积雪和冻土保墒监测试验方案分析与设计

积雪和冻土保墒监测试验方案分析与设计

戴长雷;常龙艳;梁丽青;彭程

【摘要】积雪和冻土的存在对农田土壤墒情有着重要的影响.积雪和冻土对于土壤墒情的保持有正作用,但相关研究主要停留在对这一现象的描述层面,其规律和机理

的研究还有待加强.通过梳理相关监测试验成果,从试验环境、监测项目、监测仪器、监测方法4个方面对积雪和冻土保墒监测试验方案进行分析和设计.在分析已有试

验的基础上,结合现有的研究经验,综合考虑试验的真实性、可控性和易于对比性提

出3种试验设计方案.试验设计方案的提出可为进一步获取试验数据提供参考.

【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》

【年(卷),期】2011(002)004

【总页数】6页(P27-32)

【关键词】墒情;冻土;积雪;试验环境;监测内容;监测仪器

【作者】戴长雷;常龙艳;梁丽青;彭程

【作者单位】黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区

地下水研究所,哈尔滨150080;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;

黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080

【正文语种】中文

【中图分类】S152.7

1 问题的提出

在季节冻土区存在着积雪和冻土，它们对农田土壤墒情有着重要的影响，卢路等［1］认为：积雪覆盖对土壤含水率有显著影响，和同等水量的降雨相比，冻融土壤平均含水率高出多年平均土壤含水率10%以上；积雪覆盖导致土壤各层含水率

随时间变化波动较为均匀，使土壤水分下渗延时效应明显；积雪覆盖有利于维持土壤含水率的稳定，同时使土壤含水率有增加的趋势。王子龙［2］，王晓巍［3］

认为：冻结土壤具有明显的减渗性、不透水性和抑制蒸发性，雪被覆盖对土壤与大气之间的热交换具有阻滞作用，所以土壤冻融和雪被覆盖对土壤蓄水保墒、防止春旱具有十分显著的作用。魏丹［4］指出：在土壤冻结过程中，积雪的存在，保持了地温，减缓了土壤冻结速度，增加了土壤水分向冷端的迁移量；在土壤融化过程中，冻土层的冰体从表层和下层冻结面进行双向融化，含水率剖面呈现中间大，上下小的状况，但在有积雪覆盖的近地表处由于融雪水的补给而增大。郑秀清等［5］认为土壤冻融作用改变了土壤颗粒直径从而改变了土壤的持水能力。戴长雷［6－7］等认为：融雪入渗是寒区春季最重要的水文过程之一，融雪入渗对于保持土壤墒情具有重要作用。周宏飞［8］等提出：土壤冻融期间，雪融水转化为土壤水分的比例高达78.8%～92%，为春季荒漠植被的生长提供了很好的水分条件。以上

研究中较一致的看法是，积雪和冻土的存在对于土壤墒情的保持有正作用。

但是，从整体上看，关于积雪／冻土保墒的研究主要停留在对这一现象的描述层面，对于规律和机理的研究还有待加强。造成这一现实的重要原因之一，就是来自相关监测试验的基础数据还不够丰富。基于此，在梳理相关监测试验成果的基础上，从试验环境、监测项目、监测仪器、监测方法4个方面对积雪／冻土保墒监测试验

方案进行分析和设计，以期为进一步获取基础数据提供参考。

2 试验方案分析

2.1 试验目的分析

积雪／冻土保摘的机理：①冻层的不透水作用，蓄水调节作用和抑制蒸发作用阻碍了融雪水和上层土壤水的入渗和下部土壤水分的蒸发［9］；②积雪的强反射性和低导热性保持了土壤的温度和水分，且雪被贮藏的大量淡水可为雪被覆盖地区春季土壤提供重要的水分补充。

监测试验目的：获取积雪／冻土生消期间土壤墒情及相关环境的关键参数，为规律的总结和机理的探明提供基础信息。

2.2 试验环境与监测方法分析

通过分析已有的研究资料，按地域划分提取了与积雪／冻土保墒监测试验相关的几种代表性的试验方法，对其中的试验环境和监测方法进行梳理，见表1。为积雪和冻土保墒监测试验的开展提供技术参考。

2.3 监测项目与监测仪器分析

对以上几种代表性试验进行进一步的分析，提取其中的土壤墒情、冻土生消、积雪变化参数及相应监测仪器，见表2。为积雪和冻土保墒监测试验的参数选定和监测仪器使用提供参考。

3 试验方案设计

3.1 试验背景

哈尔滨冬季（11～3月）长达150d之久，在地面以下形成连续分布的冻层；降水形式以降雪为主，往往在地面形成大范围的积雪覆盖，属于典型的季节冻土区。

积雪和冻土保墒监测试验拟在哈尔滨市进行，拟监测在不同积雪厚度10、15、

20cm等条件下，距离地面以下1.5m内的冻土生消期间土壤墒情及环境变化参数，并对监测数据进行分析归纳，以为规律的总结和机理的探明提供基础信息。

3.2 监测试验方案设计

通过分析已有研究的试验方法，结合现有的研究经验，综合考虑试验环境的真实性、

可控性和易于对比性提出3种试验设计方案，可根据试验的具体条件和实际需要，进行试验方案的选择。

3.2.1 试验方案1设计

在考虑试验环境的真实性和开放性的前提下，提出试验方案1。选用“大顶子山

航电枢纽工程上游松花江两岸浸没影响试验［17］”的试验方法和试验思路。采

用大顶子山浸没范围内的稻田土壤，在土壤深度分别为20、40、60、80、

100cm处，人工取样并利用物理烘干法进行土壤含水率测定。

表1 相关试验中监测环境及监测方法Table 1 Monitoring environments and monitoring methods华北地区（A）暴雪覆盖下土壤墒情试验［1］（A1）河北邯郸全境／壤土、砂性壤土降雪量、土壤含水率、土壤容重、土壤岩性26～

46mm积雪覆盖／地下水位埋深19.91～22.04m农作物、林草邯郸境内15个县的76个采样点／人工2009.11.1 ～2009.12.10／2009.11.19 ～2009.12.3 1次

／d冬季覆盖对草坪土壤水分、温度及绿期的影响试验［12］（A2）北京克劳

沃草业技术开发中心双桥基地地表温度、湿土质量含水率、地上生物量、地下生物量、高度、密度积雪厚度10cm左右，雪后3d内消融草地、无覆盖、无纺布覆膜、塑料薄膜按照随机排列的方式，小区分3大部分每部分7个处理，每隔25cm固

定／人工＋自动2008.11～2009.4／分3个阶段进行冻融土壤水分入渗试验［13］（A3）山西省汾河灌区／壤土、壤质砂土、砂质壤土层土壤质地、容重、

含水率、地温和灌溉水温——裸露、冬小麦覆盖山西省中心灌溉试验站、平遥宁

固试验区、平遥北长寿试验区／人工1995～1996、1998～1999和1999～2000年冻融期东北地区（B）不同地表条件下冻融土壤入渗试验［10］（A4）雪被—土壤联合体水热耦合运移试验［2］／冻融规律试验［3］（B1）太原市太谷县武

家堡村／地表以砂壤土为主黑龙江省水利科学研究院哈尔滨综合试验站／黑土、黏壤土、黏土土壤入渗率、地温、含水率和土水势土壤水分、土壤温度与水势、雪被、