河南土壤冻融过程与土壤水分的变化探讨

河南土壤冻融过程与土壤水分的变化探讨∗
冶林茂①杨海鹰②许蓬蓬②
（1．河南省气象科学研究所/中国气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室，2.河南
省气候中心郑州450003)
摘要:冻土是一种特殊土类，一方面它具有一般土的共性，另一方面它是一种多相复杂体系，并为冰所胶结，具有鲜明的冻土个性。

本研究是以大田自然土壤冻融过程与土壤水分的变化为依据，利用河南2011年1-2月气象资料及土壤墒情实测的资料，对不同深度的温度和土壤含水量变化进行了分析探讨。

研究结果表明：土壤冻融过程对土壤含水量变化有显著影响。

0～100cm深度范围我省豫北北部和豫西山区土壤完全冻结期一般在12月下旬末至2月上旬，35～60d范围内，冻融日循环主要发生在表层。

在由秋季到冬季和由冬季到春季的季节转换过程中，0～30cm土层的土壤含水量变化剧烈，与地温变化有较好的一致性。

冻融日循环主要发生在表层0～10cm。

0～10cm深度土壤含水量变化高于其他土层，随着深度的增加，土壤含水量季节波动性变小。

冻结过程有利于保持土壤水分。

因此冬春合理灌溉灌水的时间应当安排在日最低温度在0℃附近且后几天没有强冷空气活动，这样有利于作物不受冻害影响。

关键词:土壤冻融；土壤含水量；地表温度
引言
冻土是一种特殊土类，一方面它具有一般土的共性，另一方面它是一种多复杂体系，并为冰所胶结，具有鲜明的冻土个性。

作为一类特殊的土壤，冻土有很特殊也很复杂的物理过程。

其中冰的存在不仅改变了土壤的水力学性质，影响液态水在土壤表面和内部的迁徙和分配，还改变了土壤的热力学性质，影响土壤热通量的上下输送，改变大气辐射能强迫的日波和年波在土壤中的传播，因为与非冻结土壤相比，冻土的热传导率高，热容量小[1-2]。

在冻结条件下，土壤仍属三相体系，但土壤水分不是仅以液态水的形态存在，而是以液态和固态两种状态存在于土壤孔隙之中。

因此，冻结土壤中的水分有冻结水和非冻结水两部分组成。

冻结条件下，部分液态水转化为固态水，使土壤体系的三相比例发生变化[3]。

土冻结后，并非土中所有的液态水已全部变成固态的冰，由于颗粒表面能的作用，其中始终保持一定数量的液态水称作未冻水。

冻土中的未冻水含量与温度之间保持着动态平衡的关系，即随着温度降低，未冻冻水含水量量减少，反之亦然。

冻土中的未冻水是冻土中液态水迁移的源泉，同时，由于冻土中未冻水含量随温度变化，固态和液态的相变，导致了土体的性质随温度而变。

冻土中未冻土含量主要取决于三大因素：土质（土颗粒的矿物质化学成分、分散度、含水量水量、密度、水容液的成分和浓度）、外界条件（温度和压力）以及冻融历史。

其中，未冻水含量与负温始终保持动态平衡的关系，并可用表达式（徐学祖等，1985a）[4]
αθ
Wu−b
=
式中Wu为每克土中未冻水含量(%)，θ为负温绝对值（℃），a和b为与土质因素有关有经验常数。

1研究概况与数据资料
1.1研究概况
河南位于北纬31°23′～36°22′，东经110°21′～116°31′，海拔500～100m，南北约550km，东西长约580km，气候为北亚热带向暖温带气候过渡的大陆性季风气候。

冬季（12-2月）气温低，降水少。

最冷月1月平均气温全省在2～-2℃之间，由南向北递减，
南北每一个纬度距温差达0.8℃，季平约极端最低气温达-11～-17℃。

极端最低气温大部地区在-15～-20℃之间，季降水日数历年平均8～25天，占年降水日数的10%～20%，降水量在15～100mm之间，不及年降水量10%。

土壤多为壤土及沙壤土，土壤表层(0～30cm)平均容重为1.48g cm-3。

1月是冬季风最强盛时期，气温最低值出现在值出现在1月，1月平均气温等值线大部地区基本上呈纬向分布，自南向北递减，豫北北部、豫西山区比较低，大都在-2℃以下；0℃线在穿过周口、许昌、洛阳等地，淮南和南阳南部在1℃以上[5]。

1.2数据收集
河南于2009年在全省109个站建立了土壤水分自动观测站，用于观测全省土壤水分变化。

利用我省气象站观测当地的气象资料及冻土层厚度，测量不同深度(5、10、20、30、50)的土壤温度和冻土深度，用频域式自动土壤水分仪测量不同深度(10、20、30、40、50、60、80、100cm)的土壤重量含水量。

