shí)土壤質(zhì)地對(duì)于凍土水力傳導(dǎo)度的影響更為顯著，植被覆蓋率較高的天然草地土壤質(zhì)地黏性大，凍結(jié)后各土層水力傳導(dǎo)度的變化幅度要顯著小于砂性較重的沙化草地土壤。10月份至次年3月份為土壤凍結(jié)期，積雪覆蓋于土壤表層，隔絕大氣與土層的直接接觸，土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，水分無(wú)法入滲，沙化草地和天然草地土壤水分模擬結(jié)果均表現(xiàn)為無(wú)明顯變化。

研究表明，植被覆蓋率與土壤有機(jī)質(zhì)含量、容重和孔隙度均有顯著相關(guān)關(guān)系，連續(xù)反復(fù)凍融過(guò)程是土體的密實(shí)過(guò)程，隨著土壤密實(shí)度增加，干容重減小，土體的孔隙率變大，在補(bǔ)水條件下，連續(xù)反復(fù)凍融后，冰變成水體積減小承載力下降，土體內(nèi)部發(fā)生沉降。連續(xù)反復(fù)凍融下對(duì)天然草地表層土壤容重和孔隙較其他土層影響大，0—10 cm土層含水率明顯低于其他土層，主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)使表層土壤的毛管孔隙度下降，持水力降低。植物根系及其生物量的大小在蓄水保肥、防風(fēng)固沙方面至關(guān)重要，根系生物量及其分布特征與容重、有機(jī)質(zhì)的物化性質(zhì)變化相關(guān)性較高，兩者的變化均易于引起土壤持水性的變化，草甸植被覆蓋度的下降可以導(dǎo)致土壤含水量下降。

4.2凍融作用下土壤溫度變化特性模擬

沙化草地和天然草地土壤表層和深層溫度在時(shí)間序列上呈現(xiàn)截然相反的變化趨勢(shì)，這可能與接近地表的熱通量受到外界的影響較多，另外說(shuō)明土壤熱參數(shù)的取值有一定的誤差[17]。沙化草地和天然草地土壤溫度在季節(jié)上呈現(xiàn)一定的周期性，3月份以前和9月份以后，土壤溫度呈現(xiàn)上層低于下層的趨勢(shì)，3—9月份土壤溫度從表層到底層逐漸降低，距表層越近溫度變化幅度越大[4]，加之熱量損耗導(dǎo)致土體內(nèi)部隨深度增加，波動(dòng)幅度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在整個(gè)模擬周期內(nèi)，土壤各層溫度呈現(xiàn)不斷波動(dòng)的現(xiàn)象，由于凍融土壤受降水、蒸發(fā)、太陽(yáng)輻射影響較大，溫度變化劇烈[17]。土壤凍融循環(huán)過(guò)程中，溫度隨之上下波動(dòng)，土壤中的顆粒、水分和氣體的占比及分布隨之發(fā)生變化，當(dāng)土壤內(nèi)的水發(fā)生固液相變化時(shí)，水或冰會(huì)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生不同的擠壓力，這一作用力會(huì)破壞土壤顆粒之間的膠結(jié)作用，引起土壤的大孔隙、中孔隙、小孔隙和毛細(xì)孔隙位置及形態(tài)發(fā)生變化，從而也改變了土壤孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)照射能夠引起土壤的溫度升高，在試驗(yàn)過(guò)程中土壤物理性質(zhì)的變化沒(méi)有引起土壤溫度的明顯變化。

5 結(jié) 論

基于土壤水分運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程和土壤熱流基本方程，建立水熱運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，利用HYDRUS-1D軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型模擬進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下：(1) 入滲水頭為2 cm時(shí)，經(jīng)凍融交替作用后60cm土柱剖面各土層土壤溫度和水分的測(cè)定值和模擬值吻合較好，率定后的土壤水熱運(yùn)移數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映出土壤水熱的變化及分布狀態(tài)。(2) 利用率定后的飽和含水率(θs)、殘留含水率(θr)等設(shè)定HYDRUS-1 D軟件中的模型運(yùn)行參數(shù)，模擬預(yù)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間(365 d)的土壤水熱運(yùn)移動(dòng)態(tài)。此結(jié)果有助于了解川西北高寒區(qū)凍融交替作用下土壤垂直剖面水分溫度的動(dòng)態(tài)變化特征，對(duì)進(jìn)一步研究該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)，沙化治理方法和維護(hù)生態(tài)平衡具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。