膜下滴灌棉田凍融期土壤剖面水鹽熱分布動(dòng)態(tài)

廖海，栗現(xiàn)文，陳俊英*

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

凍融過(guò)程是中高緯度地區(qū)的一種非常普遍的自然現(xiàn)象.凍融對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)、容重、有機(jī)質(zhì)的遷移都有著重要的影響[1-3].它伴隨著物理、物理化學(xué)、力學(xué)的現(xiàn)象和子過(guò)程，主要包括水分、熱量的傳輸、水分相變和鹽分的積聚[4].凍土的形成改變了土壤的導(dǎo)水傳熱性能，直接影響水循環(huán)的下滲和蒸發(fā)等過(guò)程，同時(shí)也影響著微生物活動(dòng)[5].據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球70%的陸地面積存在凍土，其中14%為永久性凍土，56%為季節(jié)性凍土[6].在中國(guó)，季節(jié)性凍土面積占陸地面積的53.3%，主要分布在東北、華北及西北地區(qū)[7].因此對(duì)凍融過(guò)程進(jìn)行研究具有重要意義，這也一直是科學(xué)界研究的熱點(diǎn).

迄今為止，已有諸多學(xué)者對(duì)凍融過(guò)程進(jìn)行了研究.徐學(xué)祖等[8]對(duì)凍脹及鹽脹等問(wèn)題進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)土壤凍脹及鹽脹規(guī)律與土體初始含水量、干密度、初始濃度和降溫速度等有關(guān).通過(guò)室內(nèi)凍融模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鹽分會(huì)在土壤凍結(jié)邊緣區(qū)集聚并且鹽分的存在會(huì)減弱凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移[9-10].在土壤凍結(jié)過(guò)程中，由于液態(tài)水凍結(jié)引起土壤負(fù)壓梯度增大，導(dǎo)致液態(tài)水由溫度高處向溫度低處運(yùn)移，而凍融過(guò)程中鹽離子會(huì)不斷沉積，由于存在著的少量液態(tài)水會(huì)繼續(xù)沿著土壤顆粒之間的通道向上遷移，土壤中的鹽分則隨之向地表遷移富集[6,11-12].因此凍融過(guò)程中鹽分的遷移是溫度與水分等共同作用的結(jié)果[13].此外，許多研究者也在對(duì)凍融模型研究上取得了重要成果.凍土區(qū)水鹽遷移模型試驗(yàn)和非飽和凍土中，溫度、水分、鹽分耦合模型研究發(fā)現(xiàn)溫度、水分和鹽分是一個(gè)相互耦合的過(guò)程[14-15].水流通量模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在凍土上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)凍土通量模型能夠有效地描述凍土中不同溫度條件下水流通量特性而利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)凍融土壤水鹽耦合運(yùn)移進(jìn)行較好的精度的聯(lián)合預(yù)測(cè)[4].

然而，以上凍融研究多基于模型和在室內(nèi)控制條件下開(kāi)展，田間試驗(yàn)相對(duì)較少.而對(duì)田間生育期微咸水灌溉后，非生育期凍融過(guò)程土壤水分、鹽分和溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究尚鮮有報(bào)道.文中通過(guò)采用Hydra系統(tǒng)對(duì)凍融期土壤液態(tài)水、電導(dǎo)率(可表征土壤鹽分)和土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析微咸水膜下滴灌棉田凍融期水鹽運(yùn)移特征，以期為干旱區(qū)制定合理的非生育期微咸水灌溉制度提供重要參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所(灌溉試驗(yàn)站)，地理坐標(biāo)：86°10′E，41°35′N，處于天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，地勢(shì)平緩，海拔900 m左右；屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，年平均氣溫為11.5 ℃，最低氣溫為-30.9 ℃，最高氣溫為42.2 ℃.地下水埋深在1 m以下；灌溉用微咸地下水的礦化度為2.13～2.22 g/L.灌溉試驗(yàn)站土壤干容重為1.63 g/cm3，土壤顆粒組成：黏粒占7%，粉粒占46%及砂粒占47%.根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類(USDA Soil Texture Caculator)[16]可知，灌溉試驗(yàn)站土壤以壤土為主.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)區(qū)采用一膜雙管的微咸水的滴灌方式,見(jiàn)圖1，圖中h,L分別為土層深度、距寬行中心長(zhǎng)度.棉田經(jīng)春灌后，從播種至苗期(4月26日—6月9日)未進(jìn)行灌水；蕾期至吐絮初期(蕾期 6月10日—6月25日，花鈴前期6月26日—7月5日，花鈴后期7月6日—8月24日，吐絮初期8月25日—9月8日)，地膜較為完整.全生育期微咸水，灌水間隔5 d，共計(jì)灌水15次，總灌水量為525 mm，用于試驗(yàn)的微咸水取自當(dāng)?shù)氐叵滤?012—2013年平均礦化度為1.99～2.01 g/L，pH值為6.9～7.2.凍結(jié)前，寬、窄、膜15，25和40 cm深度含水率大于0.11 cm3/cm3，而電導(dǎo)率則大于150 μS/cm.

