3.2.4　不同潛水位下土壤溫度

入冬后，隨著氣溫的逐漸降低，土壤溫度逐漸降低并出現凍結，當凍結鋒面以一定的速率向下推進時，這就使土壤的溫度剖面發生較大的變化。在地下水淺埋區，凍融期土壤剖面溫度由于潛水位埋深不同而表現出不同的特征。

1.土壤剖面溫度變化

根據太谷均衡實驗站凍融期4種不同潛水位埋深下的兩種土壤質地土壤溫度監測結果，繪制了凍融期土壤剖面溫度變化等值線圖，見圖3.8。

從等值線圖可直觀地看出，砂壤土和壤砂土兩種不同土壤質地的土壤溫度的變化特征，整個凍融期土壤溫度均經歷降低—穩定—回升的變化過程?？傮w上來看，土壤溫度的變化滯后氣溫變化，且滯后時間隨土壤深度的增加而增大。入冬以來，隨著太陽輻射的減弱和外界氣溫的逐漸降低，土壤溫度逐漸降低，表層20cm地溫受外界因素影響變化較劇烈。隨著土壤深度的增加，等溫線變稀疏，土壤剖面溫度梯度變小。凍融期，土壤剖面溫度的變化受地表溫度的影響，而地表溫度與外界氣溫變化相一致［25］。因此，土壤剖面溫度在溫度梯度的作用下逐漸降低，與氣溫相比表現出滯后現象。

潛水位埋深為0.5m時，凍融期土壤溫度較低，變化較為劇烈，溫度梯度也較大。20cm以內土壤溫度在1月中旬降到最低。之后，溫度開始螺旋式回升。而30cm深度以下的土壤溫度則在溫度梯度的作用下繼續下降，2月初降到最低。2月中旬，太陽輻射增強，氣溫逐漸回升，各深度范圍內土壤溫度升高。當潛水位埋深大于1.0m時，不同潛水位埋深下的土壤剖面溫度變化趨勢相似，對比土壤剖面－1℃等溫線可知，潛水位埋深越大，等溫線最低點出現的時間越遲，可見，在負溫梯度的作用下，潛水位埋深越大，負溫向下傳遞時間較長。

在地下水淺埋區，土壤剖面溫度的變化與水分的遷移關系密切，二者相互影響相互制約，當某點的土壤溫度降低時就會出現水分向該點的聚集進而相變為冰，而冰的導熱系數比土壤大，所以凍結鋒面向下推進過程是在負溫梯度作用下進行的，當凍層穩定不再向下發展時，凍結鋒面處的溫度等值線呈近乎水平，在2月下旬，凍層消融解凍加快，0～20cm處土壤溫度等值線密集排列，表明在土壤含水率、外界氣溫、太陽輻射等影響下溫度變化劇烈。

總體上來看，0～30cm土壤溫度等值線變化較為劇烈，受外界氣溫和太陽輻射的影響較大，呈現與日平均氣溫相似的變化趨勢。當土壤深度大于40cm時，剖面溫度變化相對較小。

（1）潛水位埋深對土壤剖面溫度的影響。通過對12月初至次年2月下旬不同深度處土壤溫度進行對比發現，潛水位埋深為1.0m時土壤溫度較高。以砂壤土為例，20cm處的土壤溫度較0.5m、1.5m和2.0m埋深下的分別高0.43～1.25℃、0.20～2.60℃、0.04～2.36℃；50cm處的土壤溫度較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處的土壤溫度較1.5m和2.0m埋深下的高0.23～1.84℃、0.01～0.72℃。凍融期影響土壤溫度的因素較多，潛水位埋深不同，剖面土壤含水率不同，土壤含水率是影響土壤溫度的一個復雜因素，凍融期1.0m埋深下潛水進入土壤剖面的水量最大，由于水分凍結過程中會釋放較多潛熱，從而使土壤溫度略有升高。2月下旬之后，隨著太陽輻射的進一步增強和氣溫回升，0.5m埋深下由于土壤含水率較高，其土壤溫度低且回升較慢。

可見，潛水位埋深越淺，土壤溫度的回升需要吸收較多的熱量，因此在消融期土壤溫度較低且回升緩慢，潛水位埋深越大土壤溫度則回升迅速。

（2）土壤質地對土壤剖面溫度的影響。土壤質地對土壤溫度的影響較為明顯，如果土壤顆粒較細，其持水性好，剖面含水率較高，這樣就增大了土層的導熱系數，那么在地表負溫的作用下，一般情況下土壤剖面溫度就低。圖3.9為凍融期不同潛水位埋深下砂壤土和壤砂土30cm處土壤溫度對比?？梢姡w粒較細的砂壤土溫度總體上低于壤砂土；2月下旬土壤溫度回升時，壤砂土由于土壤含水率較低，在太陽輻射下升溫較砂壤土快。

2.凍融期土壤溫度時空變異特征

凍融期地下水淺埋區土壤剖面溫度出現正值和負值，采用極值比Ka反映溫度變幅不科學。數學上一般用樣本方差D（x）來度量隨機變量x與其均值E（x）的偏離程度，樣本方差的算術平方根稱為標準差或均方差，樣本方差和樣本標準差都是衡量一個樣本波動大小的量，樣本方差或樣本標準差越大，樣本數據的波動就越大。但標準差能夠真實反映離散程度，離散系數Cv采用樣本標準差與均值進一步反映樣本數據的離散程度，Cv值越大，表示樣本數據離散（變異）程度越大，反之就越小。對于凍融期土壤溫度而言，當樣本數據有正值和負值且均值為負值時，Cv值無意義。表3.5為28組土壤剖面溫度監測數據的分析結果。

可見，土壤溫度的變幅隨著深度的增加而減小。這是由于水的比熱較大，如果土壤含水率越高，溫度升高或降低需要吸收或釋放較多的熱量。壤砂土由于土壤含水率較砂壤土小，同一深度的土壤溫度變幅較砂壤土大。潛水位埋深為0.5m時，砂壤土和壤砂土含水率均較大，同一深度的土壤溫度標準差幾乎相近，砂壤土土壤溫度均值較壤砂土低0.07～0.62℃。潛水位埋深大于0.5m時，同一深度的壤砂土溫度標準差較砂壤土大。

隨著潛水位埋深的增加，對于某一深度土壤溫度，其變幅增大，0～30cm較為明顯，對于砂壤土而言，0.5m埋深下的0～30cm土壤溫度最大為0.91℃，最低為－9.86℃，土壤溫度標準差為1.67～2.76℃，2.0m埋深下土壤溫度最大為1.11℃，最低為－11.27℃，標準差為1.95～3.62℃；對于壤砂土，0.5m埋深下的0～30cm土壤溫度最大為1.07℃，最低為－9.60℃，標準差為1.72～2.78℃，2.0m埋深下土壤溫度最大為1.01℃，最低為－12.31℃，標準差為3.10～3.97℃。

可見，土壤剖面溫度與土壤含水率聯系緊密，潛水位埋深越大，凍融期剖面土壤含水率越小，土壤溫度的變幅越大。