季節(jié)性凍土區(qū)不同凍結(jié)狀態(tài)下土壤水熱變化特征研究

單明明　李慧

摘要 ? ?以南疆季節(jié)性凍土地區(qū)為研究背景，設(shè)置凍融期自然裸地土壤和溫棚土壤2種處理，對(duì)比分析2個(gè)處理下土壤水熱的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，溫棚能減少熱量散失，季節(jié)性影響不明顯，土壤水熱空間分布變化小，表層土受蒸發(fā)作用和土壤入滲影響，水熱較低。自然裸地中土壤水熱遷移規(guī)律受凍融條件（土壤凍結(jié)狀態(tài)、氣溫等）影響較大，土壤水熱存在影響與制約關(guān)系。凍結(jié)前淺層水熱較小，隨土深遞增且變幅明顯，深層土對(duì)太陽(yáng)輻射影響明顯滯后，水熱波動(dòng)小易保持溫度且相對(duì)較高。凍結(jié)期水熱均值為最低值，土壤水分高值區(qū)整體向下移動(dòng)約15 cm，凍土層水分蒸發(fā)小，可積蓄水量，土壤凍結(jié)鋒面隨地表負(fù)溫的降低向下遷移，同時(shí)水分帶動(dòng)下層土壤鹽分向凍結(jié)層遷移。消融期土壤溫度隨土深減小，土壤表層水分下滲同時(shí)受蒸發(fā)作用大量散失，含水率僅為8.2%，水分高值區(qū)集中于30～70 cm且為凍融期最大。土壤含水率的增加抑制了土壤溫度的提升，土壤凍結(jié)速率慢，時(shí)間長(zhǎng)，融化速率快，融化時(shí)間短。

關(guān)鍵詞 ? ?土壤溫度;土壤水分;凍融期;土壤水熱互作效應(yīng)

中圖分類號(hào) ? ?S152.7 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）19-0170-05

Research ?on ?Change ?Characteristics ?of ?Soil ?Water-heat ?Under ?Different ?Frozen ?States ?in ?Seasonal ?Frozen ?Soil ?Region

SHAN Mingming ? ?LI Hui *

（College of Water Conservancy and Architecture Engineering， Tarim University， Alar Xinjiang 843300）

Abstract ? ?Taking the seasonal frozen soil region in South Xinjiang as research background， two soil treatments （natural bare soil and greenhouse soil） were set up during the freeze-thaw period. The monitoring data of soil water-heat under the two treatments were compared and analyzed. The results showed that the greenhouse could reduce the heat loss， the seasonal effect was not obvious， and the spatial distribution of soil water and heat changed little. Under the influence of evaporation and soil infiltration， the surface soil water-heat were lower. The law of soil water-heat transfer in the natural bare soil was greatly affected by the freezing and thawing conditions （soil frozen state， temperature， etc.）， and there was the affected and restricted relationship between soil water and heat. Before freezing， the water-heat in the shallow layer was smaller， and increased with the depth of soil with the obvious change amplitude. The influence of the deep soil on the solar radiation lagged behind obviously， which showed the small water-heat fluctuation， thus easily maintaining the relatively high temperature. The average value of water-heat during freezing period was the lowest， the whole area with high value of soil moisture moved downward about 15 cm，the evaporation of water in frozen soil layer was small， and the front of soil freezing moved downward with the decrease of the negative temperature of the earth′s surface. At the same time， the water drived the salt of the subsoil to move to the freezing layer. During the ablation period， the soil temperature decreased with the depth of soil. In the process of infiltration， soil surface water was lost by evaporation， and the moisture content was only 8.2%， and the high value area of water was concentrated， which was the largest in freeze-thaw period. The high value area of water was concentrated in 30-70 cm， which was the largest during the freez-thaw period. The increase of soil moisture content restrained the increase of soil temperature. The soil freezing rate was slow， so it taken a long time， while the melting rate was fast， and the melting time was short.

