雪盖及土壤冻融条件下温带混交林土壤水热传输的研究

雪盖及冻融条件下土壤水热传输是陆地表面过程的一个重要组分，对于中高纬度地区的陆面过程尤其重要，而包含林冠降雪截留过程的土壤水热传输耦合模型在国内几乎没有。本项研究拟以我国温带典型森林生态系统- - 长白山红松针阔叶混交林为研究对象，以林冠对降雪的截留和雪盖对土壤水热传输的影响为主要依据，在降雪分配观测和大气、土壤等环境因子同步观测的基础上，利用非冻土-冻土-雪盖-（植被-雪盖）连续体的分析方法，构建温带混交林雪盖和土壤冻融条件下土壤水热传输的机理模型，利用降雪和土壤温湿度观测结果进行对比检验，并预测不同气象条件下土壤水热传输的变化，为准确评估森林中积雪和冻融条件下的陆面过程描述提供理论依据。

本研究对长白山针阔叶混交林积雪覆盖和雪面蒸发速率进行了定量分析，对土壤水热传输的时空变化特征作了详细分析和模拟，并对该地区土壤热传导方程中的关键参数进行了率定。主要结论如下：.（1）积雪覆盖和雪面蒸发速率具有明显的日、季节变化特征，与气象因子有显著关系。积雪蒸发日变化呈单峰形曲线，与净辐射、气温、饱和水汽压差和风速的日变化形式相同；在一个完整积雪期积雪蒸发总量约为25.3mm，积雪蒸发日总量平均值为0.18mm,时间变化趋势呈下降、稳定、上升，与净辐射呈二次曲线关系，与气温呈指数关系。.（2）林内和林外的土壤温度具有明显的时空变化规律。在垂直方向上，冬季土壤温度随着深度的增加而逐渐升高，3.2m深度处的土壤温度比表层月平均值可高达22℃。夏季土壤温度随着深度的增加而逐渐降低，3.2m深度处的土壤温度比表层月平均值可低至19℃。在年周期上，土壤表层温度的年变化最明显，呈单峰形曲线，最冷月为1月（-15℃）,最热月出现在7月（25℃）。较深层土壤温度的年周期与表层相似，但年最高与年最低温差异比表层小，且年最高和最低温出现的日期迟于表层。与土壤表层温度年变化特征相比，随着深度的增加，土壤温度年最高值逐渐减小，而年最低值逐渐增大，且极大值和极小值出现的时间依次滞后。阔叶红松林内土壤温度的时空变化规律与林外相似但又有一定差异。林内土壤表层温度年平均值低于林外，相差约0.8℃，且林内土壤表层温度的年较差也明显低于林外，前者为22℃，后者为39℃，这表明地上植被和积雪覆盖对土壤温度的影响较大。.（3）土壤水热传输方程中热扩散参数的率定。利用振幅法和相位法拟合出土壤热传导方程中的关键参数，即土壤热扩散率和阻尼深度，同时分析土壤温度年变化方程中的振幅和相位等参数。结果表明，林外和林内土壤温度的振幅、相位和平均值具有相似的垂直变化趋势，但其数值大小具有较明显的差异。随着深度的增加，土壤温度年周期的振幅逐渐减小、相位逐渐增大、平均值逐渐升高。而在地表以下相同深度处，林地土壤振幅比裸地低2.6–2.9℃，相位比裸地小0.2–0.24 rad，意味着极值出现的时间滞后约11–14天。根据振幅法和相位法推算的土壤温度的阻尼深度和热扩散率较为接近，从地表至1.6m深度的土壤层中，阻尼深度和热扩散率随着深度的增加而逐渐增大，而1.6–3.2m的土壤层内，阻尼深度和热扩散率则略有降低的趋势。