某一深度的土壤温度在经过表层土壤日最高温度(Tmax)＞0℃且土壤日最低温度(Tmin)＜0℃时，在日变化尺度上，土壤既存在冻结也存在融化过程，即冻融日循环。

如果Tmax 和Tmin都＜0℃时，则认为土壤处于冻结状态。

所以，根据不同深度土壤Tmax和Tmin将冻融过程划分为三个阶段:即始冻期(Tmax>0℃且Tmin<0℃)、完全冻结期(Tmax<0℃且Tmin<0℃)和解冻期(Tmax>0℃且Tmin<0℃)。

1.3土质对未冻水含量的影响
据调查，我国北方大部分地区的冬、春灌溉都是在季节性冻融条件下进行的。

在相同温度条件下，未冻水含量表现为粘土＞壤土＞沙壤土，即随粒度变细（随表面积的增大）而增大。

所以，研究冻融条件下土壤水分变化规律，对土壤水分保持、水资源利用及农田灌溉管理都具有十分重要的意义。

目前的研究大多是针对融雪所引起的水土流失等问题[6]，以指导农业灌溉为目的而进行的土壤水分变化规律方面的研究，在国内外都较少。

冻融条件下，土壤含水率决定着冻融土壤的固、液相比，进而影响着土壤的水力特性。

所以，土壤含水率变化是季节性冻融区土壤水分入渗特性的重要影响因素之一。

本文试图以全省六个站点（豫北北部、豫西西部及豫东有代表性站点）大田冻融土壤水分变化资料为依据，探讨不同含水率条件下冻融土壤的特性，为冻土分布区冬春合理灌溉灌水的时间确定及水资源合理利用提供参考依据。

2结果与讨论
由图1土壤水分变化曲线看出土壤季节冻融过程发生日期和持续天数。

土壤冻融日循环过程主要发生在表层(即一个冻土层)。

土壤从12月30日开始出现冻融，一直持续到2月6日，发生冻融日循环的天数为35d；翌年的2月7日至2月22日，土壤开始解冻，在春季解冻期发生冻融日循环的天数为15d。

春季解冻期发生冻融日循环的天数明显多于秋季始冻期的天数，即冻结的速度要大于土壤解冻的速度。

图1：林州气温地温-冻土变化曲线图2：2011.1.1-2.28林州土壤水分变化曲线
图3：三门峡气温地温-冻土变化曲线图4：2011.1.1-2.28三门峡土壤水分变化曲线
图5：济源气温地温-冻土变化曲线图6：2011.1.1-2.28济源土壤水分变化曲线
图9
图72011.2.11-16濮阳土壤水分变化曲线
图8：2011.2.13-14濮阳土壤水分变化图9：2011.2.13-14三门峡土壤水分变化曲线
通过土壤含水量廓线来分析在季节转换过程中土壤重量含水量的变化(7-9图)。

