黑土农田冻结-融化期土壤剖面温度变化特征

王一菲， 郑粉莉,2， 周秀杰， 覃 超，富 涵， 左小锋， 刘 刚， 张加琼

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所， 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100；2.中国科学院 水利部水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100； 3.黑龙江省气象数据中心， 黑龙江 哈尔滨 150000)

东北黑土区属于季节性冻融区，冬季冻胀作用和春季冻融日夜循环加剧了坡面侵蚀和沟蚀的发生和发展。已有研究表明，反复的冻融循环会改变土壤结构、影响土壤团聚体水稳性和抗剪强度等[1-3]，从而造成土壤抗侵蚀性降低，增加了水蚀和风蚀物质来源[4]。特别在东北黑土区土壤解冻期，表层土壤解冻，而深层土壤解冻不完全，从而形成一个临时不透水层，一方面其阻滞土壤水分下渗，易形成壤中流，增加融雪侵蚀强度；另一方面，当土壤水分沿这个冻与不冻接触面流动时，由于两层间的摩擦阻力减小，也可能加剧融雪侵蚀的发生[5]。因此，冻融作用增加了东北黑土区土壤侵蚀强度。而土壤温度是土壤热量传递与冻融变化的重要指标[6]，也是表征冻融作用强弱的关键指标；掌握农地土壤温度变化特征可为量化冻融作用程度和冻融作用对土壤侵蚀影响提供基础数据。

目前，对于东北黑土区土壤温度的变化研究主要集中在不同耕作方式、不同覆盖条件对黑土土壤温度的影响[7-10]，而对于冻融期土壤温度变化特征的研究较少。张科利等[11]的研究结果表明，土壤解冻速率与土壤腐殖质层厚度有关，腐殖质厚的土壤剖面解冻速率要比腐殖质层薄的土壤剖面的解冻速率小；李帅等[12]利用黑龙江省逐日气温与表层地温(0—20 cm深度)数据建立了地温预报方程，通过预测表层土壤温度的变化来指导当地播种期以及农业结构的调整；赵显波等[13]将黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段，并分析了冻融过程后耕层土壤水分的变化情况。Zhao等[14]对2009年东北克山地区冻融期土壤温度变化进行观测，发现克山地区土壤的冻结时间在129～155 d，土壤最大冻结深度为191～229 cm。吕红玉等[15]对佳木斯1981—2010年地温进行研究发现，0—80 cm深度土壤存在冻融变化，且80 cm土壤平均冻结期在118 d左右。此外，气温对土壤最大冻结深度和土壤冻融循环次数有重要影响，随着年平均气温的不断升高，季节冻土的冬季最大冻结深度不断减小[16]。Frauenfeld等[17]指出欧亚高纬度地区在1930—2000年来季节性冻土的最大冻结深度减少31.9 cm，平均每10 a减少4.5 cm。高思如等[18]对1990—2014年西藏季节冻土进行研究，发现西藏地区平均气温升高1 ℃，最大冻结深度减小约16.1 cm。土壤冻融次数也与气温呈负相关，Peng等[19]的研究表明在1967—2013年期间，青海—西藏地区年平均气温显著升高的同时，土壤冻融循环次数也在显著下降。近年来由于平均气温的上升，东北地区土壤有冻结深度减小、冻结期变短、融化期变长的趋势，而随着解冻期(3月)气温的上升以及降雪量的增加，土壤融雪侵蚀有加剧的可能[20-21]。然而，目前关于东北黑土区农地土壤剖面冻融循环特征以及土壤温度对气温变化响应的研究较少，尤其是针对不同地区土壤冻结与融化过程中耕层土壤冻融循环次数的研究还鲜见报导。

为此，本文拟利用2015—2018年11月至翌年4月东北薄层黑土区农地土壤剖面温度原位观测数据，并结合当地气象资料，分析该区土壤温度变化特征以及土壤温度变化对气温变化的响应，查清研究区土壤冻结与融化过程中耕层土壤冻融循环次数，以期为研究冻融作用对土壤侵蚀的影响提供基础数据，也为合理安排当地春季作物播种期等农事活动提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验观测地点位于黑龙江省宾州河流域，其地理坐标为127°24′04″E，45°45′13″N。宾州河流域位于松嫩平原东部，流域面积为375 km2，农地面积占总面积的60%左右[22]，属于温带大陆性季风气候，年平均气温3.9 ℃，年降水量约为548.5 mm，气温年较差较大，农地冬季封冻，春季解冻，冻融作用强烈。宾州河流域是典型的薄层黑土区(黑土层厚度小于40 cm)，土壤类型以黑土为主，黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和砂粒(>0.05 mm)的含量分别为和29.4%，61.3%和9.3%；土壤有机质含量约为20.2 g/kg(重铬酸钾氧化—外加热法)，pH值为6.1(水浸提法，水土比2.5∶1)[23]。

