馮慧君，趙浩然，鄭秀清，陳軍鋒，苗春燕,2，薛 靜

(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，山西 太原 030024)

我國季節(jié)性凍土區(qū)主要分布在北緯30°以北的干旱、半干旱氣候區(qū)，面積約為國土總面積的53.5%。這些地區(qū)水資源短缺，降水少而蒸發(fā)大，地表蒸發(fā)損失高達(dá)降水量的50%以上，干旱缺水制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[1-3]。近年來，為了減少地表無效蒸發(fā)損失、提高作物水分利用效率，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常采用地表覆蓋的方法，常見的覆蓋方式有：秸稈覆蓋、地膜覆蓋和砂礫石覆蓋[4-7]。秸稈和地膜覆蓋均可以調(diào)節(jié)土壤溫度進(jìn)而影響土壤的凍融過程，有效抑制土壤蒸發(fā)，提高作物的水分利用效率，起到聚墑效果，從而增加作物產(chǎn)量[8-13]。在我國寧夏、甘肅地區(qū)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民采用土壤壓砂的方式種植作物以減少土壤水分無效蒸發(fā)[14-15]。

山西省位于北緯34°36′～40°44′之間，屬干旱半干旱氣候區(qū)，為了緩解旱情通常以冬春灌溉或地表覆蓋方式來滿足越冬作物對水分的需求。研究凍融期地表覆蓋對土壤水分的影響對合理制定灌溉制度有重要意義。目前，國內(nèi)不少學(xué)者對凍融期秸稈覆蓋下的土壤墑情進(jìn)行了研究。例如：姚寶林等[16]對整個凍融期玉米秸稈覆蓋下的土壤儲水量進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈覆蓋下的土壤儲水量與裸地相比增加了14.97%。Xing等[17]發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋使得地表水分波動幅度減小，具有保水增墑效應(yīng)。此外，在一定覆蓋厚度下，儲水保墑效果隨秸稈覆蓋厚度的增加而增加。研究表明覆蓋厚度5 cm時耕作層的儲水保墑效果最好[18]，覆蓋厚度15 cm對整個土壤剖面的增墑效果最好，且增墑能力隨著土壤深度的增加而降低[19]。

縱觀現(xiàn)有研究成果，凍融期不同秸稈覆蓋厚度下的土壤水分特征研究成果較多，而覆砂條件下的研究成果較少。為了探討凍融期薄層砂覆蓋對剖面土壤水分的影響，本文在前人的研究基礎(chǔ)上對季節(jié)性凍融期不同覆砂條件下的土壤水分進(jìn)行了野外試驗，分析其土壤水分變化規(guī)律，以期為北方干旱半干旱季節(jié)性凍土區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有效的參考數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年11月至2017年3月在太谷均衡實驗站進(jìn)行。實驗站位于山西省晉中盆地汾河沖洪積平原區(qū)(112°30′～112°33′E，37°26′～37°27′N)，屬大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季雨熱同期，降水多集中在6—9月。試驗期間太陽總輻射量為99.75 KJ·cm-2，12月份太陽輻射量最低(17.02 KJ·cm-2)，3月份太陽輻射量最高(35.55 KJ·cm-2)。試驗期間1月份月平均氣溫最低，為-1.9℃。日內(nèi)氣溫最低值-17℃，出現(xiàn)在1月19日。試驗期間日平均氣溫和太陽輻射見圖1a。

試驗期間總降水量32.1 mm。12月份降水量最多，為11.8 mm。最大日降水量發(fā)生在12月20日，為5.8 mm，其余日降水量均低于5 mm。試驗期間土壤最大凍結(jié)深度為35 cm，凍融歷時約128 d。根據(jù)裸露土壤自然凍融過程，將整個凍融期劃分為：不穩(wěn)定凍結(jié)階段(11月7日—12月26日)、穩(wěn)定凍結(jié)階段(12月27日—2月1日)和融化階段(2月2日—3月15日)，凍深曲線見圖1b。試驗區(qū)耕作層厚度約20 cm，土壤干容重1.41 g·m-3。試驗區(qū)土壤物理特性見表1。

圖1 試驗期間日平均氣溫、太陽輻射和凍深曲線Fig.1 The curves of average air temperature, solar radiation and frost depths in the test period