圖1 一膜雙管的微咸水的滴灌方式示意圖

選擇一處典型土壤剖面，采用Hydra水分、溫度、電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)(Stevens Water Monitoring System，Inc. Portland，USA)[17]監(jiān)測(cè)寬行、窄行、膜間15，25和40 cm深度土壤水分、電導(dǎo)率和溫度動(dòng)態(tài)變化(在凍融期，Hydra可反映液態(tài)土壤水的電導(dǎo)率、含水率).在人工取樣校準(zhǔn)后，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為4 h，時(shí)間區(qū)段為凌晨12：00到次日20：00即1 d的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為6個(gè)；監(jiān)測(cè)剖面縱向深度為40 cm，橫向長(zhǎng)度為75 cm.氣溫?cái)?shù)據(jù)取自Davis Vantage Pro2自動(dòng)氣象站(Davis Instruments，alifornia，SA)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 h，時(shí)段長(zhǎng)度為2012-11-23—2013-03-13.

1.3 數(shù)據(jù)處理

文中以K-15，K-25，K-40和Z-15，Z-25，Z-40以及M-15，M-25，M-40分別表示寬行、窄行和膜間位置15，25和40 cm土層深度.利用SPSS Statistics 19.0對(duì)水、鹽和土壤溫度數(shù)據(jù)做特征值和相關(guān)性分析，利用Sufer 8.0繪制不同要素剖面分布圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融期氣溫和土壤溫度動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)土壤溫度動(dòng)態(tài)變化，如圖2所示，以土層溫度處于0 ℃以下為節(jié)點(diǎn)，可將凍融過(guò)程分為凍結(jié)前期、凍結(jié)期和融解期3個(gè)時(shí)期.凍結(jié)前期(約2012-11-23—2012-12-04)，地表溫度迅速降低并開(kāi)始形成凍土層；凍結(jié)期(2011-12-05—2012-02-25)凍深逐漸向下擴(kuò)展到最大位置；融解期(約2012-02-26—2013-03-13)凍土由最大凍結(jié)深度向上以及由地表向下逐漸解凍.

凍融過(guò)程中最低氣溫為-24.6 ℃，最高氣溫為21.1 ℃，氣溫隨時(shí)間呈現(xiàn)先減小再逐漸穩(wěn)定后又增大的變化.由圖2可知，試驗(yàn)地從2012年11月下旬開(kāi)始凍結(jié)到2013年2月下旬開(kāi)始解凍，其中寬行、窄行和膜間不同深度溫度變化規(guī)律基本一致，且土壤溫度跟隨氣溫變化，氣溫隨時(shí)間具有非常強(qiáng)的波動(dòng)性.2012-11-23到2013年2月初為降溫階段，寬行、窄行和膜間位置土壤溫度均表現(xiàn)為隨土層深度減小，土壤溫度越小.由圖2可知，在2月8日到2月25日期間寬行、窄行和膜間各土層溫度變化曲線接近重合，即期間土壤溫差最小，但這之后由于氣溫升幅大，土壤溫度出現(xiàn)波動(dòng)，表現(xiàn)為隨土層深度減小，土壤溫度越大.這表明了土壤溫度受氣溫控制，并存在滯后效應(yīng)，土層越深則滯后效應(yīng)越強(qiáng).