Keywords ? ?soil temperature; soil moisture; freeze-thaw period; moisture thermal interaction effect in soil

新疆地處我國(guó)西北干旱地區(qū)，全年高溫少雨、水資源匱乏、土壤鹽漬化等嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)發(fā)展。在季節(jié)性凍融地區(qū)，土壤凍融循環(huán)會(huì)使土壤中的水、熱等狀況發(fā)生復(fù)雜的遷移變化，主要體現(xiàn)為土壤的水熱傳輸、水分相變以及鹽分積累等[1]。凍融期會(huì)使土壤形成凍土層，凍土層的儲(chǔ)水性、弱透水性以及抑制蒸發(fā)作用使土壤水分不會(huì)過(guò)快入滲或蒸發(fā)流失，即季節(jié)性凍土區(qū)特有的“凍土保墑”。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)土壤凍融水熱遷移做了大量試驗(yàn)研究[2-7]。Konrad等[8]進(jìn)行了不同溫度梯度下凍土水分遷移試驗(yàn)，得出水分遷移通量與溫度梯度成正比。王子龍等[9]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論與方法，研究了季節(jié)性凍土土壤剖面水分空間的變異特征。李瑞平等[10-11]利用 SHAW 模型分析了季節(jié)性凍融期的土壤凍結(jié)融化過(guò)程和不同初始含水率對(duì)凍融期的水熱狀況?；⒛憽ね埋R爾白等[12]利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)研究棉田土壤在凍融期水分、鹽分隨時(shí)間空間動(dòng)態(tài)變異特征。靳志鋒等[13]以北疆常年膜下滴灌棉田為研究對(duì)象，得到整個(gè)凍融過(guò)程中溫度對(duì)土壤水熱運(yùn)移規(guī)律的影響。有學(xué)者從機(jī)理上對(duì)凍融土壤特征參數(shù)、水熱耦合動(dòng)態(tài)模擬及預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了論述。溫度是土壤水分遷移的驅(qū)動(dòng)力，會(huì)引起土壤水分的凍結(jié)與融化，導(dǎo)致水分遷移變化。本文以新疆季節(jié)性凍土灌區(qū)為研究背景，研究冬季低溫條件下凍融期自然裸地和溫棚下土壤溫度與水分特征參數(shù)的變化規(guī)律，以期為冬季儲(chǔ)水保墑措施及春季土壤墑情判斷提供參考。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于阿拉爾市塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院的試驗(yàn)基地。該試驗(yàn)區(qū)在塔克拉瑪干沙漠的西北部，塔里木河干流的上游，屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候。海拔高度1 020 m，地理位置為東經(jīng)79°21′34″～81°45′07″，北緯40°16′45″～40°49′38″。該地區(qū)年降雨量稀少，冬季少雪，光熱資源豐富。極端最高氣溫39 ℃，極端最低氣溫-28 ℃，年平均氣溫10.8 ℃，年日照時(shí)數(shù)為2 556.3 h，年均降水量為40.1～82.5 mm，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm。歷史最大凍土深度78 cm（1962年）。該試驗(yàn)區(qū)土壤類型為砂壤土，土壤平均容重1.46 g/cm3。

1.2 ? ?試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地前茬作物為棉花，選取土壤結(jié)構(gòu)、初始水分和鹽分都差異不大，相互毗鄰的自然裸地和溫棚下的土壤作為試驗(yàn)場(chǎng)地。設(shè)置裸地、溫棚2種環(huán)境處理，對(duì)溫棚場(chǎng)地進(jìn)行大棚覆蓋，溫棚類型為種植溫棚，塑料薄膜和骨架結(jié)構(gòu)，溫棚內(nèi)大氣溫度維持在10 ℃以上。在每個(gè)土壤淺層深度10、20、40 cm與土壤深層深度60、80、100 cm放入地溫計(jì)測(cè)量土壤溫度。采用Apresys U盤系列溫度記錄儀軟件記錄土壤溫度，監(jiān)測(cè)日期從2018年11月3日開始，到2019年3月17日結(jié)束，全天每隔1 h記錄1次溫度，取每日14：00的溫度作為當(dāng)天的試驗(yàn)研究土壤溫度代表值。在監(jiān)測(cè)日期內(nèi)每間隔15 d左右取土1次，共取土7次，試驗(yàn)采用土鉆取土，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，取樣點(diǎn)土壤深度分別為0、10、20、30、40、50、60、70、80、100 cm。每次取樣后采用烘干法測(cè)出土壤的質(zhì)量含水率。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?不同凍結(jié)狀態(tài)下土壤溫度的變化特征

