冻融过程协同植被退化对活动层水热过程的影响机理

发布时间:2021-10-17 13:24:36 论文编辑:vicky
本文是一篇工程硕士论文,本研究对青藏高原典型多年冻土区高寒草甸植被类型活动层的土壤性质、土壤水理性质、水热过程和水热耦合关系开展了研究,并分析了土壤性质在水理性质和水热关系中的重要作用,得出了一些结论,但还存在许多不足,主要有以下几个方面:(1)水热监测数据有限,仅一年的时间序列,对多年冻土区长期频繁的冻融循环作用下土壤性质和水热过程的长期变化研究及预测不够充分;

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义
冰冻圈中的水主要以固态形式储存于地下土壤、陆地表面和水体中,主要要素分别包括冻土、冰川和河、湖、海冰等,是地球上的巨大淡水资源库(Qin et al, 2018;  丁永建等, 2020)。冰冻圈与大气底部、整个生物圈和土壤圈相互依存、相互影响,储存了丰富的水能和热能,对气候暖化非常敏感(Cohen et al, 2014;  康世昌等, 2020)。在全球变暖的作用下,冰冻圈的变暖在不同区域不同季节并不相同,目前北极的平均气温与十九世纪六十年代相比较升高了 2.5℃,青藏高原近地表气温在 1961~2015 年间增加速率为 0.30 ℃/10a(Yao et al, 2012),而且,在寒冷季节和低温区的升温更为明显(Li et al, 2020; Zou et al, 2014)。在变暖环境下,冰冻圈各要素也发生了明显的变化,表现在冰川的大面积退缩和冰量的损失,海平面的上升和冻土的退化等(Bamber et al, 2018; Onarheim et al, 2018)。全球平均海平面在 2006—2015 年的上升速率是 20 世纪的 2.5 倍,为  3.6 mm/a(苏勃等, 2019)。
冰冻圈由于过去冰元素的持续累积,在暖化消融的开始一段时间内可以改善局部生态环境,为生物圈提供更好的生存环境和更多的可利用水资源。但冰冻圈的持续快速消融容易造成一系列的灾害和其他问题,如雪崩、洪水灾害、泥石流、碳的释放和极端天气事件等,严重影响生态环境变化和人类社会生存条件的变化(Adler et al, 2019; Wang and Xiao, 2019),同时也在不同的区域和空间上反馈于气候的形式和程度不同,表现出水文循环和生态系统的空间异质性。长此以往,在不同区域内随着冰冻圈各要素变化拐点时间的出现(Zhang et al, 2015; Zhang et al, 2019; Zhao et al, 2019;  丁永建等, 2020),气候变化对水资源、生态系统和社会生产的正效应开始向负效应转变,各圈层间的相互作用将会发生变化。全球地形地貌、区域气候、大气环流、水文过程、生态系统和生物类型等都将发生变化而达到新的动态平衡(Immerzeel et al, 2020; Lenton et al, 2008; Schellnhuber, 2009; 吕明侠等, 2020;  苏勃等, 2019),严重威胁人类社会和生态系统的稳定。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 冻土水热耦合
冻融过程是青藏高原普遍存在的冻结膨胀和融化收缩的现象,在这一过程中通常产生冻胀丘、融陷滑塌等地貌,自 16 世纪开始,研究者就已广泛关注冻土的冻胀问题(Liu et al, 2020; Wang et al, 2018)。冻土水热变化是冻融过程变化及其水热相关变化的原因,是区别于非冻土水文过程的关键之所在(冉洪伍等, 2019)。冻土关于冻融过程的研究包括冻土自身水、热、内外力性质的研究,水热耦合作用机理及其模型的研究,经历了从定性阶段到定量阶段的艰难发展过程。Jame and Norum(1980)于上世纪的八十年代发现,在冻融过程中,非饱和土壤的土壤水分在各种类型土水势的共同作用下发生了气态、液态和固态相间的相互转化和迁移。Shoop  and  Bigl(1997)建立并在田间验证了土壤水分运移的数学模型。热量的动态变化贯穿于水分相态、稳定状态变化和迁移过程的始终,既是冻土中水分运动的驱动力又受其影响。Wollschlager  et  al(2010)通过探地雷达(GPR)在区域上描述了不同下垫面的土壤内部水、热的分布状况和动态变化。Campbell(1987)发现土壤的热传导力与未冻水含量相关性显著。另外,由于冻融过程中水的相态的变化改变了土壤结构的重新分布,影响土壤的各种力学性质及土壤的稳定状态发生不断变化。土壤各种力学性质的变化又是冻土区工程安全和工程建设中必须考虑的重点问题。如冻融过程土壤凸起变形和塌陷等影响支持铁路、公路路基稳定的下覆土壤发生变化,影响工程使用寿命。Lehrsch et a(l1991)发现,黏粒含量不同,冻融变化对土壤团聚体的影响不同,其中,黏粒含量大于41%的土壤几乎不受冻融变化的影响。土壤黏粒含量<15%和在 15%~41%之间时受冻融变化的影响分别与冻融频率、含水量多少和黏粒含量关系密切。总之,冻融过程变化是土壤与水、热、作用力变化相互作用过程的结果,冻融过程与土壤介质及内部组成密不可分,研究冻土和冻土水文过程变化都必须考虑土壤内部各要素的相互作用关系。
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第二章 研究区概况和材料方法