圖2 凍融期不同位置和深度土壤溫度變化

2.2 凍融期土壤水分動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

圖3為凍融過(guò)程含水率θ變化圖.由圖可知，整個(gè)凍融過(guò)程寬行、窄行和膜間含水率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律一致.凍結(jié)開(kāi)始時(shí)，土壤液態(tài)含水量隨土壤深度增加則越大，其原因可能為地表蒸發(fā)加上氣溫降低(由0 ℃降到6 ℃左右)引起了土壤溫度降低，使表層液態(tài)水部分以蒸發(fā)和結(jié)晶的形式減小了土壤液態(tài)水含量.由圖3還可知，2012年12月下旬到2013年2月初為凍結(jié)期，2013年的2月下旬土壤開(kāi)始解凍.在融解期表層土壤溫度雖然逐漸升高(見(jiàn)圖2)，但是凍結(jié)鋒面會(huì)由于溫度梯度的作用繼續(xù)向土壤深層延伸，又因深層土壤溫度的滯后效應(yīng)，在融解期間會(huì)形成土層上下解凍而中間凍結(jié)的現(xiàn)象[4]，直到土壤完全解凍，消融過(guò)程才算完成.

圖3 不同位置和深度土壤凍融期含水率動(dòng)態(tài)變化

從圖3可知，整個(gè)凍融過(guò)程中，寬行、窄行和膜間均存在含水率變化的突變點(diǎn)，這主要是因?yàn)橥寥篮适芡寥罍囟扔绊?，而土壤溫度又隨氣溫變化，導(dǎo)致含水率變化曲線同土壤溫度變化曲線具有對(duì)應(yīng)突升段.2013年2月初，突升段各深度土壤含水率為隨土層深度增加則液態(tài)含水量減?。簩?、窄行和膜間隨土層深度增加，峰值分別為0.17，0.14，0.12 cm3/cm3；0.13，0.12，0.11 cm3/cm3；0.15，0.09，0.06 cm3/cm3.2013年2月末，第2處突升段寬、窄行各深度土壤含水率為隨土層深度增加則液態(tài)含水量增大，峰值分別為0.17，0.18，0.19 cm3/cm3；膜間各土層深度含水率由大到小按土壤深度排序?yàn)镸-40，M-15，M-25，而峰值大小分別為0.14，0.13，0.12 cm3/cm3.由圖3還可知，在整個(gè)凍融過(guò)程中，寬行、窄行和膜間三者對(duì)應(yīng)的液態(tài)含水率值由大到小按位置排序?yàn)閷捫校?，膜間.

圖4為凍結(jié)前、凍結(jié)期和溶解后土壤剖面含水率分布.由圖知整個(gè)凍融過(guò)程中含水率變化規(guī)律基本一致，即含水率由寬行到窄行到膜間依次減小.此外，凍結(jié)期土壤液態(tài)水含量遠(yuǎn)小于凍結(jié)前和解凍后，并且在凍結(jié)前(見(jiàn)圖4a)土壤30 cm深度以下且距離寬行中心35～70 cm區(qū)域內(nèi)含水率保持穩(wěn)定，而凍結(jié)(圖4b)和解凍后(圖4c)含水率保持穩(wěn)定的區(qū)域與之相比較小.

圖4 凍融期不同時(shí)間點(diǎn)土壤剖面含水率分布

2.3 凍融期土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

圖5為凍融過(guò)程不同位置和深度的土壤電導(dǎo)率EC變化.由圖2，3，5知，凍融期土壤鹽分的動(dòng)態(tài)變化與溫度和水分的變化規(guī)律一致.整個(gè)凍融過(guò)程中，不同位置電導(dǎo)率由大到小按位置排序?yàn)閷捫?，窄行，膜間；隨土壤深度增加，寬行、窄行和膜間電導(dǎo)率極差值介于180～490 μS/cm.

