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

（黑龙江大学a.水利电力学院；b.寒区地下水研究所，哈尔滨150080）

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

续表1Continoues table 1

表2 相关试验中监测项目及相应监测仪器Table 2 Monitoring contents and the corresponding monitoring instruments

续表2Continoues table 2

该方案的特点是全开放、纯现场，充分尊重土壤的原结构和环境的真实性。且烘干法认为是最经典和最准确的方法，是国际公认的测定土壤水分的标准方法，其它所有土壤水分测定方法都以此法作为标准而进行校对。但是该方案费时、费力，深层取样困难；当土壤质地分布不均时，很难取出有代表性的土样，且对田土有破坏，不易进行长期定位观测。

3.2.2 试验方案2设计

试验方案2在考虑试验可控性的前提下提出，该方案已在黑龙江大学校园内开展过。在试验场地的中间位置开挖规格为1m×1m×1m的试坑，在试坑中及周围设负压计、地温计、TRIME－T3型TDR土壤水分速测仪、温度计、湿度计、风速仪、蒸发皿等用来监测土壤水势、土壤温度、土壤含水率、气温、大气湿度、风速、风向、蒸发量等项目。试验方案2布置见图1。

图1 试验布置示意图Fig.1 Sketch of test layout

该方案的特点是半控制性，虽然破坏了土壤原状，但试验的边界条件得以控制，避免了外界环境变动带来干扰，但是监测环境真实性得不到保障。

3.2.3 试验方案3设计

试验方案3建立在易于对比的基础上设计的。该方案计划在黑龙江省水利科学研究院哈尔滨综合试验站内进行，该站配套设施完备，技术先进，设有综合试验大厅、冻土试验室、微润灌溉试验田、水肥耦合试验田、气象监测场等。已经开展了多年节水灌溉与农田排水、农业水土资源综合利用、农业水土环境保护，节水抗旱机械，“3S”技术与旱情监测预报等方面的试验与研究，田间试验包括土壤冻结和融化试验、冻融土壤入渗试验和土壤蒸发观测等，拥有较好的试验条件和基础。

利用水科院试验基地中的试验田为研究对象，试验土壤为黑土、黏性壤土和黏土。地下水埋深约7～8m。试验区的整体布置为5m×5m正方形区域，监测仪器布置呈 “米”字型。试验总体布置图见图2。

图2 试验布置示意图Fig.2 Sketch of test layout

监测项目：积雪／冻土的生消过程中冻层的埋深、厚度，土壤的含水率、入渗量和蒸发量、土壤温度与水势，土壤含盐量、土质参数、土壤容重、降雪量、积雪的厚度、积雪的入渗量、入渗历时等。

监测仪器：中子仪、H8多点土壤温度记录仪、EQ－15平衡式土壤水势测定仪、E601水面蒸发皿、双环入渗仪、TDR、频域反射仪FDR、水平入渗仪、单环入渗仪、WM－1型负压计系统、雨量计等［18］。

方案3可充分利用黑龙江省高寒地区季节性冻土的冻融期天然冻结条件和试验站的各种便利设施进行试验。且在垂直试验区有对比试验场地 （见文献 ［2－3］），其监测数据和监测方法可对本试验起到对比、参照的作用。目前方案3已经布置，试验正在进行中。

4 结 论

1）从监测环境 （试验地点、土壤类型、积雪条件、上层植被覆盖、检测点布置、检测时间段等）、监测项目 （土壤含水率、土壤温度、冻胀量、土壤水势等）、监测仪器 （TDR、中子仪、地温计、负压计等）、监测方法 （烘干法、仪器法、积水入渗法等）4个方面提出了一套 “积雪和冻土保墒监测试验”的试验分析方法，为试验的分析提供有利的方法基础。

2）已有研究中积雪／冻土保墒监测试验相关监测项目主要有土壤含水率、土壤温度、土壤水势、土壤入渗量、雪深、积雪入渗量等。监测仪器主要有TDR、中子仪、H8多点土壤温度记录仪、EQ－15平衡式土壤水势测定仪、双环入渗仪、水平入渗仪、WM－1型负压计系统、雨量计等。

3）在借鉴已有研究的试验内容和方法的基础上，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了3种试验设计方案，可根据试验的具体条件和实际需要，进行试验方案的对比选择。

［1］卢 路，刘家宏，叶睿华，等.地区暴雪覆盖与土壤墒情关系初探——以邯郸市为例 ［J］.节水灌溉，2011，（1）：10－17.

［2］王子龙.季节性冻土区雪被土壤联合体水热耦合运移规律及数值模拟研究 ［D］.哈尔滨：东北农业大学，2010.

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［6］戴长雷，李治军.寒区闭流区土壤水分垂向渗流系统物理模拟试验装置分析与设计 ［J］.黑龙江水专学报，2008，35（4）：86－88.

［7］戴长雷，孙思淼，叶 勇.高寒区土壤包气带融雪入渗特征及其影响因素分析 ［J］.水土保持研究，2010，17（3）：269－272.

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［9］DAI Chang－lei，DU Shao－min.Characteristics of soil moisture movement and snowmelt water infiltration in seasonal frozen unsaturated zone［A］.R.V.Zhang.Ninth International Symposium on Permafrost Engineering［C］.Yakutsk：Melnikov Permafrost Institute SB RAS Press，2011：487－492.

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