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冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析.docx
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冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析.docx
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多年冻土是寒冷气候的产物,其中存储了大量的地下冰,地下冰的变化能
够在一定程度上调节地区的水循环过程
[ 1]
。青藏高原现有多年冻土的面积约
为 106×10
4
km
2
,约占整个高原面积的 40%
[ 2]
。活动层是指位于多年冻土之
上夏季融化、冬季冻结的土层
[ 3]
,是多年冻土与大气之间进行水热能量交换
的过渡层,其水热变化能在一定程度上反映多年冻土区地气能量交换状况
[ 4-
5]
。土壤水分的变化增加了陆面和大气相互作用的复杂性,对气候变化的研究
与预测起着非常重要的作用
[ 6-9]
。
多年冻土区活动层内部较高的土壤水分条件不仅是维系高寒生态系统稳
定的基本条件,也通过其水分的变化和冻结融化,形成多年冻土区独特的地气
能水交换过程和径流形成过程。准确地描述活动层内部水分分布情况无论是对
于高原上的水文研究、生态研究还是陆面过程研究,都是不可忽略的重要一环
[ 10-12]
。长期以来,多年冻土区水文及气象数据的获取都是青藏高原研究的难
点,近年来被广泛应用于陆面过程模式和遥感研究的几个主要土壤水分数据分
别来自于玛曲、那曲和青藏公路沿线地区,其中前两个地区属于季节冻土区,
而后者的监测多分布于青藏公路沿线,对于整个青藏高原来说,已有站点数量
较少且分布不均,基于站点尺度的青藏高原多年冻土区土壤水分遥感反演和模
式模拟研究不能满足精细化的空间数据研究和验证需求。
实测数据的缺乏限制了青藏高原多年冻土区活动层土壤水分的研究,通过
卫星遥感手段反演的土壤水分数据及陆面过程模式同化得到的再分析土壤水
分数据也由于缺乏实测数据而存在一定的误差
[ 13-15]
。全球陆面过程模式同化
数据 GLDAS 与 ERA5 再分析数据近些年在高原地区应用广泛,Cheng 等
[ 16]
在玛曲、那曲及阿里等地区将 ERA5 再分析土壤水分产品与多源卫星土壤水分
产品进行对比评估,发现目前 ERA5 的土壤水分精度要低于卫星遥感产品,但
是 ERA5 再分析资料具有良好的时空连续性;王婉昭等
[ 17]
利用 GLDAS 数据
分析了青藏高原及其周边地区气温和降水的时空分布和变化特征,检验了其在
高原地区的适用性。邓明珊等
[ 18]
选取青藏高原中部那曲地区试验点的土壤水
分数据与 GLDAS 中陆面过程模型模拟的土壤水分产品进行对比分析,发现
NOAH 陆面模式资料在青藏高原地区的适用性较好。总的来说,虽然两种土壤
水分产品都能一定程度上表达区域或全球尺度土壤水分分布状况,但是对于较
小区域尺度来说,其低空间分辨率的数据难以描述土壤水分分布的空间分异性,
也无法表示不同下垫面对于土壤水分分布的影响。再分析数据的不足,与实测
数据的缺乏有较大的关系,因此,扩充多年冻土区的土壤水分实测数据对于更
精确的青藏高原区域陆面生态水文过程模拟具有重要意义。
本研究基于“第二次青藏高原综合科学考察研究——多年冻土对亚洲水塔
的影响”专题,于 2020 年 10 月 12 日至 11 月 22 日开展了长江源多年冻土区
野外科学考察工作。科考区域主要位于长江源区的沱沱河源头、唐古拉山脉格
拉丹冬北坡。气候变化背景下,长江源区气温增温显著,蒸发量、径流量总体
呈增加趋势
[ 19]
,多年冻土也正在退化,活动层内部水分状态和动态过程也随
之发生了变化,准确获取活动层的水分情况是评估和预估其未来变化的前提。
本次科考通过钻探与坑探两种方式采集了大量土壤样品来获取土壤含水量数
据,本文基于对不同植被类型、不同坡位、不同坡向以及不同冻结类型的活动
层总含水量、剖面含水量分布及其空间异质性进行了分析和讨论。该研究可以
为长江源地区的水文研究、生态研究以及陆面过程研究提供参考与验证。此外,
本研究选用 GLDAS-Noah 同化数据和 ERA5-Land 再分析资料与实测资料进行
对比分析,评估两种资料的土壤水分数据在此区域的适用性,为青藏高原土壤
水分的后续研究提供参考。
1 数据和方法
1.1 研 究 区 概 况
青藏高原唐古拉山脉格拉丹冬雪山北坡的沱沱河源区以及通天河源区属
于长江源区。沱沱河源区位于青海省的西南部、唐古拉山主峰格拉丹冬雪山的
北侧,流域面积约为 1.58×10
4
km
2[ 20]
(图 1)。沱沱河流域内山体多,地势
高,海拔高度在 4 489~ 6 468 m 之间
[ 19]
,气候干冷,土壤冻结期长,属于连
续多年冻土区
[ 21]
。流域内地表植被类型主要以高寒草甸和高寒草原为主,部
分区域高寒草甸退化明显,高寒沼泽草甸分布较少。
图 1
图 1 研究区及采样点
Fig.1 Study area and sampling sites
1.2 数 据
1.2.1 实 测 数 据
野外采样过程主要参考《多年冻土调查手册》,利用钻探与坑探两种方法
进行
[ 22]
。本次野外考察共布设钻孔 32 个(钻孔编号为 TTH01~TTH32),探
坑 20 个。 钻探采 样 深度范 围为 0~20 cm、20~50 cm、 50~80 cm、80~100
cm 、 100~150 cm 、 150~200 cm 、 200~300 cm 、 300~400 cm 、 400~500
cm;坑探采样深度范围为 0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~50 cm、50~70
cm、70~100 cm、100~150 cm、150~200 cm;本研究选取数据以钻探数据为
主,坑探为辅。科考过程中采用物探与钻探相结合的方式来确定多年冻土基本
特征,结果显示,26 个钻孔所在位置存在多年冻土,其他 6 个钻孔位于融区
内,属于季节冻土(图 1)。
样品的采集是环刀法进行的,为避免土壤水分损失,在采样现场进行称重,
获取湿土重量及湿容重。随后带回实验室在烘箱内 105 ℃烘干 24 h,最后称
重计算质量含水量及干容重。如式(1):
W=Mw−MdMd×100%W=Mw-MdMd×100%
(1)
式中:WW 为质量含水量;MwMw 为湿土质量;MdMd 为干土质量。
土壤干容重计算如式(2):
Bd=MdVs×100%Bd=MdVs×100%
(2)
式中:BdBd 为土壤干容重;VsVs 为土体积。
土壤体积含水量 VV 的计算可以由质量含水量与干容重计算而来,如式
(3):
V=W×BdV=W×Bd
(3)
由于此次野外考察区域属于高山高寒地区,表层土壤碎石含量较高,样品
采集较为困难,环刀采样法在部分采样点无法使用,因此只在 12 个采样点采
集了容重数据。在分析活动层含水量及剖面土壤水分变化时,均采用质量含水
量,而与再分析数据对比分析时,则使用体积含水量。
1.2.2 SRTMTPI 90 m 坡位数 据
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