季节性冻土区冻结深度变化对土壤水分垂向分布的影响机制研究

Freezing-thawing processes in seasonal frozen soil regions have been significantly changed due to climate change. Characteristics of soil moisture dynamics has been consequently altered, which is one of the cutting-edge research areas in hydrology and water resources studies. The vertical fluctuations of soil moisture have been regarded as key characteristics of the fate and transport of soil moisture dynamics, which indicating the status and evolution of soil water cycling principle under changing climate. This study is conducted in out-door experiment field in typical seasonal frozen soil regions. In-situ observations are obtained via field experiments in terms of soil temperature and moisture under various soil depth. Fluctuations of frozen depth characteristics are quantified. Different phases of freezing-thawing processes are classified based on the modeling results of a physically-based head and water transport model. Hence, the vertical variations of frozen depth and soil moisture are revealed under various phases. Based on the results above, impacts of variations of frozen depth characteristics on soil moisture are examined under different freezing-thawing processes and phases via response function method. Results of this study are expected to contributed to the advance of the theory and influencing mechanism of soil water cycling under freezing-thawing environment, and provide references to the study of soil water resources in cold regions.

季节性冻土区土壤冻融循环过程在气候变化的影响下发生了显著变化，由此引发的土壤水分传输过程的改变是当前水文水资源研究的前沿热点之一。土壤水分的垂向分布是表征土壤水分迁移转化规律的关键性特征，其分布与变化对阐明气候变化下土壤水分循环演变规律具有重要指示作用。本研究拟在申请人已开展的寒区水循环过程观测与模拟研究成果的基础上，基于土壤冻融循环机理实验对土壤温度与水分的观测，定量刻画土壤冻结深度特征的变化过程；利用基于物理机制的水热耦合模型，研究不同冻融阶段冻结深度的演化路径，揭示不同冻融过程的冻结深度与水分的垂向分布规律；构建冻结深度特征与水分的响应函数，分析二者在不同冻融过程、不同冻融阶段的响应关系及差异性，探索季节性冻土区冻结深度变化对土壤水分垂向分布规律的影响机制。研究成果有望对深入探究冻融作用下土壤水分循环特征及其影响机制提供基础支撑，为支撑气候变化下寒区土壤水资源利用研究提供科学依据。

气候变暖影响下季节性冻土区土壤冻融作用对土壤水分垂向分布的影响加剧，针对气候变化下土壤水分垂向分布的变化规律及成因尚需更多实测数据与区域化验证等问题，围绕土壤冻融过程特征解析、冻结深度与土壤水分垂向变化规律、冻结深度变化对土壤水分垂向分布的影响等研究内容，开展了资料整编、补充监测、数值模拟等工作，取得一系列研究进展。.一是通过收集长系列冻土观测数据和开展连续原位观测发现，不同埋深土壤温度在波动性、变化幅度、滞后性方面存在差异，冻融周期一般为10月中下旬至次年5月中上旬，可划分为不稳定冻结、稳定冻结、不稳定融化、稳定融化4个阶段，哈尔滨站年最大冻结深度从上世纪50、60年代的150cm以上减少到2022年的80cm左右，长春站年最大冻结深度也呈显著减少趋势。.二是模拟了不同冻融循环过程下土壤冻结深度和土壤水分、温度的演化过程。基于不同土壤释水曲线方程的土壤温度模拟效果均较好，土壤水分模拟效果在不同方法间差异性较大。稳定冻结阶段冻结深度以单调递增发展速率增加直至最大冻结深度，稳定融化阶段呈现以冻结层上边界向下融化为主、冻结层下边界向上融化为辅的双向融化特征。.三是分析了冻结深度演化过程中土壤水分的垂向响应。稳定冻结阶段冻结深度逐渐增加，土壤水分呈减少趋势，特别是冻结锋面埋深处土壤水分减少最显著，主要是由于土壤水-冰相变后，土壤液态含水量显著减少。在稳定融化阶段，冻结层上边界下移，土壤水分呈增加趋势，但由于融化期土壤中固态冰融化形成液态水，伴随融化期降水增多，土壤水在重力势和基质势的控制作用下的运动变得更为复杂。.研究进一步丰富了季节性冻土区土壤冻融过程监测基础数据，揭示了气候变化下季节性冻土区冻融过程最新的变化特征，验证了土壤水热耦合模型在不同冻融过程模拟中的适用性，揭示了冻结深度变化对土壤水分垂向分布的影响，为进一步揭示寒区水循环机理、分析气候变化对坡面产流过程的影响提供数据和技术支撑。