2.1 研究区概况
2.1.1 青藏高原
青藏高原地形复杂,面积广阔,经纬度跨度大,从北纬 25°到 40°、东经 73°到 105°,分别横跨 15 个纬度和 32 个经度(Qiu, 2008),覆盖了中国 6 个行政省和国外 7 个国家的区域,是“一带一路”和高山冰冻圈研究的核心区域(康世昌 等,  2020;  康世昌等,  2020)。青藏高原及周边地区由于其强烈的地壳运动而高山发育、地震频繁,既有世界上最高的山峰—珠穆朗玛峰,同时也有仅 1503 m 海拔的金沙江。山脉包括东西向的喜马拉雅山、唐古拉山、冈底斯山、昆仑山和巴颜喀拉山等,南北向的大凉山、大雪山、宁静山和伯舒拉岭等。高山地形间发育着广泛的高原、谷地、盆地、峡谷和河流等地貌(李江海等, 2016)。另外,青藏高原由于大范围的冰川和冻土分布,区域内水系发达,包括分布在北部的内流河和主要集中于东部的外流河(黄河、长江、雅鲁藏布江、怒江等),青藏高原地貌和水系分布见图 2.1(Lu et al, 2017)。青藏高原素有“亚洲水塔”之美誉,由于冻融作用和气候变暖,热融湖成为青藏高原遍布的自然景观,为河流下游人民的农业、工业、生活和生态用水安全提供保障(Immerzeel et al, 2010)。
图 2.1   青藏高原地貌水系图(Lu et al, 2017)
图 2.1   青藏高原地貌水系图(Lu et al, 2017)
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2.2 材料方法
2.2.1 野外采样及室内分析
在风火山流域选择典型的研究样地并设立实验样点,以广泛分布的高寒草甸草地作为研究对象,根据植被覆盖度、地上生物量和表面裸露情况等(石明明等, 2020)设置轻度、中度和重度退化程度下的三个实验观测站点,在植被盖度变化上分别表现为高(90%)、中(55%)、低(25%)盖度。在每个站点开挖土壤剖面分别进行土样的分层采集,采样深度平均以 10 cm 厚为一个土壤层,由地表向下共 50 cm 深的土壤剖面上依次采集土壤样品。用 100 cm3 的环刀在各土壤层位沿 3 个不同的方向采集原状土壤样品,用来测定土壤容重(BD)和饱和导水率(KS),同时用自带的土样袋分别取 50g 左右的土样,在密封之后带回实验室,并对其土壤的基本理化性质进行分析。同时,在对应深度处,埋设 ECH2O  5TE(Decagon Devices, Inc)的土壤水热传感器,连续监测土壤水分和土壤温度的变化,设置时间间隔为每 15 分钟记录一次,测量精度分别为:±0.1℃(土壤温度)和±3%(土壤水分)。
土壤样品带回实验室经自然风干后,手动去除植物根系并过 2 mm 的土壤筛,然后分装到土样袋分别用于各项土壤性质的实验室测量。其中,土壤质地及土壤的粒径分布采用 Mastersizer 2000 型激光粒度仪(Malven 公司)来进行测定,土壤的有机质则采用 K2Cr2O7-H2SO4  法的滴定分析来测定(王栋等, 2002)。土壤的KS 则采用操作简便的定水头法来测定(Tian et al, 2017),BD 则采用烘箱的烘干法来测定,土壤水分特征曲线(SWCC)则采用 Himac CR-GIII 型高速离心机对环刀(100 cm3 容积)采集的原状土(环刀中土壤的结构、性质与野外土壤相同)其不同吸力作用下土壤含水量进行测定(Reatto et al, 2008; Tian et al, 2019),土壤的酸碱性即 pH  值则采用酸度计(PHS-3C 型)来进行测定。
土壤温度和土壤水分观测采用 ECH2O 5TE  在原位实时连续测量并记录,记录时段为 2018.7.25~2019.8.11。
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第三章 植被退化、冻融循环与土壤相互作用 ................. 17
3.1 土壤理化性质特征 ........................................ 17
3.1.1 土壤质地特征 .......................................... 17
3.1.2 土壤的理化性质 ........................................ 19
第四章 高寒草甸土壤水热过程与植被退化 ................... 31
4.1 土壤热变化 ............................. 31
4.1.1 土壤温度变化 ......................... 31
4.1.2 土壤冻融过程的影响因素 ................................ 35
第五章 结论与展望 ....................................... 51
5.1 主要结论 ............................ 51
5.2 不足与展望 ................................ 52

