寒地黑土冻融循环多过程驱动机制及协同调控（上卷）

本书针对当前寒区农业水土环境领域的热点问题，以松嫩平原黑土区的农田土壤为研究对象，以冻融循环过程中的“水文循环过程-物质迁移规律-水热运移趋势-综合调控机制”为研究主线，阐明土壤冻融循环多过程驱动机制及协同调控机理，构建有效的寒地黑土生境健康调控模式。本书共四篇十七章，分上下卷，其中，第1章至第9章为上卷，第10章至第17章为下卷，系统地研究冻融循环作用下的水文循环过程、物质迁移过程、水热运移过程和协同调控机制。本书的研究成果可为提升寒区农业水土资源利用效率、保护黑土地和保障国家粮食安全提供重要理论和技术支撑。本书的主要读者对象为农业科学、环境科学、土壤科学等领域的研究人员、高校师生，以及相关部门的决策者和农业技术推广人员。

序言

前言

0 绪论 1

参考文献 10

第1篇 冻融循环的水文循环过程

1 寒区冻土特征参数时空演变规律 15

1.1 土壤冻融状态的时空分布特征 15

1.1.1 研究方法 15

1.1.2 土壤冻融日期时空变化规律 21

1.1.3 土壤冻融期时空变化规律 24

1.1.4 季节性冻土最大冻结深度时空变化规律 29

1.1.5 讨论 31

1.2 不同土地利用类型下土壤冻融状态变化差异 33

1.2.1 黑龙江省土地利用概况 33

1.2.2 不同土地利用类型下土壤冻融状态变化 36

1.2.3 讨论 39

1.3 基于CMIP6气候模型的黑龙江省冻土变化趋势预测 41

1.3.1 黑龙江省冻土模拟验证 41

1.3.2 变化情境下季节性冻土最大冻结深度的时空特征 42

1.3.3 变化情境下黑龙江省冻土分布的时空特征 45

1.3.4 讨论 52

1.4 土壤冻融状态变化与环境、农业的相关关系 56

1.4.1 土壤冻融状态与冻融指数、最大积雪厚度相关关系研究 56

1.4.2 土壤冻融状态与土壤温度、土壤湿度相关关系研究 58

1.4.3 土壤冻融状态变化对农业生产的潜在影响 63

参考文献 65

2 寒区积雪特征参数及土壤水分时空演变规律 68

2.1 不同土地利用类型下积雪的时空变化特征 68

2.1.1 研究方法 68

2.1.2 不同土地利用类型下积雪参数的时间变化特征 70

2.1.3 不同土地利用类型下积雪参数的空间变化特征 78

2.1.4 讨论 84

2.2 不同土地利用类型下土壤体积含水量的时空变化特征 85

2.2.1 不同土地利用类型下土壤体积含水量的时间变化特征 85

2.2.2 不同土地利用类型下土壤体积含水量的空间变化特征 89

2.2.3 讨论 91

2.3 不同积雪参数与春季土壤体积含水量的相关分析 92

2.3.1 研究方法 93

2.3.2 不同积雪参数与春季土壤体积含水量的时间相关性 93

2.3.3 不同积雪参数与春季土壤体积含水量的空间相关性 94

2.3.4 不同积雪参数与春季土壤体积含水量的线性拟合 101

2.3.5 讨论 105

参考文献 106

3 寒区积雪消融过程研究 108

3.1 积雪消融监测装置设计 108

3.1.1 积雪消融监测装置结构 108

3.1.2 恒定风速设置的合理性 110

3.1.3 积雪消融监测装置的室外布置 110

3.1.4 试验方案与方法 112

3.2 风消系数与融雪水量估算 113

3.2.1 风消系数 114

3.2.2 融雪水量估算 116

3.3 积雪消融过程变化特征 118

3.3.1 室外试验结果 119

3.3.2 室内试验结果 123

3.3.3 风消系数 127

3.3.4 融雪水量估算 131

参考文献 133

4 寒区融雪水入渗机理研究 134

4.1 融雪水入渗公式推求 134

4.1.1 研究区概况与试验设计 134

4.1.2 土层中总水量计算 136

4.1.3 融雪水入渗量计算 136

4.1.4 融雪水入渗量公式的合理性分析 138

4.1.5 融雪水入渗率曲线 138

4.2 不同积雪厚度下土壤冻融参数变化差异 140

4.2.1 不同积雪厚度下土壤体积含水量和温度变化 140

4.2.2 土壤冻融特性 143

4.3 不同积雪厚度下融雪水入渗量计算与入渗率曲线参数确定 146

4.3.1 不同积雪厚度下融雪水入渗量计算 146

4.3.2 基于限定条件的入渗率曲线参数确定 147

4.3.3 冻土潜在最大饱和导水率 149

4.4 积雪厚度与径流的定量关系 150

4.4.1 大田最大融雪水囤积量 150