在凍結(jié)期(2012-11-23—2012-12-04)，不同深度土壤電導(dǎo)率隨凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，這與土壤溫度和液態(tài)含水率的變化規(guī)律一致.在溶解期(2012-02-25—2013-03-13)，由于氣溫升高則土壤溫度隨之升高而引起土壤中液態(tài)水含量增大，各土層電導(dǎo)率值也隨之增大.由于電導(dǎo)率隨含水率和土壤溫度變化，整個(gè)凍融過(guò)程中也存在與含水率對(duì)應(yīng)的2處突升段.由圖5知2013年2月初，隨土壤深度增加，電導(dǎo)率減小，隨土壤深度增加，寬行、窄行和膜間電導(dǎo)率峰值分別為460，330，230 μS/cm；260，240，170 μS/cm；370，130，80 μS/cm.2013年2月末，第2處突升段寬行和窄行各土層深度電導(dǎo)率由大到小按土壤深度排序?yàn)镵-25，K-40，K-15，峰值分別為600，460，420 μS/cm；Z-25，Z-40，Z-15的峰值分別為500，370，330 μS/cm；而膜間電導(dǎo)率隨土壤深度增加而減小，峰值分別為310，240，110 μS/cm.

圖5 不同位置和深度土壤凍融期電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化

圖6為凍融期土層剖面電導(dǎo)率分布.由圖可知覆膜區(qū)電導(dǎo)率大于膜間電導(dǎo)率，且從寬行到窄行再到膜間電導(dǎo)率依次減小且整個(gè)凍融過(guò)程中土壤電導(dǎo)率變化規(guī)律為先減小后增大.此外，凍結(jié)前(圖6a)和解凍后(圖6c)電導(dǎo)率穩(wěn)定的區(qū)域較凍結(jié)(圖6b)時(shí)大.

圖6 凍融期不同時(shí)間點(diǎn)土壤剖面電導(dǎo)率分布

表1為凍融前后不同位置和深度的土壤含水率和電導(dǎo)率.由表可知干旱區(qū)膜下微咸水滴灌棉田在經(jīng)歷整個(gè)凍融期后，土壤40 cm深度范圍內(nèi)的電導(dǎo)率和液態(tài)含水率均有所增加，其中窄行25 cm深度電導(dǎo)率增加最大為80 μS/cm；含水率增值較小，大都為0.02 cm3/cm3.電導(dǎo)率值的增加意味著土壤返鹽，這會(huì)對(duì)春耕有一定的影響.

表1 凍融前后不同位置和深度土壤含水率和電導(dǎo)率變化值

2.4 凍融期土壤水分、鹽分和溫度的相關(guān)關(guān)系

表2為整個(gè)凍融期土壤水分、電導(dǎo)率和溫度(樣本量都為666個(gè))的兩兩相關(guān)關(guān)系分析.由表可知，在凍融過(guò)程中不同位置整個(gè)40 cm土層中土壤溫度、液態(tài)水分和電導(dǎo)率兩兩之間以及電導(dǎo)率與土壤溫度、液態(tài)水分之間存在著極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，整體上，不同位置三者之間的兩兩相關(guān)性關(guān)系由大到小按位置排序?yàn)閷捫?，窄行，膜間.其中電導(dǎo)率與水分的相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上.對(duì)凍融期不同位置土壤水分、電導(dǎo)率和土壤溫度三者關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)寬行、窄行和膜間電導(dǎo)率與含水率和土壤溫度具有很強(qiáng)的多元一次函數(shù)關(guān)系，其R2值分別為0.94，0.90和0.95.

表2 土壤水分、電導(dǎo)率和溫度相關(guān)關(guān)系

圖7為凍融期土壤鹽分、溫度和液態(tài)水含量動(dòng)態(tài)遷移變化過(guò)程.由圖知凍融期過(guò)后，寬、窄行和膜間整個(gè)40 cm土層電導(dǎo)率較開(kāi)始凍結(jié)時(shí)增大即土層含鹽量增加，并且凍融前后電導(dǎo)率由大到小按位置排序?yàn)閷捫?，窄行，膜間.

隨土層深度減小，土層電導(dǎo)率增量值逐漸減小，這是因?yàn)樯顚油寥老蛏线w移的含鹽量會(huì)逐級(jí)減少地儲(chǔ)存在各級(jí)土層中.研究發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)和融化并不是重合的過(guò)程，而是在期間會(huì)出現(xiàn)分叉點(diǎn)，寬行、窄行和膜間隨土壤深度增加，溫度分叉點(diǎn)分別為-0.42，-1.05，-1.02；-1.30，-1.07，-1.00；-1.18，-1.05，-1.05 ℃，即分叉點(diǎn)出現(xiàn)在-1.00 ℃附近而并不是通常認(rèn)為的0 ℃.