第四章 高寒草甸土壤水热过程与植被退化

4.1 土壤热变化
4.1.1 土壤温度变化
土壤温度是土壤水文过程的重要驱动因子,通过改变土壤水分的能态来调节其相态变化,控制其相态变化的强度和液态水分的运移速率,即土壤蒸散发、下渗和壤中流过程。研究区气候寒冷,土壤冻结持续时间长,对温度变化敏感。在研究样地的观测期内,多年冻土活动层的最高土壤温度主要发生在 8 月中、上旬,最低土壤温度发生时间为 1 月下旬。通过研究区不同植被盖度下的各观测点在观测期内的实测资料,分析了不同深度土壤温度的日最值、日较差变化过程和土壤温度的月变化,结果见表 4.1、4.2 和图 4.1、4.2。
表 4.1   最高、最低土壤温度
表 4.1   最高、最低土壤温度
表 4.2   土壤温度变化幅度
表 4.2   土壤温度变化幅度
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第五章 结论与展望

5.1 主要结论
多年冻土区活动层土壤的水热耦合关系和土壤性质对高寒植被生态系统具有重要的意义。本文以多年冻土区高寒草甸草地为研究对象,在青藏高原腹地风火山流域建立观测场地,通过水文要素的原位观测、利用地统计学方法和模拟分析,对土壤的基本属性、土壤的水—热变化过程、土壤水—热间的耦合关系及相互作用展开研究。得出结论如下:
(1)研究样地活动层土壤细颗粒含量均超过 75%甚至达到 95%,土壤以粉质土为主,砂粒含量成为影响土壤孔隙度和土壤水分运动的主要因素。土壤 pH值均大于 7.5,呈弱碱性,植被退化促进了土壤的盐碱化。植被退化伴随土壤的基本性质发生规律性变化,包括土壤质地、有机质、孔隙度和 BD 等,也影响各土壤性质在剖面的均匀性分布,高盖度>低盖度>中盖度。另外,由于草甸草地发达的根系网保护了表层土壤的退化,中盖度草甸土壤性质在剖面上出现了分层,0~20 cm 土壤范围比较接近高盖度草甸草地,20~50 cm 土壤层与低盖度草甸草地的接近。
(2)土壤水理性质与土壤基本理化属性间的关系密切。植被覆盖度的变化也影响土壤的持水能力、透水能力(KS)和容水能力(θS)等发生变化,高盖度草甸草地土壤表现出透水性强、而且土壤水分有效利用性好、持水性差的特点。高盖度草甸草地的 SWCC 在高基质势下陡峭,且随基质势降低逐渐变的平缓,低盖度草甸草地的 SWCC 均随基质势表现出平缓的变化。由于土壤根系层与冻融循环的作用,中盖度草甸草地的 SWCC 及土壤水理性质均与土壤基本性质一致,在剖面上呈现出分层现象。由于致密根系网的作用,10~20 cm 深土壤的 θS、θFC、θPWP、KS、θAWC和 θUWC在不同植被覆盖度土壤中都比较接近,分别相差仅0.5%、6.0%、6.8%、0.29 m/d、0.8%和 5.5%。
(3)土壤水理性质与土壤基本理化性质间关系密切。由相关性和逐步线性回归分析表明,在高基质势下(φ>-330  hpa),土壤水分主要影响因素是孔隙度和 BD,其次为土壤有机质,与土壤质地的关系较差,而在低基质势(φ<-330 hpa)下,主要影响因素为土壤质地,而且随基质势的降低土壤质地的作用越强烈,不再受孔隙度作用。由于细颗粒含量占比大,θFC和 θPWP都是砂粒的函数。θAWC与KS 分别表示非饱和与饱和土壤中土壤水分的运动性质,其中,有机质也强烈影响饱和土壤中土壤水分的运移性质。
参考文献(略)
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