为揭示黑土区季节性积雪—季节性冻土—粮食生产的联动关系,以春小麦为研究对象,采用积雪控制试验,设置积雪覆盖和无积雪覆盖两个处理,通过测定春小麦产量以及季节性冻土冻融期的0～100 cm土壤温度和土壤水分动态变化过程,探究季节性冻土冻融过程(冻融形成发育、土壤水热状况)在调控春小麦产量对积雪覆盖响应方面的潜在作用。结果发现:季节性冻土融化阶段的春小麦播种—出苗期10 cm土壤水分、出苗—四叶期20 cm土壤水分以及冻融期10 cm土壤冻融循环频率等土壤水分和土壤冻融循环频率参数是影响黑土区春小麦产量的主要因子,表现为黑土区春小麦产量随土壤融化阶段的播种—出苗期10 cm土壤水分、融化期10 cm土壤冻融循环频率增加而显著提高(P<0.05),而随土壤融化阶段的出苗—四叶期20 cm土壤水分、冻结期10 cm土壤冻融循环频率增加而显著降低(P<0.05)。枯水年份,上述季节性冻土的土壤水分和土壤冻融循环频率参数对积雪覆盖响应不敏感,因此,枯水年黑土区春小麦产量对积雪覆盖无显著响应。研究结果为东北黑土区应对全球气候变化、维持粮食安全生产提供科学依据。
为了深入研究积雪覆盖边界条件下的土壤水分迁移规律,通过冬季野外土壤水分观测试验,利用土壤水动力学理论,建立了稳定积雪覆盖条件下季节性冻土水分迁移模型。研究结果表明,积雪覆盖土壤比裸地平均地温高出1℃,土壤体积含水率(土壤剖面0～100cm内)高出2%,体现了积雪覆盖不仅能够阻碍土壤热量散失,而且能保持土壤墒情;建立的水分迁移模型能够精准的模拟积雪覆盖条件下冻结土壤水分迁移动态,其相对平均误差仅为3.51%。研究结果对于丰富和完善冻土水分迁移理论,解决春旱和冬小麦"冷拔"等问题具有重要的理论和实践意义。