表1 試驗區(qū)土壤物理特性

1.2 試驗方案

試驗在秋耕休閑地塊進(jìn)行。試驗設(shè)置了無覆蓋(LD)、粒徑0.5～1.5 mm砂層覆蓋(XS)和粒徑1.5～2.0 mm砂層覆蓋(CS)3種處理，覆蓋厚度均為1 cm。試驗期間土壤含水率采用人工土鉆取土烘箱烘干法測量，監(jiān)測時間為上午9:00，監(jiān)測間隔5～7d。穩(wěn)定凍結(jié)階段監(jiān)測頻次較低，不穩(wěn)定凍結(jié)階段和融化階段監(jiān)測頻次較高。監(jiān)測深度：0、5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90 cm和100 cm。本次試驗初始土壤含水率監(jiān)測時間為11月22日。試驗期間，所有氣象數(shù)據(jù)采自實驗站安裝的自動氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同凍融階段土壤剖面含水率的變化

本文主要研究剖面0～100 cm土壤含水率變化規(guī)律，重點研究水分相變區(qū)(0～40 cm)及土壤耕作層(0～20 cm)。3種處理土壤剖面初始含水率相同。初始時刻地表土壤含水率較低，約5.40%；20～50 cm范圍內(nèi)出現(xiàn)土壤水分高值區(qū)(19.66%～23.74%)；50～100 cm土壤含水率隨土壤深度增加呈小幅度下降趨勢。試驗期間3種處理不同凍融階段的剖面土壤含水率變化見圖2，不同深度處的平均土壤含水率見表2。

不穩(wěn)定凍結(jié)階段，LD處理地表含水率較低(7.73%)。砂層覆蓋切斷土壤水分上升路徑，上升水分聚集在地表附近。XS和CS處理地表含水率由初始時刻5.40%增加至17.37%和16.39%，約為LD處理的2.1～2.2倍。由圖2a可知，3種處理0～20 cm土壤含水率隨土壤深度增加呈先升高后降低趨勢，20 cm附近出現(xiàn)極小值。這是因為該階段地表附近出現(xiàn)凍層，表層土壤附近的未凍水含量減小導(dǎo)致土壤基質(zhì)勢降低，凍層下部未凍水在土壤基質(zhì)勢梯度作用下向凍層附近遷移，導(dǎo)致10～20 cm土壤含水率由下向上呈增加趨勢。而0～10 cm土壤含水率受土壤蒸發(fā)影響由下至上呈減小趨勢。由表2可知，XS和CS 處理0～20 cm平均土壤含水率為18.47%和18.54%，較LD處理高2.67%和2.74%；20～40 cm平均土壤含水率與LD處理的差值明顯小于0～20 cm處；40～100 cm平均土壤含水率與LD處理的差值較小。經(jīng)單因素方差分析可得除20～40 cm外，XS和CS處理0～100 cm土壤含水率與LD處理的存在顯著性差異。綜上所述，不穩(wěn)定凍結(jié)階段砂層覆蓋對剖面0～20 cm有明顯的儲水效果，距離地表越近儲水效果越好，地表處效果最佳。砂層的儲水效果還與砂的粒徑有關(guān)，粒徑越小對水的吸附能力越強。因此，近地表處(約0～5 cm)XS處理儲水效果略好于CS處理，其土壤含水率高于CS處理0.57%。

穩(wěn)定凍結(jié)階段，XS和CS處理地表含水率分別為21.79%和20.12%，為LD處理的1.7～1.8倍；0～20 cm平均土壤含水率分別為19.62%和19.89%，高于LD處理3.36%和3.63%。由圖2b可以看出覆砂處理5～10 cm范圍內(nèi)出現(xiàn)土壤水分高值區(qū)，土壤含水率最大值可達(dá)24%；受凍層向下推進(jìn)和土壤未凍水向凍層附近遷移的影響，XS和CS處理20～40 cm范圍內(nèi)出現(xiàn)土壤水分次高值區(qū)，平均土壤含水率分別為17.46%和17.69%，受水分遷移及土壤蒸發(fā)影響該值低于不穩(wěn)定凍結(jié)階段；40 cm以下3種處理的土壤含水率相差不大。經(jīng)單因素方差分析可得除40～60 cm外，該階段XS和CS處理0～100 cm土壤含水率仍與LD處理的存在顯著性差異。綜上所述，穩(wěn)定凍結(jié)階段砂層覆蓋對剖面0～20 cm有明顯儲水效果，其規(guī)律與不穩(wěn)定凍結(jié)階段一致。該階段近地表處(約0～5 cm)XS處理儲水效果略好于CS處理，其土壤含水率高于CS處理1.36%。

