不同放牧强度下内蒙古草原季节性冻融土壤生态水文过程及其模型模拟

Soil freeze-thaw cycles play an important role in the ecological and hydrological processes in the cold area. This study focused on the interactions of soil and ecohydrological processes under different grazing intensities in a seasonally frozen soil of Inner Mongolia grassland. Using the long-term field monitoring dataset including soil water, temperature and snowmelt water, lab measurement of frozen soil hydraulic conductivity and the shifed soil properties influcend by soil freez-thaw cycles, we analysed the differences of soil water and heat fluxes associated with grazing-induced soil function changes under different grazing treatments, and parameterized the impedance factor to hydraulic conductivity due to the presence of ice crystals. Based on this, snow hydrology model was developed and incorporated into HYDRUS-1/2D to simulate the snowmelt infiltration and soil freeze-thaw cycles in the partially frozen soil. After model calibration and validation, we are able to evaluate the contributions of spring snowmelt and soil thawing to the summer water budget. Consequently, we provided a way to improve water use effeciency and grass productivity for grassland, through adjusting the amount of water resources, its type and seasonal transfer, as well as the available strategies of pasture applications.

土壤冻融过程在寒区生态和水文系统中有着重要作用。本研究以内蒙古草原季节性冻土区不同放牧强度条件下土壤生态水文过程为对象，利用长期持续田间定位监测的土壤水分、温度和冰雪融水等数据，室内测定冻融处理前后土壤性质变化以及冻结条件下土壤导水率，结合数值模型模拟的方法，准确刻画不同放牧强度下土壤水热差异及其动态；探讨冻融交替对土壤物理、水力学、热和力学性质的影响；量化土壤冻结条件下冰晶形成对土壤导水率的阻塞效应，从而实现冻结土壤导水率参数化；并据此进一步改进和发展HYDRUS-1/2D模型积雪水文学子模块，使该模型得以模拟春季融雪和土壤消融对夏季土壤水分补给乃至径流形成的影响，并用田间实测数据验证之。在深入认识内蒙古草原季节性冻融期土壤-生态-水文耦合效应的基础上，从水资源的数量、形态、季节转化及放牧活动的实施等方面，探究如何提高草地水分利用效率和植被生产力，为该地合理有效的放牧措施提供理论依据。

土壤冻融过程在寒区生态和水文系统中有着重要作用。本研究以内蒙古草原季节性冻土区不同放牧强度条件下土壤生态水文过程为对象，利用长期持续田间定位监测的土壤水分、温度、冻土深度和冰雪融水等数据，室内控制试验分析冻结条件下土壤导水率、导热率参数，结合数值模型模拟的方法：1）明确了不同放牧强度条件下（1979年围牧：UG79；1999年围牧：UG99；持续中度放牧：CG）土壤水热状况，积雪厚度和土壤冻结深度差异。其中UG99贮水量最高，UG79和CG处理土壤水分贮存相似，说明适度放牧并没有显著影响土壤水分；与地上覆盖度相关，地表积雪厚度有明显差异，其中CG处理积雪厚度最小，冻土深度最深（150 cm），而UG99冻后聚墒效应最明显，有利于来年草地生长水分补给；2）量化了土壤冻结条件下冰晶形成对土壤导水率的阻塞效应，构建了冻结土壤导水率参数化方案；同时完成了冻土导热率测定及其影响因素分析，提出了一个新的形式简单且数学物理意义明显的土壤热导率方程；发现土壤热脉冲法对于有机质含量高的土壤在0至-4 ℃之间测定误差较大，而对于沙质土壤0至-2 ℃之间误差较大；3）三个处理土壤剖面N2O浓度均在土壤冻融期内急剧增加，其中CG处理土壤剖面N2O平均浓度最高，与UG79、UG99 差异显著；4）基于以上结果，改进和发展了HYDRUS-1/2D模型积雪水文学子模块，使该模型得以模拟春季融雪和土壤消融对夏季土壤水分补给乃至径流形成的影响；模型模拟结果和田间实测数据吻合，表明了当前新拓展模型的有效性。最后，基于内蒙古草原季节性冻融期土壤-生态-水文耦合效应特征，从水资源的数量、形态、季节转化及放牧活动的实施等方面，提出提高草地水分利用效率和生产率的措施。