太陽(yáng)輻射是土壤熱量的主要來(lái)源，土壤溫度會(huì)受季節(jié)、晝夜、太陽(yáng)輻射能、天氣等影響發(fā)生相應(yīng)的變化，土壤溫度與大氣之間存在著頻繁的能量交換。從圖1可以看出，降溫階段土層深度10 cm處的土壤溫度從10 ℃降到-7 ℃左右，最深土層深度100 cm的土層溫度從14 ℃逐漸降到1 ℃左右，其余各地層的溫度變化均在這2個(gè)地層溫度范圍之間變化。由此發(fā)現(xiàn)，地溫日變幅以表土最大，隨深度增加而減少，外界氣溫對(duì)凍融期土壤溫度的影響隨深度的增加而減弱。中上土層的土壤溫度日變幅較為劇烈，而土層深度60 cm以下的土壤日變幅較平緩，越深的土壤溫度對(duì)太陽(yáng)輻射的變化越具有明顯的滯后現(xiàn)象，地溫隨氣溫變幅變化滯后10 d左右。在土壤凍結(jié)前，地溫隨深度增大而呈遞增趨勢(shì)，土壤消融后，地溫隨深度增大而呈減小趨勢(shì)。2018年12月初氣溫達(dá)到0 ℃，表層土最先進(jìn)入凍結(jié)階段，土壤在凍結(jié)階段隨著大氣溫度驟降，地表負(fù)積溫不斷積聚，隨后由地表開始向深層凍結(jié)，土層深度（0～60 cm）相繼達(dá)0 ℃以下，而埋藏較深的土層深度（80～100 cm）處的土壤溫度一直保持在0 ℃以上，無(wú)凍結(jié)階段。土層（0～60 cm）完全凍結(jié)需28 d左右，融化期氣溫回升幅度大，土壤融化速率快，持續(xù)時(shí)間較短，凍結(jié)土層完全融化需15 d左右。進(jìn)入融化期以來(lái)，0～40 cm處的土壤溫度較快回升至0 ℃以上，超過(guò)了60、80 cm處的土壤溫度，春季土壤完全解凍后隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，土壤表層溫度比深層升溫快，預(yù)計(jì)后期淺層土壤溫度較大，趨近于大氣溫度，深淺層土壤溫差也逐漸縮小。凍結(jié)初期至穩(wěn)定期的氣溫降低幅度小，凍結(jié)速率慢，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);消融期氣溫上升幅度大，消融速率快，持續(xù)時(shí)間較短;隨著深度的增加，凍結(jié)和消融用時(shí)不斷增加，用時(shí)之差不斷擴(kuò)大。

由圖2可知，溫棚中各土層的地溫變化相對(duì)較緩，土壤溫度均保持在0 ℃以上，每日地溫隨土層深度浮動(dòng)較小。降溫階段，熱量運(yùn)動(dòng)主要以散失空氣中為主，而溫棚具有保溫作用，能夠平衡外界氣溫對(duì)各土層之間的溫差影響，使整體趨勢(shì)為平緩下降狀態(tài)。由自然凍融條件下裸地規(guī)律可知，降溫階段不同土層深度之間變化幅度變大，淺層土壤受氣溫的影響日變化更劇烈，深層土壤受氣溫的影響變化不顯著，土層溫差不斷增大，溫度變化滯后時(shí)間延長(zhǎng);回暖階段，不同土層深度之間土層溫度的變化幅度縮小在1 ℃之內(nèi)。2個(gè)處理下的差異為溫棚中土深與地溫的正比例幅度小于自然凍融條件下裸地的二者變化幅度?；嘏A段，溫棚處理下的地溫在不同土層深度之間幅度又將變大，預(yù)計(jì)后期淺層土壤溫度趨近于大氣溫度，深層土壤溫度保持原有溫度，受氣溫影響較小，兩者溫度差將持續(xù)變大。

2.2 ? ?凍融期不同凍結(jié)狀態(tài)處理土壤含水率變化特征

季節(jié)性凍土中水分空間遷移過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，土壤含水率的變化受到各種環(huán)境因素的制約與影響。2種處理中凍結(jié)前期含水率呈短暫下降趨勢(shì)，凍結(jié)穩(wěn)定期至融化期含水率呈緩慢增大趨勢(shì)，融化期至凍融期結(jié)束含水率呈逐漸下降與凍結(jié)前期初始含水率相近。從圖3可以看出，溫棚中考慮表層土受蒸發(fā)作用以及土壤入滲的原因，表層土壤含水率較低，隨土深的增加含水率呈上升趨勢(shì)。自然裸地中土壤含水率在入冬與回春季節(jié)階段起伏變化較明顯，不同階段凍融期土壤剖面含水率均值變化如下。

