在季节性冻土区,受环境驱动作用的影响,土壤在冻融循环过程中伴随着水热的运移及能量的交换传递作用。为明确实际情况,并对野外大田条件下土壤水热运动过程进行深入的研究,本文将大气、覆被、土壤三者视为一个复合系统,对系统内各项参数进行实时监测。本研究基于野外大田试验,利用自动观测及人工观测的连续时间序列数据,研究了不同覆盖模式下土壤水热变异规律,筛选了对土壤水热贡献度较大的气象因子;根据土壤水热的相变、迁移过程,核算土壤能量收支平衡量值,进而分析能量传递转化在空间尺度的变异效果;采用小波变换分形理论评价了土壤水热的复杂性变异性效果,基于此,建立了土壤水热响应关系函数,定量的描述不同时段内土壤水热的传递关系;最后,利用CoupModel模型对不同覆盖处理条件下的土壤水热进行的动态模拟,该研究为松嫩平原黑土区的水土资源高效利用以及区域生态与农业的可持续发展提供科学的理论依据,主要的研究成果如下:(1)冻融循环过程中,在土壤垂直剖面上,随着土层深度的增加,土壤水分、温度的变化幅度逐渐的降低。而不同的积雪-秸秆协同覆盖处理导致其呈现出一定的差异性效果。在快速冻结期和稳定冻结期,随着积雪和秸秆覆盖量的增加,土壤水分和温度的变异幅度逐渐的减弱,而在融化期内,自然降雪覆盖处理条件下,融雪水的入渗导致了土壤含水率的变异幅度出现骤然增加,而秸秆的覆盖作用调节了土壤水热的变异特性,并且随着秸秆覆盖量的增加,土壤水热变异特性逐渐的稳定。(2)冻融土壤与环境之间进行着频繁的能量交换过程,在垂直剖面上,随着土层深度的增加,土壤能量的传递交换程度逐渐的降低。在裸地处理条件下,快速冻结期内,表层10cm土层处的能量占比为44.28%,其相对于20cm、30cm、40cm土层处比占比别提升了27.34%、30.27%和33.56%,表明随着土层深度的增加,其能量收支效果逐渐的减弱。同时,伴随着积雪和秸秆的覆盖,表层土壤能量占比与深层土壤占比之间的差异逐渐的减弱,其差异性由大到小依次表现为:裸地处理>自然降雪>自然降雪+5cm秸秆>自然降雪+10cm秸秆。并且随着土层深度的增加,土壤能量的收支变化趋势减弱。(3)土壤试验期内,土壤能量的收支平衡效果主要分为三类,即:能量吸收、能量释放和无变化。具体统计各种平衡效果的时间节点可知,快速冻结期内,能量释放的时间节点比重较大,而随着积雪和秸秆覆盖量的增加,其比重逐渐缩减,其中,自然降雪、自然降雪+5cm秸秆和自然降雪+10cm秸秆覆盖处条件分别相对于裸地处理减小了9.54%、13.56%和21.55%。而在稳定冻结期内,能量无变化的时间节点比重较大,随着并且随着积雪和秸秆覆盖量的增加,其比重逐渐表现为依次增长的趋势。而在融化期内,能量吸收的时间节点比重较大,并且在积雪和秸秆的覆盖处理条件下,其比重逐渐的缩减,表明覆盖处理在一定程度上抑制了土壤能量的吸收与支出。(4)土壤能量的收支平衡效应导致其净能量时间内序列呈现出一定的周期性变化效果。具体分析可知,在空间尺度上,随着土层深度的增加,土壤净能量序列整体表现为逐渐增大的趋势。在快速冻结期内,随着积雪和秸秆覆盖量的增加,土壤能量的变化周期逐渐的增大,并且在稳定冻结期内,其周期的变化趋势快速冻结一致,而在融化期内,自然降雪覆盖处理条件下的土壤能量变化的周期骤然增加,其显著的高于裸地处理,而伴随着秸秆的填充覆盖处理,其变化周期出现了一定程度的降低。(5)在研究中发现各个土层与表层10cm土层差值序列的拟合曲线符合Logistic曲线。并且借助该方法对土壤活动的临界层位置进行了界定。从土壤水热水热的临界层活动位置分析可知,随着积雪和秸秆覆盖量的增加,其水热活动的临界层逐渐的提升,并且改方法的界定效果较好,其界定值与实测值之间的误差控制在5%以内。(6)土壤冻结融化过程中,其水热存在着一定的互作响应关系。在快速冻结期,土壤水热之间的关系曲线符合高斯函数,其关系曲线类型符合弧形增长趋势。而在稳定冻结期,随着环境温度的降低,土壤含水率的变化趋势较为微弱,二者之间关系曲线近似的复合指数增长,而在融化期期内,二者的关系符合“S”型曲线。在垂直剖面上,随着土层深度的增加,土壤水热互作响应函数的拟合精度逐渐的降低,二者的响应关系依次的减弱。而积雪的覆盖在融化期较大程度的干扰了二者的关系效果,而秸秆的填充覆盖改善其相互作用关系。(7)在分析与评价的基础之上,利用CoupModel模型对冻融循环过程中的土壤水分和温度进行了动态模拟,该模型的模拟精度较高,并且能够较好实现水热迁移过程的定量模拟。而积雪的覆盖在对土壤的水热参数产生了一定的扰动,其模拟精度有所降低,而秸秆与积雪的协同覆盖处理使得模型的模拟效果有所提升。