融化階段，地表凍層融化使得近地表土壤液態(tài)含水率增加，加快土壤水分蒸發(fā)。經(jīng)過前兩個階段的蒸發(fā)，3種處理0～100 cm土壤含水率較不穩(wěn)定凍結(jié)階段明顯減小。LD處理地表存在干土層，平均含水率較上一階段減小至5.80%。XS和CS處理地表平均土壤含水率分別為16.74%和15.40%，約為LD處理的2.7～2.9倍，較上一階段減少5.05%和4.72%；XS和CS處理0～20 cm平均土壤含水率約為LD處理的1.1～1.2倍，較上一階段減少1.40%和2.99%；其20～40 cm平均土壤含水率與LD處理(15.99%)的差值較穩(wěn)定凍結(jié)階段減小，說明凍層融化后XS和CS處理20～40 cm土壤水分向上部或下部遷移量較大；40 cm以下3種處理平均土壤含水率約14%～16%，與上一階段相比減小了1%～2%。該階段LD處理土壤聚墑區(qū)范圍出現(xiàn)在30 cm附近，土壤含水率最高值也出現(xiàn)在30 cm附近(約17%)。由圖2c可以看出LD處理5 cm附近土壤水分較高，這可能與該階段降水入滲有關(guān)。經(jīng)單因素方差分析可得3種處理60～100 cm平均土壤含水率間不存在顯著差異。該結(jié)果與前兩個階段不同，說明經(jīng)過一個凍融期土壤水分遷移并蒸發(fā)，砂層覆蓋對60～100 cm土壤含水率影響逐漸減小。該階段近地表處(約0～5 cm)XS處理儲水效果略好于CS處理，其土壤含水率高于CS處理2.39%。

土壤深度Soil depth/cm不穩(wěn)定凍結(jié)階段Unstable freezing stageLDXSCS穩(wěn)定凍結(jié)階段Stable freezing stageLDXSCS融化階段Thawing stageLDXSCS0～2015.80b 18.47 a 18.54a 16.26c 19.62b 19.89a 15.29c18.22a 16.90b 20～4019.79a19.25b 19.94a 16.59c 17.46b 17.69a 15.99b 16.43a16.11b 40～6017.79b 17.26c 18.30a 16.00b 16.41a 15.95b14.11c 14.68a 14.30b 60～10016.94 a 16.65b 16.97b 16.39a 16.56b 16.72b 15.94a 16.16a 16.16a

注：表中相同階段同行數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: The different letters after the value of same stage in the same line mean significant difference between treatments (P<0.05).

2.2 凍融期不同深度處土壤水分動態(tài)變化

凍融期間土壤含水率受融雪水入滲、未凍水遷移及蒸發(fā)等多種因素影響。試驗期間3種處理地表土壤含水率見圖3。3種處理不同深度土壤水分變化特征用變異系數(shù)Cv和極差Ka表示，見表3。

圖3 凍融期地表土壤含水率變化圖Fig.3 Surface water content during the freezing-thawing period

由圖3可知，凍融期覆砂處理地表土壤含水率與LD處理的變化趨勢基本一致。3種處理地表含水率受降水影響較大，通常在降水后出現(xiàn)峰值。較為明顯的峰值有17-01-19和17-02-26兩處，由氣象數(shù)據(jù)可知這兩個日期前均發(fā)生降水事件，降水量分別為2.9 mm和6.6 mm。整個凍融期LD處理地表含水率處于較低水平，發(fā)生降水后地表含水率驟增，隨土壤蒸發(fā)又降低至較低水平。LD處理地表受外界氣象變化影響較大，降水降落到地表或水分從地表蒸發(fā)直接引起土壤含水率變化，整個凍融期地表土壤含水率Cv值最大(0.66)，變化幅度為24.52%。XS和CS處理地表土壤含水率與LD處理相比均處于較高水平。砂層覆蓋削弱外界氣象變化對地表的影響，融雪水入滲或降雨入滲須通過砂層，地表土壤水分須以水汽方式通過砂層蒸發(fā)到大氣中，土壤含水率變化幅度小于LD處理，分別為20.10%和20.09%。凍融期XS和CS處理地表土壤含水率Cv值小于LD處理(0.27)，說明地表砂層覆蓋可以平抑地表土壤含水率變化幅度。

表3 凍融期土壤含水率統(tǒng)計分析結(jié)果

注：Cv表示變異系數(shù)；Ka表示極差。

Note:Cvmeans variable coefficient of sample andKameans sample range.

