川西北高寒区冻融交替作用后土壤水热运移模拟研究

川西北高寒区在黄河和长江上游的水源涵养与补给、生态平衡中发挥着重要作用,该区土壤长期受到昼夜及季节性冻融作用影响,但土壤水分和热量在受到冻融交替作用后的变化规律,及其在草地退化及沙化过程中的作用还不明确。通过野外采集土样进行室内土柱模拟水热运移实验,利用有限元软件HYDRUS建立了一维土柱模型,开展基于冻融循环作用后的非饱和沙化草地和天然草地土壤水热迁移过程的数值计算研究,揭示不同冻融界面条件下沙化草地和天然草地土壤的水热分布特征、空间运移特性。结果表明:HYDRUS软件模拟沙化草地和天然草地土壤体积含水率的模拟结果R2>0.98,其平均值分别为0.997,0.996,模拟效果较理想;在土壤温度特性方面,模拟结果R2>0.98,平均值0.999,HYDRUS软件较好地模拟了川西北高寒区冻融交替作用后天然草地和沙化草地土壤温度和体积含水量的变化特征。通过模拟预测发现,反复冻融作用后,天然草地和沙化草地土壤体积含水率随时间变化均呈现上下波动的趋势,天然草地各土层体积含水率总体均高于沙化草地含水率;土壤温度模拟值呈现先波动上升后波动下降的趋势,且均呈现随着剖面加深,土壤温度逐渐降低的趋势,沙化草地土壤各层最高温度平均低于天然草地各层土壤温度。率定后的土壤水热运移数学模型能够较好地反映出川西北高寒区冻融交替作用后土壤水热的动态变化规律。将率定后的参数及当地的气象资料输入模型,可有效预测该地区冻融交替作用后的土壤水热运移规律。研究结果为该地区土壤沙化治理与预防,维护生态平衡提供科学依据和理论支持。