1.2 观测方法

在宾州河流域典型农地布设土壤温度监测系统L93-1温度记录仪(上海发泰精密仪器仪表有限公司)，该系统设有8个温度传感器，每隔1 h自动记录一次土壤温度，测量精度为0.01 ℃。在土壤剖面各层埋置土壤温度传感器时，先开挖土壤剖面，然后根据土壤剖面各土层的土壤密度从下层至上层回填土壤，在回填土壤过程中将温度传感器按土壤剖面分层埋置。共开挖2个200 cm的土壤剖面，并分别将温度传感器埋置于5，20，40，60，80，120，160和190 cm的土层深度，即每个土层深度的温度观测有2个重复。

研究时段内的逐小时气温数据由中国气象局—黑龙江省气象数据中心提供。研究区农地冻融过程多发生在11月至翌年的3月下旬，因此为完整记录土壤冻融过程中的温度变化，本研究采集2015—2018年宾州河流域典型农地2 m土壤剖面11月至翌年4月的土壤温度数据，并结合气温数据分析东北黑土区农地土壤冻融过程中土壤剖面温度变化特征及其对气温变化的响应。

1.3 数据处理

本文使用 SPSS 23.0 软件对试验数据进行相关性分析，使用Excel 2010软件进行绘图。土壤日均温和年均温均为相应时段监测数据的算术平均值。

2 结果与分析

2.1 冻融过程中土壤温度对气温变化的响应

土壤温度变化是土壤随着太阳辐射和大气温度的变化而吸收或释放能量的过程[24]。在11月至翌年4月的整个冻融过程中，土壤温度变化与气温的变化趋势一致(图1)，其总体呈先下降后上升的变化趋势，且随着土层深度的增加，土壤温度波动变化受气温的影响逐渐减少。

图1 2015-2018年冻融期大气温度与土壤温度变化关系

在每年11月份，气温迅速下降，各土层温度随之下降。当土壤进入冻结期后，土壤温度变化较为平缓，不同监测深度的土壤温度均高于气温。在当年3月份，随着气温的快速上升，土壤温度开始快速升高且变化幅度较大。研究区11月至翌年4月气温的变化范围为-30.40～18.33 ℃，其温差达到48.73 ℃。与气温相比，土壤温度的变化幅度较小。土壤温度最高值和最低值均出现在0—5 cm土层中，其值分别为15.22 ℃和-10.13 ℃，其温差达到25.35 ℃；5—20 cm土层的土壤温度变化于-6.00～10.74 ℃之间，温差达到16.74 ℃。随着土层深度的增加，土壤温度变化幅度逐渐减小，当土层深度达到40 cm以上时，土壤温度的变化范围为-2.00～14.40 ℃，40 cm以下各层土壤温差均介于8.28～9.72 ℃的范围内。

与气温变化相比，土壤温度变化出现滞后现象，且滞后时间随土壤深度的增加而增大。例如在2018年1月11日，日均气温陡然升高，并在1月14日达到升温以来的峰值(图1c)，而40 cm以内的土壤在1月13日至1月14日开始升温，并在1月18日至1月20日达到升温以来的峰值。40 cm以下土层土壤温度受气温变化影响较小，并未出现明显的峰值。

利用5日滑动平均法来计算气温与土壤温度稳定超过0 ℃的时间，发现与气温稳定超过0℃的日期相比，0—5 cm土层土壤温度稳定超过0 ℃的日期滞后0～1 d，而5—40 cm土层土壤温度滞后于气温3～11 d。