初始期，2個(gè)處理下的初始含水率值相似，自然裸地土壤含水率初始值19.4%，略低于溫棚土壤含水率初始值21.1%。土壤初始含水量會(huì)受土壤理化特征、凍層厚度、凍層埋深以及地下水水位的影響與制約，對(duì)凍融條件下土壤中水分的運(yùn)移具有重要作用。裸地的表層土（0～30 cm）為土壤水分高值區(qū)（16.1%～19.4%），中層剖面處土壤水分較低，在土壤60 cm處含水率有突變降低，深層土含水率隨土深略微逐漸減小，各深度之間變幅較明顯。由此表明，淺層土壤含水率受氣溫及環(huán)境輻射影響較大，深層土壤含水率波動(dòng)性較小，淺層土壤含水率高于深層土壤含水率。

凍結(jié)期，裸地土壤深度10～50 cm處含水率整體較高，且土壤水分波動(dòng)明顯。非凍結(jié)帶中的水分主要向凍結(jié)帶運(yùn)移，隨著土壤溫度的降低，凍結(jié)帶含水率有所增加，會(huì)使得10～50 cm土體水分增多。結(jié)合上文分析，土壤凍結(jié)深度超過(guò)60 cm，土壤凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)鋒面向下遷移，為土壤水分的運(yùn)動(dòng)提供了驅(qū)動(dòng)力，使土壤水分向凍層遷移，此時(shí)土壤凍結(jié)速度緩慢，水分遷移速度加快，遷移量不斷累積變大。凍結(jié)期外界環(huán)境大氣溫度逐漸降低，土壤水分會(huì)由上而下逐漸凍結(jié)，土壤中液態(tài)水含量不斷減小，下部水分向凍結(jié)鋒面遷移同時(shí)帶動(dòng)下層土壤鹽分向凍結(jié)層遷移，溫度下降越快。

消融期，大氣溫度回升，帶動(dòng)土壤溫度升高，凍結(jié)鋒面固態(tài)水分逐漸融化。由于土壤入滲，裸地土壤的上部土壤水分消融向上運(yùn)移，遇到表層較高溫度的土壤部分汽化上升，在重力作用下，下部的融水向下移動(dòng)傳輸，地表以下30～70 cm處土壤含水率較凍結(jié)期有所增加，含水率高值區(qū)位置整體向下移動(dòng)。隨著地表蒸發(fā)作用嚴(yán)重，水分一部分蒸發(fā)，一部分向下運(yùn)移，使得土壤剖面表層土壤含水率小于凍結(jié)期間表層土壤含水率。土壤剖面中層土壤含水率最大，地表水分大量散失，地表含水率僅為8.2%，此階段土壤含水率均值低于初始含水率。由此表明，凍融期土壤水分遷移規(guī)律與土壤凍結(jié)狀態(tài)密切相關(guān)，裸地的土壤含水率受凍融期影響變化較大。

2.3 ? ?凍融期不同處理土壤水熱交互變化關(guān)系

土壤溫度能夠改變土壤含水率的變化幅度和趨勢(shì)，二者在不受外界環(huán)境影響的條件下具有良好的互作關(guān)系。從圖4～6可知，溫棚中隨土壤深度的增加，土壤溫度與含水率都呈上升趨勢(shì)。自然裸地中不同階段變化較明顯，凍結(jié)前期即初始期，裸地中土壤溫度保持在10 ℃以上，土壤水分主要集中在80～100 cm處，土壤溫度和水分自上而下呈遞增趨勢(shì)。入冬以后到凍結(jié)穩(wěn)定期，淺層地溫低至0 ℃以下，地表達(dá)到最大負(fù)溫（-5 ℃），10～40 cm處土壤水分相對(duì)含水率初始值略微增大，而60～100 cm處土壤水分明顯減小，各土層之間土壤溫差最大，淺層水分凍結(jié)，土壤水分減少運(yùn)移集中在淺層土壤，淺層凍結(jié)鋒面緩慢吸引深層土壤水分向上運(yùn)移并持續(xù)向下凍結(jié)，土壤凍結(jié)深度隨著地表溫度的降低而加深。消融期各層土壤溫度回升到0 ℃以上，各土層溫差較小，土壤剖面30～70 cm土壤含水率最大，含水率高值區(qū)位置整體向下移動(dòng)。