圖7 不同處理下凍融期土壤水、熱、鹽的遷移特征

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)前期和凍結(jié)期，各土層溫度大小關(guān)系為隨土壤深度增加則土壤溫度越??；而在融解期，各土層溫度關(guān)系則與之相反.這是因?yàn)檎麄€(gè)凍融過(guò)程中，土壤都在與外部環(huán)境之間存在著能量交換，各土層之間依靠著熱量運(yùn)動(dòng)傳遞能量，但是隨著土壤深度增加，土壤與環(huán)境之間的能量交換會(huì)逐漸減弱[18-19]，導(dǎo)致隨土壤深度增加則其存在的滯后效應(yīng)增強(qiáng).研究還發(fā)現(xiàn)凍融過(guò)程中，溫度、水分和鹽分是一個(gè)相互耦合的過(guò)程，這與張殿發(fā)等[13]的研究結(jié)果一致.

研究還發(fā)現(xiàn)不同位置、不同深度土層含水率和電導(dǎo)率同步出現(xiàn)波峰現(xiàn)象.2013年2月初出現(xiàn)第1次突升，寬行、窄行和膜間隨土層深度增加則含水率峰值分別為大于0.12，0.11和0.06 cm3/cm3，而電導(dǎo)率值則分別大于230，170，80 μS/cm；2013年2月末出現(xiàn)第2次突升，寬行、窄行和膜間不同深度含水率峰值大于0.12cm3/cm3，電導(dǎo)率峰值則大于110 μS/cm.其原因可能是凍結(jié)期土層溫度處于零下，在土水勢(shì)和溫度梯度的雙重作用下,水分會(huì)向凍結(jié)界面遷移,在凍結(jié)初期水分遷移量較小,但是當(dāng)凍結(jié)深度達(dá)穩(wěn)定后,凍結(jié)界面水分移動(dòng)速度變緩,凍結(jié)界面處就會(huì)出現(xiàn)水分積累顯著增加的現(xiàn)象.水分向凍結(jié)鋒面的流動(dòng)，引起鹽分隨之遷移，導(dǎo)致鹽分也在土壤凍結(jié)層鋒面處累積[20]；此外，該時(shí)段內(nèi)氣溫值由負(fù)溫增大到正溫，土壤內(nèi)的冰晶部分融化，加之蒸發(fā)量不斷增加從而引起土壤水勢(shì)降低，造成土壤水分向上遷移，引起土壤返鹽積累[20-23].

研究中也存在一定的局限性.文中著重考慮了土壤中液態(tài)水分及其電導(dǎo)率得出的結(jié)果，而析出的鹽晶體和冰晶體對(duì)凍融過(guò)程中水分鹽分遷移，以及水分、鹽分和溫度三者之間關(guān)系的影響尚不明確.同時(shí)，本研究從剖面尺度對(duì)凍融期膜下滴灌棉田水鹽運(yùn)移的規(guī)律和機(jī)制進(jìn)行了初步研究，其結(jié)論和成果還需進(jìn)一步的田間試驗(yàn)和驗(yàn)證.

4 結(jié) 論

1) 凍融過(guò)程中同一位置不同深度液態(tài)水分、電導(dǎo)率和溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律一致；凍融期內(nèi)鹽分垂向運(yùn)移規(guī)律為深層土壤內(nèi)的鹽分向表層運(yùn)移，凍融作用使鹽分發(fā)生了重分布，加重了表層土壤的鹽漬化程度.

2) 在凍融過(guò)程中，寬行、窄行和膜間土壤電導(dǎo)率與溫度和液態(tài)水分兩兩之間存在著極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，并且寬行、窄行和膜間電導(dǎo)率與溫度和液態(tài)水分兩者也存在極強(qiáng)的多元一次函數(shù)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)大于0.90.

3) 凍結(jié)和融化并不是重合的過(guò)程，而是在期間會(huì)出現(xiàn)分叉點(diǎn)，分叉點(diǎn)出現(xiàn)在-1.00 ℃附近而并不是0 ℃.