卷期：《土壤》2023年第55卷第2期
冻土作为一种特殊的水土体系，其有明显区别于非冻土的水热状况和迁移特征。一方面，冻融过程中的水势是以温度势和基质势为主导，冰的存在导致土壤导水率的降低从而影响入渗过程；另一方面，由于冻土中水的运移引起了土壤热特性参数在时空上的变化，从而影响土壤中热流和温度分布。土壤水的相变和对流传热，使土壤水、热迁移具有强烈的耦合性，二者在土壤冻融过程中的分布和迁移密不可分，共同构成了受多种因素综合影响的复杂系统。寒区冻土的水热状况影响作物的生长发育，对于越冬作物（如冬小麦），越冬期不同土壤水热状况将直接影响作物的出苗率，并间接影响作物幼苗发育和物质积累，对作物生长起到了承上启下的作用；而对于非越冬作物（如水稻、大豆、玉米等）而言，越冬末期的土壤水热状况将影响作物种植的初始土壤环境条件，从而影响作物的种植时间、种子萌发和根系生长等重要生长过程，对作物生长起到了引导作用。
为探究SHAW（Simultaneous Heat And Water）模型输入参数不确定性对模拟积雪覆盖下土壤热过程的影响以及关键因素，本研究以松嫩平原黑土区为研究区域，考虑初始积雪覆盖条件，利用LHS方法（拉丁超立方取样，Latin hypercube sampling）对SHAW模型输入参数进行取样，并对土壤冻结深度和温度的输出结果进行不确定性分析，同时通过标准秩逐步回归分析量化各参数在不同深度土壤剖面的不确定性贡献率。结果表明：
1）土壤在冻融过程中表现出单向冻结双向融化，在自然积雪覆盖条件下，SHAW模型的模拟结果能够较好地反映出这一规律。土壤开始融化时间的模拟值相较于实测值而言，均出现一定滞后。SHAW模型模拟的土壤温度与实测值相比具有较一致的变化趋势，这表明SHAW模型的数值模拟结果能够反映出自然积雪覆盖下土壤冻融过程中的温度变化规律。
2）SHAW模型模拟积雪覆盖条件下冻融土壤热迁移过程中，参数不确定性的影响是客观存在的。其中，初始积雪厚度对模拟土壤冻结深度的影响起主导作用，空气进入势与饱和含水率的不确定性贡献率接近，饱和导水率对土壤冻结深度的敏感性较弱。
3）SHAW模型可用于模拟积雪覆盖下土壤热过程的动态变化，基于LHS抽样的标准秩逐步回归法是对模型进行不确定性分析和参数敏感性分析的有效方法。
研究成果有效减少模型的率定、验证工作，为模型参数间相互作用、相互影响等规律的探索提供参考资料。
图1 SHAW模型物理系统描述图
图2 自然积雪覆盖下不同深度土壤温度模拟值与实测值对比
注：图中h表示为初始积雪厚度；b表示为Cambell孔径分布指数；ψe表示为空气进入势；Ks表示为饱和导水率；θs表示为饱和含水率；L1表示为0-20cm、20-40cm、40-60cm的不同深度土层系统；L2表示为60-100cm、100-140cm、140-180cm的不同深度土层系统。
作者简介
王子龙，男，1982年生，工学博士，东北农业大学水利与土木工程学院副院长、教授、博士生导师，校科技发展委员会委员，兼任中国农业工程学会农业水土工程专业委员会委员、中国自然资源学会水资源专业委员会委员、黑龙江省水利学会理事、《南水北调与水利科技(中英文)》青年编委。主要从事寒区农业水土资源绿色高效利用及全球变化农业水土资源管理与应对研究。主持国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金等科研课题16项；发表学术论文70余篇，其中SCI/EI收录40余篇；出版学术专著1部；授权国家发明专利1项、实用新型专利10项，登记软件著作权1项；获得黑龙江省科学技术二等奖3项。
姜秋香，女，1982年生，工学博士，东北农业大学水利与土木工程学院教授、博士生导师，兼任中国农业工程学会农业系统工程专业委员会常务委员、中国自然资源学会水资源专业委员会委员。主要从事水土资源复合系统仿真、调控和管理等方面研究。主持国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金等科研课题14项；发表学术论文60余篇，其中SSCI/SCI/EI收录30余篇；出版学术专著1部；授权国家实用新型专利9项；获得黑龙江省科学技术三等奖1项；黑龙江省优秀青年基金获得者；获黑龙江省青年创新人才、东北农业大学“学术骨干”和“青年才俊”等人才称号。
