雪层覆盖是气候系统的重要组成部分,在冰冻圈中的地理分布最为广泛,对于土壤水热变化具有重要的影响。每年冬季,在南北半球的高纬度和高海拔地区,大面积的土地被积雪覆盖,尤其是我国东北、西北和西南等地区。据统计,中国冬季积雪分布面积达9.0×106km2,且积雪分布很不均匀,有稳定积雪面积的区域达4.2×106km2,其中东北地区积雪面积达1.4×106km2,积雪覆盖最长的地区年积雪日数高达170天以上。黑龙江省位于我国东北边陲,是我国重要的商品粮生产基地,近几年来,随着气候变暖趋势的进一步加剧,导致黑龙江省春旱、春涝现象越来越严重。如何科学合理的利用冬季积雪,提高水资源的利用效率,对于缓解春旱春涝具有重要的意义。因此,本文以东北典型寒区—哈尔滨市为研究对象,采用多元统计学理论、复杂适应系统理论等方法研究积雪覆盖条件下冻融土壤水热变化特性,主要研究内容和结论如下：(1)分别从温度、水分和冻融等三个方面,采用大田试验数据,分析了雪被-农田土壤复合系统的日变化、周期变化以及有无积雪覆盖条件下的特性,研究结果表明：①试验期自然状态下,地面温度变化呈现出先下降后上升的总体波动趋势。采用二次多项式拟合发现,其相关系数R达到了0.9396,显著相关,即：整个试验期地面温度具有明显的先下降后上升的波动趋势。由于气温的波动性,导致土壤温度呈现出了波动趋势。另外,地面温度处于负温的时间占到了整个试验期的三分之二,且地面温度变化的灵敏性要弱于大气温度。②由于表层土壤与大气接触较多,其土壤温度变化相对剧烈；不同日期其最高温度均出现在12点左右；土壤越深其温度变化幅度越小,尤其是100cm,不同日期的不同时间段土壤温度几乎无变化；试验周期内各个深度土壤温度均产生两次穿越零摄氏度的波动,但不同深度穿越的时间有所差异,深度越大,穿越时间越晚；积雪覆盖对土壤温度的影响只在一定的深度范围内起作用,当超出40cm以后,积雪覆盖对土壤温度的影响已经十分薄弱了。③无论是地面温度下降期,还是地面温度上升期,100cm深度土壤含水量几乎相同。只在地面温度下降期有所不同,但相差不大,大约在2%左右；在地面温度下降期,表层土壤含水量变化比较剧烈。在地面温度上升期,不同日期表层土壤含水量相差较大。④雪被农田土壤复合系统的冻融特性可以明显的分为两个阶段,单向冻结阶段和双向融化阶段。试验早期,由于气温相对较高,出现了短暂的冻深徘徊阶段,随后进入冻深稳定发展阶段。同时,深层土壤能量间的交换与传递与表层相比,弱了很多。(2)采用小波信息量系数、近似熵理论和符号动力学理论,研究雪被农田土壤复合系统不同深度土壤含水量和土壤温度的复杂性特征,研究结果表明：①雪被农田土壤复合系统不同深度土壤含水量序列的复杂性综合排序为：10cm土壤含水量>80cm土壤含水量>15cm土壤含水量>40cm土壤含水量=100cm土壤含水量>5cm土壤含水量=20cm土壤含水量。表层10cm土壤含水量受各种因子影响最大,其土壤含水量结构复杂性相对较强；②雪被农田土壤复合系统不同深度土壤温度序列的复杂性排序为：5cm土壤温度>1Ocm土壤温度>15cm土壤温度>20cm土壤温度>40cm土壤温度>80cm土壤温度>100cm土壤温度。该复杂性测度结果与实际相符,表层土壤温度与大气接触密切,受到较多太阳辐射的影响,能量交换和传递也比较剧烈,导致其具有较强的复杂性。而深层土壤由于仅能通过表层土壤获取能量,其复杂性相对就较弱。(3)采用多元统计分析理论,研究不同积雪覆盖条件下雪被农田土壤复合系统气象因素与不同深度土壤温度和含水量之间的相关关系和耦合特性,以及相同深度土壤含水量和土壤温度、不同深度土壤含水量和土壤温度之间的相互关系。研究结果表明：①无积雪覆盖条件下,各气象因素与不同深度土壤含水量的综合影响显著性排序为：气温、相对湿度、地面温度、水汽压、风向、风速、气压；各气象因素单独对不同深度土壤含水量的综合影响的显著性排序为：气温、气压、相对湿度、水汽压、风速、地面温度、风向。与简单相关系数的排序相比,气压的排序变化最大,由原来的最小变为了第二。各气象因子之间的耦合作用对不同深度土壤含水量的解释作用均较弱。②积雪覆盖条件下,各气象因素对不同深度土壤含水量的综合影响的显著性排序为：水汽压、气压、地面温度、相对湿度、气温、风速、风向；各气象因素单独对不同深度土壤含水量的综合影响的显著性排序为：气温、风速、气压、水汽压、地面温度、相对湿度、风向,与简单相关系数的排序相比,气压的排序变化最大,由原来的第五变为了第一。与无积雪条件下的偏相关系数排序相比,风速由原来的第五调整为现在的第二,其余气象因子排序变化幅度较小。各气象因子对不同深度土壤含水量的耦合作用十分薄弱。③无积雪覆盖条件下,各气象因素对不同深度土壤温度的综合影响的显著性排序为：气温、水汽压、地面温度、气压、相对湿度、风向、风速。各气象因素单独对不同深度土壤温度的综合影响的显著性排序为：气温、地面温度、气压、水汽压、风向、风速、相对湿度,与简单相关系数的排序相比,其排序变化不大。另外,风速和地面温度的耦合对15cm土壤温度存在一定的线性作用；气温和地面温度的耦合对20cm和40cm土壤温度均存在一定的线性作用,其它气象因素的耦合对其它深度土壤温度的线性作用均不明显。④积雪覆盖条件下,各气象因素对不同深度土壤温度的综合影响的显著性排序为：地面温度、水汽压、气温、气压、相对湿度、风向、风速。与无积雪条件下了相比,只有地面温度、水汽压、气温三者的顺序进行了简单的调整,其余没有变化。各气象因素单独对不同深度土壤温度的综合影响的显著性排序为：气温、地面温度、风向、相对湿度、气压、风速、水汽压。与简单相关系数的排序相比,水汽压变化较大,由原来的第二位变为了最后一位。另外,气温和地面温度的耦合对40cm土壤温度存在一定的线性作用,其它气象因素的耦合对其它深度土壤温度的线性作用均不明显。⑤随着深度的增加,土壤含水量与土壤温度的线性相关性逐渐降低。80cm以下,土壤含水量与土壤温度的线性关系不显著。同时,随着深度的增加,土壤温度随着土壤含水量增加而减小的趋势逐渐降低。说明,随着深度的增加,土壤含水量与土壤温度之间的作用逐渐减低。除80cm土壤含水量以外,其它深度土壤含水量均与不同深度土壤温度存在一定的线性关系,且均为负相关,即：随着土壤温度的升高,不同深度土壤含水量不断降低。