凍融期地表以下土壤含水率受外界氣象變化影響逐漸減弱。LD處理0～20 cm平均土壤含水率變化幅度和Cv值與地表處相比明顯減小，分別為10.65%和0.14。砂層覆蓋對0～20 cm土壤含水率變化幅度有平抑作用，XS和CS處理土壤含水率變幅分別為9.60%和9.95%，Cv值為0.10和0.12，與地表處相比明顯減小。隨著土壤深度增加，土壤含水率變化幅度逐漸減小，LD處理20～40 cm土壤含水率變化幅度和Cv值分別為7.97%和0.13，均大于覆砂處理。CS處理Cv值最小，這是因為凍融期砂層粒徑不同對土壤蒸發(fā)的影響不同，通過實測土壤蒸發(fā)量可得XS處理土壤蒸發(fā)速率大于CS處理，土壤含水率受蒸發(fā)影響較大。穩(wěn)定凍結(jié)階段末凍層深度達(dá)到最大并保持不變約10d左右，凍層下部40～60 cm未凍水在基質(zhì)勢梯度作用下向上遷移，凍層融化時凍層內(nèi)部土壤水分在土水勢作用下向下遷移，因此凍融期3種處理40～60 cm土壤含水率Ka值大于20～40 cm處的，仍表現(xiàn)為LD處理最大。凍融期3種處理60～100 cm土壤含水率變化規(guī)律同40～60 cm處一致。通過對比凍融期3種處理不同深度處土壤含水率動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)隨著土壤深度增加土壤含水率變化幅度呈減小趨勢。

3 討 論

試驗期間地表覆蓋層阻礙地氣界面間的水熱交換，下層水分遷移上升儲存在地表附近，使得近地表出現(xiàn)水分高值區(qū)。覆砂處理土壤剖面的儲水效果與土壤深度有關(guān)，越接近地表其儲水效果越好。此結(jié)果與凍融期秸稈覆蓋和地膜覆蓋對近地表有儲水效果一致，可見砂層覆蓋對土壤的儲水效果與秸稈或地膜覆蓋一致[16-17]。通過分析可得地表處儲水效果最佳；覆砂處理0～40 cm儲水效果優(yōu)于LD處理；40 cm以下3種處理土壤含水率相差不大。凍融期土壤水分相變破壞了土水系統(tǒng)原有的動態(tài)平衡，未凍水在土水勢梯度作用下由未凍區(qū)向凍結(jié)區(qū)遷移，凍結(jié)區(qū)土壤水分不斷增加，形成水分高值區(qū)。因此，凍融期地表覆蓋處理其土壤剖面會出現(xiàn)兩個水分高值區(qū)：近地表和凍結(jié)區(qū)，該結(jié)果與邢述彥等[17]的研究成果一致。本次試驗條件為薄層砂覆蓋，同時使用微型蒸發(fā)器監(jiān)測覆砂條件下的土壤蒸發(fā)量。試驗過程中未監(jiān)測土壤剖面未凍水遷移轉(zhuǎn)化情況，無法定量描述凍結(jié)期土壤不同深度處未凍水含量變化。除此之外，薄層砂覆蓋對土壤耕作層水分影響較為明顯，耕作層以下3種處理含水率相差不大。在今后的研究過程中可以考慮不同砂層覆蓋厚度對剖面土壤未凍水和總含水率的影響。

4 結(jié) 論

1)凍融期砂層覆蓋影響土壤剖面水分分布。砂層覆蓋切斷了下層水分的上升路徑，上升水分聚集在地表附近，近地表出現(xiàn)水分高值區(qū)。不穩(wěn)定凍結(jié)階段覆砂處理地表含水率約16.39%～17.37%，穩(wěn)定凍結(jié)階段約20.12%～21.79%，融化階段約15.40%～16.74%。

2)凍融期3種處理土壤未凍水在基質(zhì)勢梯度作用下向凍層附近遷移并凍結(jié)成冰，在凍層范圍內(nèi)(20～40 cm)形成水分高值區(qū)。不穩(wěn)定凍結(jié)階段3種處理20～40 cm平均土壤含水率約19.25%～19.94%，穩(wěn)定凍結(jié)階段約16.59%～17.69%，融化階段約15.99%～16.43%。

3)砂層覆蓋對近地表的儲水效果與土壤深度有關(guān)。地表儲水效果最佳，平均土壤含水量較LD處理高8.45%～10.94%，隨著土壤深度增加儲水效果逐漸減弱。覆砂對剖面0～40 cm有明顯的儲水效果，平均土壤含水率較LD處理高0.86%～2.37%，40 cm以下3種處理土壤含水率相差較小，平均土壤含水率差值為0.09%～0.40%。砂層覆蓋對近地表的儲水效果還與砂層粒徑有關(guān)，砂粒徑越小對近地表儲水效果越好。XS處理0～5 cm儲水效果最佳，其土壤含水率高于CS處理0.57% ～2.39%。

4)3種處理地表土壤含水率受降雨入滲和蒸發(fā)等因素影響較大，整個凍融期其變化幅度最大。地表砂層覆蓋可以平抑地表土壤含水率變化，覆砂處理地表土壤含水率變幅較LD處理低約4.42%。