需要说明的是，观测仪器FDR测得的土壤重量含水量均为未冻水。

从图中可以看到，未冻结前，土壤含水量受降水的影响明显。

在始冻期和解冻期（1-2月），0～30cm土壤未冻水含量波动较大。

由于这两个时期无降水或降水很少，所以土壤含水量的这种波动主要是由土壤水的相变和土层间的水分运动造成的。

以解冻期为例，受天气过程的影响，土壤温度不断在0℃上下波动，导致表层土壤中的水分频繁的发生相变；不断变化的温度梯度也影响着土壤水分的运移。

濮阳站2011年2月11～16日（图7），气温骤降，日最低温度从-0.6℃下降至-11.8℃，土壤未冻水含量从13.2%下降至8.0%。

图8为濮阳2月13-14日10cm土壤含水量的日变化图，清楚表明了土壤冻结及未冻水含量迅速下降的过程。

在完全冻结期内，各层土壤含水量只有小范围的波动。

Perfect等通过试验证明:在已经完全冻结的土壤中，只要存在温度梯度，就有水分的迁移[7]。

冻结层在从地表向下变化过程中，冻结层下界面附近土壤水势随深度增加而增加，土壤水分运动状态呈上渗型，而该过程还受地下水位的影响。

土壤水分还可以以气相的形式进行运移，温度梯度是气相水运移的主要推动力。

在冻结期，冻土层从地表形成向下发育过程中，在温度梯度作用下，土壤水汽由暖端流向冷端(冻土层下界面附
近)凝结。

郭占荣等研究表明冻土层形成发育的过程，也是表层土壤总含水量逐渐增加的过程[8]。

进入解冻期后，随土壤温度的升高，土壤自上而下逐渐解冻，固态水逐步转变成液态，导致表层土壤的未冻水含量迅速增加。

图9为三门峡2月13-14日表层土壤水含量的变化图，在24h之内，10cm土壤未冻水含量从9.8%上升至12.4%。

表层土壤成为土壤水的高能区，引起土壤剖面的土壤水势分布的变化，土壤水分运移状态转变为向下入渗。

3结论
3．1土壤冻融作用导致土壤水的频繁相变，改变了土壤的热状况、结构和性质，从而影响了土壤与大气之间的能量平衡和水循环。

本研究从图（1a-4a）表明土壤温度表层温度随着日最低温度的变化而变化，但振幅小于日最低温度的变化。

冻土层厚度随最低温度的降低而加厚，但迟后于最低温度变化2-3天，完全冻结期一般在12月下旬末至2月上旬，35～60d范围内，冻融日循环主要发生在表层。

在由秋到冬和由冬到春的季节转换过程中，0～30cm土层的土壤含水量变化剧烈，与地温变化有较好的一致性。

3．20～10cm深度土壤含水量变化高于其他土层，随着深度的增加，土壤含水量季节波动性变小，冻结过程有利于其保持土壤水分。

冬春合理灌溉灌水的时间应当安排在日最低温度在0℃附近且后几天没有强冷空气活动。

当然，土壤温度和土壤含水量受地理位置、地形、土壤和气候变化的影响，时空变异性很大，本研究由于受时间和观测点的条件限制，其结果还存在一定局限性。

特别是在极端气候天气有可能增加的情况下，要全面反映河南冻融过程和土壤含水量分布以及水分运移规律还需要长期多年连续深入的观测，并结合遥感技术将尺度扩展到更大的区域。

3．3冻融条件下,土壤含水率决定着冻融土壤的固、液相比,进而影响着土壤的水力特性，而土壤含水率的大小是影响土壤冻融特性的主要原因。

由于冻融条件下土壤水分运动的复杂性,一些深层次的问题还有待于进一步研究。

101～109
参考文献
[1]李倩，孙菽芬，冻土模式的改进和发展.地球科学进展[J].2006.12：1340～1349
[2]张立新，徐学祖，韩文玉.景电灌区次生盐渍化土壤冻融特征.土壤学报，2002
[3]徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学.科学出版社，北京，2010.39(4):513～516.
[4]徐学祖,邓友生.冻土中水分迁移的实验研究.北京:科学出版社,1991.36～94
[5]程炳岩，河南气候概论.气象出版社，1985.
[6]徐学祖,王家澄,张立新等.土体冻胀和盐胀机理.北京:科学出版社,1995.12～14
[7]Perfect E，W illiam s P J.Thermally induced water m igration in
frozen soils.Cold Region Science and Technology，1980，9(3)
[8]郭占荣，荆恩春，聂振龙，等.冻结期和冻融期土壤水分运移特征分析.水科学进展，2002，13(3):298～302.
The discussion on the process of soil freezing and thawing and the changes of soil
moisture in Henan province
Ye Linmao①Yang Haiying②Xu Pengpeng②
(1.Henan Institute of Meteorological Science/Key Laboratory of Agrometeorological Safeguard and Applied，
CMA2.The Climate Center in Henan Province,Zhengzhou450003)
Abstract:The frozen soil is a special class.On the one hand it has the feature of the common soil, on the other hand it is a complex system of multi-phase,and it is cemented by ice,and it has a distinct personality of frozen soil.The study is based on the natural soil in field freezing and thawing process and the changes in soil moisture,and use the meteorological data and measured soil moisture data from January to February2011in Henan province,and it analyzes and discusses the changes of the temperature and soil moisture in different depth.The results show that:The process of soil freezing and thawing has a significant effect on the changes of soil moisture.The completely frozen soil period of the0~100cm depth range of my province in the north of northern Henan and in the mountain area of western Henan normally ends in late December to early February,and the freeze-thaw cycle occurs mainly on the surface in the range of35~60d.In the process of seasonal transition from autumn to winter and from winter to spring,the soil moisture has dramatic changes of0~30cm soil layer,it has good consistency with ground temperature. Freeze-thaw cycle occurs mainly on the surface between0~10cm.The soil moisture from0to10 cm depth is higher than that of other soil,and as the depth increases,soil moisture has smaller seasonal fluctuations.The freezing process might help to maintain soil moisture.Therefore,the reasonable irrigation time in winter and spring should be arranged in the time of daily minimum temperature at0℃and after a few days near the cold air is not strong,because this is conducive to the plants from the cold disaster.
Key words:soil freezing and thawing;soil moisture;ground temperature。