将2015—2018年11月至翌年4月土壤冻融过程中各土层土壤温度与气温进行相关分析(表1)，发现除了60—80 cm土层外，其余各土层土壤温度均与气温呈显著相关，其中0—60 cm土壤温度与气温呈极显著正相关(p<0.01)，且随土层深度增加，土壤温度与气温的相关性减弱；而80 cm土层以下，土壤温度与气温呈显著或极显著的负相关。这表明土壤温度变化受到气温变化的影响，且随着土层深度的增加，土壤温度变化受气温变化的影响逐渐减小。

已有研究指出0—5 cm土壤温度变化与气温变化具有很好的一致性，其相关系数达到了0.8以上(p=0.01)[24-25]。杜军等[26]通过对近45年拉萨气温与同期0—40 cm土壤温度的相关分析发现，二者相关系数均在0.573以上(p=0.01)，这与本文的研究结果相符。3月份气温开始回升之后，120—190 cm土壤温度还在持续降低，这是深层土壤与气温相关系数呈负数的主要原因。

表1 2015-2018年冻融期不同深度土壤温度和气温的相关系数

注：**表示极显著相关(p<0.01)，*表示显著相关(p<0.05)，-表示负相关。

2.2 冻融过程中农地土壤剖面温度变化特征

地表土壤热量主要源于太阳辐射，土壤吸收热量后，在土壤内部产生热传导，导致土壤温度在不同土层深度间存在差异[27]。这里基于整个冻结融化期的土壤温度实测资料，对2015—2018年冻融过程中月均土壤温度进行分析，研究农地不同深度土壤温度变化特征。图2表明，11月至翌年的2月，土壤温度随土层深度的增加而增加；3—4月份，表层土壤升温较快，土壤温度梯度发生反向改变；当土壤完全消融后，土壤温度随着土层深度的增加而递减，且各土层土壤温差呈现先降低后增加的趋势。以2017—2018年为例，在土壤冻结期的11月到翌年的2月，0—5 cm土层土壤温度月均值最低为-7.73 ℃，不同土层深度最大土壤温度差值可达14.95 ℃；3月份0—80 cm土层土壤升温明显，而80—190 cm土层土壤温度变化较小，不同土层深度土壤温度差异减小至4.12 ℃；4月份，不同深度土壤温度差异逐渐增大，温差达到7.14 ℃。

2.3 冻融过程中农地土壤冻融循环特征

2.3.1 土壤冻结与消融过程 采用土壤温度日均值开始持续<0 ℃作为冻结开始时间，持续>0 ℃作为消融开始时间[28-29]，分析研究区2015—2018年不同土层深度土壤冻结融化发生日期与持续时间。结果表明(图3)，土壤冻结和融化过程分别为单向冻结和双向融化。在冻结过程中，观测期间农田土壤冻结方式为单向冻结。在土壤冻结初期，气温在0 ℃上下波动，0—5 cm土壤开始昼融夜冻，至11月中旬，0—5 cm土层形成了白天不能解冻的冻层；此后随着气温的逐渐降低，冻层稳定向下发展，冻结开始日期逐渐滞后；至次年2月上旬，冻结深度达到最大，其值为80 cm。研究区0—80 cm土层内存在冻融交替，而80 cm以下土层的土壤温度始终高于0 ℃，没有冻融现象发生。从土壤开始冻结至土壤达到最大冻结深度历时81～82 d；其中0—5 cm土层土壤冻结时长为130～137 d，随土层深度的增加，土壤冻结天数呈减少趋势，对于60—80 cm土层，土壤冻结时长仅为34～38 d。

图2 2015-2018年冻融期土壤温度随土层深度的变化特征

在土壤消融阶段，由于受地表气温回升和深层不冻结土层热流的双重影响[30]，土壤融化过程从地表向下和冻结层下部向上同时进行，土壤消融过程受到气温和降雪等因素的影响。在2016年，60—80 cm土层最先在3月11日消融，之后，由于气温的回升， 0—20 cm土层开始出现昼融夜冻现象。至3月24日，5—20 cm土层完全解冻，而0—5 cm土壤仍然处于昼融夜冻过程中，白天解冻，在夜晚重又形成冻层，此时形成“双冻层”[31]，即0—5 cm的表冻土层与20—60 cm的原冻层，双冻层之间的解冻土层厚度在15 cm以下。

2017年解冻期土壤解冻模式与2016年相似。在2018年，60—80和40—60 cm土层在3月14日至3月19日依次融化。随着气温的升高，3月22日，0—5 cm土壤出现昼融夜冻现象，随后5—40 cm土层消融，在3月31日，0—5 cm土层才完全消融。所有土层在3月下旬完全消融，融化时长为17～19 d，远小于土壤冻结所需时间。