4.4.2 融雪径流率与入渗率 152

参考文献 152

第2篇 冻融循环的物质迁移过程

5 冻融循环对土壤碳素矿化及迁移过程的影响 157

5.1 冻融条件下土壤水热空间分布状况 157

5.1.1 试验方案设置 157

5.1.2 土壤冷生构造变化 159

5.1.3 土壤温度空间分布 160

5.1.4 土壤质量含水量空间分布 162

5.1.5 土壤水热响应关系分析 165

5.2 冻融条件下土壤碳素循环变化特征 169

5.2.1 土壤可溶性有机碳变化过程 170

5.2.2 土壤碳素矿化速率分析 172

5.3 冻融条件下土壤碳素循环过程响应机制分析 174

参考文献 177

6 冻融循环对土壤氮素矿化及淋溶损失的影响 178

6.1 冻融条件下土壤氮素循环变化特征 178

6.1.1 试验方案 178

6.1.2 冻融作用对铵态氮浓度的影响 180

6.1.3 冻融作用对硝态氮浓度的影响 182

6.1.4 冻融作用对氮素矿化速率的影响 184

6.1.5 土壤氮素矿化速率响应分析 186

6.2 冻融条件下土壤氮素循环过程响应机制分析 188

6.2.1 冻融作用对铵态氮浓度变化响应机制的分析 188

6.2.2 冻融作用对硝态氮浓度变化响应机制的分析 189

6.2.3 冻融作用对氮素矿化速率响应机制的分析 190

6.3 冻融条件下土壤氮素淋溶损失的变化特征 192

6.3.1 试验方案 192

6.3.2 生物炭的吸附作用 193

6.3.3 冻融作用对铵态氮淋失量的影响 194

6.3.4 冻融作用对硝态氮淋失量的影响 196

6.3.5 淋溶量变化特征分析 198

参考文献 200

7 冻融循环对土壤重金属Cu和Zn迁移过程的影响 202

7.1 冻融土壤理化性质与重金属富集程度关系分析 202

7.1.1 生物炭对土壤理化性质的影响分析 202

7.1.2 土壤理化性质与重金属富集程度关系分析 211

7.1.3 小结 214

7.2 冻融土壤中Cu和Zn的迁移变化特征 215

7.2.1 大气PM？.？中Cu和Zn浓度的变化特征 215

7.2.2 雪样中Cu和Zn浓度的变化特征 216

7.2.3 融雪期生物炭对土壤中重金属质量分数的影响 217

7.2.4 生物炭对土壤中重金属各形态转化的影响 219

7.3 冻融土壤中Cu和Zn的淋滤特征及污染程度 221

7.3.1 融雪期生物炭对土壤中重金属淋滤特征的影响 221

7.3.2 生物炭对土壤中重金属污染程度的影响 225

7.3.3 小结 229

参考文献 230

8 冻融循环对土壤重金属Pb和Cd迁移过程的影响 232

8.1 冻融土壤中Pb和Cd的形态分布特征 232

8.1.1 农田冻融土壤重金属形态分布 232

8.1.2 农田冻融土壤生物炭吸附能力 237

8.2 冻融土壤团聚体污染风险评价方法 241

8.2.1 干筛-湿分的团聚体中土壤重金属测定方法 242

8.2.2 土壤团聚体污染风险评价 243

8.2.3 小结 245

8.3 冻融土壤重金属迁移与模拟研究 246

8.3.1 重金属迁移理论与方法 246

8.3.2 示踪试验与水分淋失结果 248

8.3.3 重金属在土壤中的迁移过程 251

8.3.4 小结 253

参考文献 254

第3篇 冻融循环的水热运移过程

9 冻融循环对孔隙分布及土壤水分运动参数的影响 259

9.1 冻结状态下土壤孔隙分布 259

9.1.1 试验方案 260

9.1.2 负压条件下水分入渗及模型适用性 275

9.1.3 冻融土壤入渗特性 277

9.1.4 冻结土壤大孔隙分布特征 281

9.1.5 冻融作用对土壤大孔隙分布的影响 284

9.2 冻融循环次数对土壤孔隙分布的影响 285

9.2.1 重塑土孔隙分布特征 286

9.2.2 原状土孔隙分布特征 290

9.2.3 表面弛豫强度对核磁共振测量结果的影响 298

9.2.4 冻融循环次数对土壤孔隙结构的影响 300

9.3 初始含水量对土壤孔隙分布的影响 301

9.3.1 重塑土不同初始含水量试验 302

9.3.2 原状土不同初始含水量试验 308

9.3.3 初始含水量对冻融土壤孔隙结构的影响 314

9.4 冻融作用对土壤水分运动参数的影响 317

9.4.1 冻融作用对土壤导水率的影响 318

9.4.2 冻融作用对土壤水分特征曲线的影响 321

9.4.3 冻融作用对土壤冻结特征曲线的影响 323

参考文献 327