3.2.4　不同潜水位下土壤温度

入冬后，随着气温的逐渐降低，土壤温度逐渐降低并出现冻结，当冻结锋面以一定的速率向下推进时，这就使土壤的温度剖面发生较大的变化。在地下水浅埋区，冻融期土壤剖面温度由于潜水位埋深不同而表现出不同的特征。

1.土壤剖面温度变化

根据太谷均衡实验站冻融期4种不同潜水位埋深下的两种土壤质地土壤温度监测结果，绘制了冻融期土壤剖面温度变化等值线图，见图3.8。

从等值线图可直观地看出，砂壤土和壤砂土两种不同土壤质地的土壤温度的变化特征，整个冻融期土壤温度均经历降低—稳定—回升的变化过程。总体上来看，土壤温度的变化滞后气温变化，且滞后时间随土壤深度的增加而增大。入冬以来，随着太阳辐射的减弱和外界气温的逐渐降低，土壤温度逐渐降低，表层20cm地温受外界因素影响变化较剧烈。随着土壤深度的增加，等温线变稀疏，土壤剖面温度梯度变小。冻融期，土壤剖面温度的变化受地表温度的影响，而地表温度与外界气温变化相一致［25］。因此，土壤剖面温度在温度梯度的作用下逐渐降低，与气温相比表现出滞后现象。

潜水位埋深为0.5m时，冻融期土壤温度较低，变化较为剧烈，温度梯度也较大。20cm以内土壤温度在1月中旬降到最低。之后，温度开始螺旋式回升。而30cm深度以下的土壤温度则在温度梯度的作用下继续下降，2月初降到最低。2月中旬，太阳辐射增强，气温逐渐回升，各深度范围内土壤温度升高。当潜水位埋深大于1.0m时，不同潜水位埋深下的土壤剖面温度变化趋势相似，对比土壤剖面－1℃等温线可知，潜水位埋深越大，等温线最低点出现的时间越迟，可见，在负温梯度的作用下，潜水位埋深越大，负温向下传递时间较长。

图3.8　2004—2005年冻融期不同潜水位埋深下土壤剖面温度变化等值线图

在地下水浅埋区，土壤剖面温度的变化与水分的迁移关系密切，二者相互影响相互制约，当某点的土壤温度降低时就会出现水分向该点的聚集进而相变为冰，而冰的导热系数比土壤大，所以冻结锋面向下推进过程是在负温梯度作用下进行的，当冻层稳定不再向下发展时，冻结锋面处的温度等值线呈近乎水平，在2月下旬，冻层消融解冻加快，0～20cm处土壤温度等值线密集排列，表明在土壤含水率、外界气温、太阳辐射等影响下温度变化剧烈。

总体上来看，0～30cm土壤温度等值线变化较为剧烈，受外界气温和太阳辐射的影响较大，呈现与日平均气温相似的变化趋势。当土壤深度大于40cm时，剖面温度变化相对较小。

（1）潜水位埋深对土壤剖面温度的影响。通过对12月初至次年2月下旬不同深度处土壤温度进行对比发现，潜水位埋深为1.0m时土壤温度较高。以砂壤土为例，20cm处的土壤温度较0.5m、1.5m和2.0m埋深下的分别高0.43～1.25℃、0.20～2.60℃、0.04～2.36℃；50cm处的土壤温度较0.5m、1.5m和2.0m埋深下的高0.41～1.15℃、0.04～1.41℃、0.07～0.89℃；70cm处的土壤温度较1.5m和2.0m埋深下的高0.23～1.84℃、0.01～0.72℃。冻融期影响土壤温度的因素较多，潜水位埋深不同，剖面土壤含水率不同，土壤含水率是影响土壤温度的一个复杂因素，冻融期1.0m埋深下潜水进入土壤剖面的水量最大，由于水分冻结过程中会释放较多潜热，从而使土壤温度略有升高。2月下旬之后，随着太阳辐射的进一步增强和气温回升，0.5m埋深下由于土壤含水率较高，其土壤温度低且回升较慢。

可见，潜水位埋深越浅，土壤温度的回升需要吸收较多的热量，因此在消融期土壤温度较低且回升缓慢，潜水位埋深越大土壤温度则回升迅速。

（2）土壤质地对土壤剖面温度的影响。土壤质地对土壤温度的影响较为明显，如果土壤颗粒较细，其持水性好，剖面含水率较高，这样就增大了土层的导热系数，那么在地表负温的作用下，一般情况下土壤剖面温度就低。图3.9为冻融期不同潜水位埋深下砂壤土和壤砂土30cm处土壤温度对比。可见，颗粒较细的砂壤土温度总体上低于壤砂土；2月下旬土壤温度回升时，壤砂土由于土壤含水率较低，在太阳辐射下升温较砂壤土快。

2.冻融期土壤温度时空变异特征

冻融期地下水浅埋区土壤剖面温度出现正值和负值，采用极值比Ka反映温度变幅不科学。数学上一般用样本方差D（x）来度量随机变量x与其均值E（x）的偏离程度，样本方差的算术平方根称为标准差或均方差，样本方差和样本标准差都是衡量一个样本波动大小的量，样本方差或样本标准差越大，样本数据的波动就越大。但标准差能够真实反映离散程度，离散系数Cv采用样本标准差与均值进一步反映样本数据的离散程度，Cv值越大，表示样本数据离散（变异）程度越大，反之就越小。对于冻融期土壤温度而言，当样本数据有正值和负值且均值为负值时，Cv值无意义。表3.5为28组土壤剖面温度监测数据的分析结果。

图3.9　冻融期不同潜水位埋深下30cm处土壤温度对比

表3.5　2004—2005年冻融期土壤剖面温度变化的分析结果

续表

可见，土壤温度的变幅随着深度的增加而减小。这是由于水的比热较大，如果土壤含水率越高，温度升高或降低需要吸收或释放较多的热量。壤砂土由于土壤含水率较砂壤土小，同一深度的土壤温度变幅较砂壤土大。潜水位埋深为0.5m时，砂壤土和壤砂土含水率均较大，同一深度的土壤温度标准差几乎相近，砂壤土土壤温度均值较壤砂土低0.07～0.62℃。潜水位埋深大于0.5m时，同一深度的壤砂土温度标准差较砂壤土大。

随着潜水位埋深的增加，对于某一深度土壤温度，其变幅增大，0～30cm较为明显，对于砂壤土而言，0.5m埋深下的0～30cm土壤温度最大为0.91℃，最低为－9.86℃，土壤温度标准差为1.67～2.76℃，2.0m埋深下土壤温度最大为1.11℃，最低为－11.27℃，标准差为1.95～3.62℃；对于壤砂土，0.5m埋深下的0～30cm土壤温度最大为1.07℃，最低为－9.60℃，标准差为1.72～2.78℃，2.0m埋深下土壤温度最大为1.01℃，最低为－12.31℃，标准差为3.10～3.97℃。

可见，土壤剖面温度与土壤含水率联系紧密，潜水位埋深越大，冻融期剖面土壤含水率越小，土壤温度的变幅越大。