图3 2015-2018年冻融期土壤冻结深度变化特征

2.3.2 土壤冻融循环次数 一般认为如果某一深度的土壤温度存在经过0 ℃的日变化时, 则该层土壤存在冻融现象。因此，这里将土壤日最高温度(Tmax)大于0 ℃且土壤日最低温度(Tmin)小于0 ℃作为土壤存在冻融循环现象的依据[32-33]。研究结果表明，不同深度的土壤经历的冻融循环次数有较大差别。在11月至翌年4月土壤冻结与融化过程中，随着土层深度的增加，土壤经历的总的冻融循环次数减少，冻融循环现象主要出现在耕层0—20 cm土层。此外冻融循环的开始日期也随着土层深度的增加而推迟。在2015—2016年，0—5 cm土层深度的土壤在2015年11月15日至11月16日经历2次冻融循环后完全冻结，并一直持续到2016年3月15日；到3月16日0—5 cm土壤开始昼融夜冻，在3月25日土壤完全解冻之前经历了10次昼融夜冻循环。5—20 cm土壤在2015年11月18日经历1次冻融循环后完全冻结，直至2016年3月18日5—20 cm土壤开始昼融夜冻，在3月23日土壤完全解冻之前经历了6次昼融夜冻循环。总体上，0—5 cm土壤在整个冻结融化过程中共经历了12次冻融循环，即晚秋早冬的2次冻融循环和春季10次冻融循环；而5—20 cm土壤共经历7次冻融循环，即晚秋早冬的1次冻融循环和春季6次冻融循环。在2016—2017年，0—5 cm土壤共经历了10次冻融循环，即晚秋早冬的2次冻融循环和春季8次冻融循环，5—20 cm土壤共经历了5融循环，即晚秋早冬的2冻融循环和春季3次冻融循环。在2017—2018年，0—5 cm土壤共经历了12次冻融循环，即晚秋早冬的3次冻融循环和春季9次冻融循环，而5—20 cm土壤共经历了2次冻融循环，即晚秋早冬的1次冻融循环和春季1次冻融循环。综合多年观测，0—5 cm和5—20 cm土壤经历的最大冻融循环次数分别为12次和7次。与0—5 cm土壤相比，5—20 cm土壤开始经历冻融循环的日期要推迟1～9 d。

2.4 冻结期与消融期农地耕层土壤温度的日变化特征

以2016年1月22日(图4a)和2016年3月25日(图4b)的日土壤温度数据为代表，分析冻结期与消融期农地耕层土壤温度日变化特征。可以看出，在冻结期(图4a)，尽管气温有明显的峰值变化，但土壤温度日变化曲线接近直线，0—5 cm土壤温度日振幅仅为0.4 ℃。而进入消融期后(图4b)，气温日变化大于冻结期，表层土壤温度日振幅也明显增大。0—20 cm土层土壤温度呈“正弦曲线”形式变化，0—5 cm土层土壤温度的日振幅最大，土壤最高和最低温度出现的时间最早。随着土层深度的增加，土壤温度的日振幅逐渐减小，土壤温度最高和最低出现的时间逐渐滞后。气温在13:00—14:00之间达到最大值，0—5 cm土层土壤温度最高值出现在14:00左右，增温率为1.43 ℃/h，最低值出现在8:00左右，降温率为0.48 ℃/h，升温迅速而降温缓慢。与0—5 cm土层相比，5—20 cm土层的土壤温度变化幅度明显减少；在土壤温度日变化过程中，5—20 cm土层土壤温度最高值出现在19:00左右，最低值出现在10:00左右，升温率和降温率分别为0.28和0.17 ℃/h ，也是升温迅速而降温缓慢，但其变化速率低于0—5 cm土层。