由于氣候變化的周期性和波動(dòng)性，凍融循環(huán)作用影響著土壤水熱的相變，凍融期土壤含水率和溫度的空間分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：凍結(jié)期土壤水分的蒸發(fā)量減小，能夠積蓄水量，融化期表層凍結(jié)水的下滲增加了土壤淺層水分，土壤含水率的增加抑制了土壤溫度的提升，減小了土壤熱量的散失與能量的傳遞。由于水的比熱容較大，降低了土壤溫度的波動(dòng)幅度，土壤升溫慢;土壤溫度的變化也驅(qū)動(dòng)著土壤水分的遷移，二者之間存在較強(qiáng)的影響與制約關(guān)系。在凍結(jié)時(shí)，土壤水分放熱，放出熱量由表層的負(fù)溫消耗，隨著深度增加，負(fù)溫消耗增加，凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng);在消融時(shí)，土壤水分吸熱，受表層土壤和非凍結(jié)層土壤溫度上升的影響，處于中間的凍結(jié)部分不斷吸熱融化，上層土壤消融速度快于下層，土壤的消融速度遠(yuǎn)快于凍結(jié)速度，隨著土壤凍結(jié)融化作用的交替，不同層次的土壤與環(huán)境之間能量交換過(guò)程存在差異，土壤的快速消融造成土壤水分快速上升，極易引起土壤返鹽。

3 ? ?結(jié)論

溫棚具有保溫作用，熱量在土壤中散失少，僅受表層土受蒸發(fā)作用以及土壤入滲的影響，水熱隨土深增加而呈上升趨勢(shì)，空間分布變化較小，季節(jié)性影響不明顯。在自然凍融條件下，裸地的水熱遷移變化明顯：降溫階段（凍結(jié)前期至穩(wěn)定期）淺層土地溫趨于氣溫;深層土地溫日變幅較平緩，土層深度越深，太陽(yáng)輻射的影響越具有滯后現(xiàn)象，易保持土壤溫度且相對(duì)較高，凍深為60～80 cm，80～100 cm土層無(wú)凍結(jié)狀態(tài)。升溫階段（消融期）土壤溫度隨深度增大而呈減小的趨勢(shì)，各土深之間溫差縮小，土壤凍結(jié)速率慢、時(shí)間長(zhǎng);土壤融化速率快，融化時(shí)間短。

裸地的降溫階段淺層土為土壤水分高值區(qū)，各深度之間變化變幅較明顯，深層土含水率隨土深增加略微逐漸減小。凍結(jié)穩(wěn)定期土壤含水率集中在中上層，相比前期整體向下移動(dòng)15 cm左右，土壤水分向凍層遷移，凍結(jié)鋒面（60～80 cm）緩慢向下遷移，下部水分向凍結(jié)鋒面遷移同時(shí)帶動(dòng)土壤鹽分向凍結(jié)層遷移。升溫階段凍結(jié)鋒面固態(tài)水消融，融水在重力作用下向下移動(dòng)，中層土壤水分最大。土壤表層受蒸發(fā)作用明顯，水分大量散失，含水率僅為8.2%。

裸地中，凍結(jié)前水熱均值在整個(gè)試驗(yàn)階段都為最小值，自上而下呈遞增趨勢(shì);凍結(jié)后土壤凍結(jié)深度隨著地表溫度的降低而加深;融化時(shí)土壤水分高值區(qū)集中于30～70 cm且土壤含水率最大。凍結(jié)期土壤水分的蒸發(fā)小，可積蓄水量，融化期淺層水的下滲、土壤含水率的增加抑制了土壤溫度的提升，各土層溫差減小，土壤的消融速度遠(yuǎn)快于凍結(jié)速度，造成土壤水分快速上升，引起土壤返鹽。

總之，自然裸地中土壤水熱遷移規(guī)律受凍融條件（土壤凍結(jié)狀態(tài)、氣溫等）影響較大，凍融期水熱狀況之間存在較強(qiáng)的影響與制約關(guān)系。

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基金項(xiàng)目 ? 塔里木大學(xué)2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級(jí)項(xiàng)目“凍融條件下土壤水熱鹽的特征試驗(yàn)研究”（2019074）;塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目“南疆棉田非生育期土壤水熱鹽運(yùn)移規(guī)律研究”（TDZKQN 201613）。

通信作者

收稿日期 ? 2020-05-19