图4 2016年1月22日冻结期(a)和2016年3月25日消融期(b)土壤温度日变化特征

3 讨 论

积雪具有高反照率，大热容量和高绝热率的特性[34]，能够阻碍气象因子对土壤导热率和热通量的影响，改变土壤湿度，进而对土壤冻融过程产生影响[35]。为此，根据CLM(community land model)模式的雨-雪判据，将2.5 ℃作为降雨和降雪的临界温度[36]，根据黑龙江省气象数据中心提供的逐日降水和气温得到了日降雪数据，发现2015—2016年、2017—2018年降雪总量分别为52.7和34.0 mm。在2015—2016年，降雪集中在12月份，降雪量达到25.6 mm，气温也在持续降低，而5 cm土壤温度有所回升，与11月5 cm土壤月均温相比，温度回升1.21 ℃；在2017—2018年12—1月气温持续降低的情况下，1月份5 cm土壤月均温度回升0.55 ℃(图5)。在2018年3月，研究区降雪量为13.1 mm，占当年总降雪量的34%，导致当年0—5 cm土壤消融缓慢。这是由于在冻结期，土壤与大气间的热量传递主要是由土壤向大气传递，而积雪覆盖阻隔了土壤和大气的热量交换，加之深层土壤向浅层土壤输送热量，使得表层土壤温度升高，减缓土壤冻结速度。而在消融期，气温逐渐升高，土壤与大气间的热量传递主要是由大气向土壤传递，积雪覆盖则导致表层土壤升温缓慢，使得土壤开始消融日期滞后[37-38]。

除了积雪影响外，土壤湿度也对土壤温度产生影响，且二者存在着一定的相关关系[39]。赵显波等[40]的研究表明，在土壤冻结融化期，阳坡0—15 cm黑土耕层土壤湿度随土壤温度变化呈线性相关关系，且线性相关显著。在冻融过程中，土壤水分在土壤温度梯度的作用下发生运移[41]，而水的比热容较大，土壤水分在产生相变的过程中会释放或者吸收大量热量，降低土壤温度的波动幅度，延缓土壤冻结与融化进程[42-43]。因此土壤含水量的多少会极大地影响土壤冻融过程与土壤温度变化状况。气温、降雪、土壤特性(土壤类型，体积密度、孔隙率和热和水力传导率)等因素的差异会使土壤冻结融化过程与土壤冻融特征有所不同[33]，本文仅讨论了东北典型薄层黑土区农地土壤温度对气温的响应，有关气温、降雪深度、土壤水分等对土壤冻融过程综合影响将在之后的研究进行讨论。

图5 2015-2016年(a)和2017-2018年(b)冻融期降雪量、气温与表层土壤温度变化状况

4 结 论

(1) 研究区11月至翌年的2月，土壤温度随土层深度的增加而增加，且表层土壤温度变化幅度大于深层土壤；3—4月，表层土壤升温较快，土壤温度梯度发生反向改变；当土壤完全消融后，土壤温度随着土层深度的增加而减小。研究期内气温变化范围为-30.40～18.33 ℃，温差达48.73 ℃。与气温变化相比，土壤温度的变化幅度较小，且随着土壤深度的增加，土壤温度变化幅度呈减小趋势，其中0—20 cm土壤温度变化幅度较大，其变幅分别为25.35和16.74 ℃；40—190 cm土壤温度变化介于-2.00～14.40 ℃之间，各土层土壤温差变化介于8.28～9.72 ℃之间。

(2) 除60—80 cm土层外，其余各土层土壤温度均与气温呈显著相关，其中0—60 cm土壤温度与气温呈极显著正相关，且随土层深度增加，土壤温度与气温的相关性减弱；而80 cm土层以下，土壤温度与气温呈显著或极显著负相关。

(3) 研究区土壤冻结和融化过程分别呈单向冻结和双向融化现象。冻结期，土壤在2月上旬达到最大冻结深度，其值为80 cm。从土壤开始冻结至土壤达到最大冻结深度历时81～82 d，其中0—5 cm土层土壤冻结时长为130～137 d；随土层深度的增加，土壤冻结天数呈减少趋势，至60—80 cm土层时土壤冻结时长仅为34～38 d。土壤融化期，80 cm以内土壤在3月下旬完全消融，融化时长为17～19 d。在11月至翌年4月土壤冻结与融化过程中，冻融循环现象主要出现在耕层0—5和5—20 cm土层，期间二者经历的最大冻融循环次数分别为12和7次。

(4) 冻结期内，土壤温度日变化曲线接近直线；消融期内，0—20 cm土层土壤温度呈正弦曲线变化；且随着土层深度的增加，土壤温度的日振幅逐渐减小，土壤最高和最低温度出现的时间逐渐滞后。