季节性冻土区不同冻结状态下土壤水热变化特征研究

    单明明　李慧

    

    

    

    摘要 ? ?以南疆季節性冻土地区为研究背景，设置冻融期自然裸地土壤和温棚土壤2种处理，对比分析2个处理下土壤水热的监测数据。结果表明，温棚能减少热量散失，季节性影响不明显，土壤水热空间分布变化小，表层土受蒸发作用和土壤入渗影响，水热较低。自然裸地中土壤水热迁移规律受冻融条件（土壤冻结状态、气温等）影响较大，土壤水热存在影响与制约关系。冻结前浅层水热较小，随土深递增且变幅明显，深层土对太阳辐射影响明显滞后，水热波动小易保持温度且相对较高。冻结期水热均值为最低值，土壤水分高值区整体向下移动约15 cm，冻土层水分蒸发小，可积蓄水量，土壤冻结锋面随地表负温的降低向下迁移，同时水分带动下层土壤盐分向冻结层迁移。消融期土壤温度随土深减小，土壤表层水分下渗同时受蒸发作用大量散失，含水率仅为8.2%，水分高值区集中于30～70 cm且为冻融期最大。土壤含水率的增加抑制了土壤温度的提升，土壤冻结速率慢，时间长，融化速率快，融化时间短。

    关键词 ? ?土壤温度;土壤水分;冻融期;土壤水热互作效应

    中图分类号 ? ?S152.7 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A

    文章编号 ? 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

    新疆地处我国西北干旱地区，全年高温少雨、水资源匮乏、土壤盐渍化等严重制约着农业发展。在季节性冻融地区，土壤冻融循环会使土壤中的水、热等状况发生复杂的迁移变化，主要体现为土壤的水热传输、水分相变以及盐分积累等[1]。冻融期会使土壤形成冻土层，冻土层的储水性、弱透水性以及抑制蒸发作用使土壤水分不会过快入渗或蒸发流失，即季节性冻土区特有的“冻土保墒”。

    目前，国内外许多学者针对土壤冻融水热迁移做了大量试验研究[2-7]。Konrad等[8]进行了不同温度梯度下冻土水分迁移试验，得出水分迁移通量与温度梯度成正比。王子龙等[9]运用地统计学的理论与方法，研究了季节性冻土土壤剖面水分空间的变异特征。李瑞平等[10-11]利用 SHAW 模型分析了季节性冻融期的土壤冻结融化过程和不同初始含水率对冻融期的水热状况。虎胆·吐马尔白等[12]利用经典统计学研究棉田土壤在冻融期水分、盐分随时间空间动态变异特征。靳志锋等[13]以北疆常年膜下滴灌棉田为研究对象，得到整个冻融过程中温度对土壤水热运移规律的影响。有学者从机理上对冻融土壤特征参数、水热耦合动态模拟及预测模型进行了论述。温度是土壤水分迁移的驱动力，会引起土壤水分的冻结与融化，导致水分迁移变化。本文以新疆季节性冻土灌区为研究背景，研究冬季低温条件下冻融期自然裸地和温棚下土壤温度与水分特征参数的变化规律，以期为冬季储水保墒措施及春季土壤墒情判断提供参考。

    1 ? ?材料与方法

    1.1 ? ?试验区概况

    试验区位于阿拉尔市塔里木大学水利与建筑工程学院的试验基地。该试验区在塔克拉玛干沙漠的西北部，塔里木河干流的上游，属于暖温带极端大陆性干旱荒漠气候。海拔高度1 020 m，地理位置为东经79°21′34″～81°45′07″，北纬40°16′45″～40°49′38″。该地区年降雨量稀少，冬季少雪，光热资源丰富。极端最高气温39 ℃，极端最低气温-28 ℃，年平均气温10.8 ℃，年日照时数为2 556.3 h，年均降水量为40.1～82.5 mm，地表蒸发强烈，年均蒸发量1 876.6～2 558.9 mm。历史最大冻土深度78 cm（1962年）。该试验区土壤类型为砂壤土，土壤平均容重1.46 g/cm3。

    1.2 ? ?试验方法

    试验地前茬作物为棉花，选取土壤结构、初始水分和盐分都差异不大，相互毗邻的自然裸地和温棚下的土壤作为试验场地。设置裸地、温棚2种环境处理，对温棚场地进行大棚覆盖，温棚类型为种植温棚，塑料薄膜和骨架结构，温棚内大气温度维持在10 ℃以上。在每个土壤浅层深度10、20、40 cm与土壤深层深度60、80、100 cm放入地温计测量土壤温度。采用Apresys U盘系列温度记录仪软件记录土壤温度，监测日期从2018年11月3日开始，到2019年3月17日结束，全天每隔1 h记录1次温度，取每日14：00的温度作为当天的试验研究土壤温度代表值。在监测日期内每间隔15 d左右取土1次，共取土7次，试验采用土钻取土，每个处理设置3个重复，取样点土壤深度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、100 cm。每次取样后采用烘干法测出土壤的质量含水率。

    2 ? ?结果与分析

    2.1 ? ?不同冻结状态下土壤温度的变化特征

    太阳辐射是土壤热量的主要来源，土壤温度会受季节、昼夜、太阳辐射能、天气等影响发生相应的变化，土壤温度与大气之间存在着频繁的能量交换。从图1可以看出，降温阶段土层深度10 cm处的土壤温度从10 ℃降到-7 ℃左右，最深土层深度100 cm的土层温度从14 ℃逐渐降到1 ℃左右，其余各地层的温度变化均在这2个地层温度范围之间变化。由此发现，地温日变幅以表土最大，随深度增加而减少，外界气温对冻融期土壤温度的影响随深度的增加而减弱。中上土层的土壤温度日变幅较为剧烈，而土层深度60 cm以下的土壤日变幅较平缓，越深的土壤温度对太阳辐射的变化越具有明显的滞后现象，地温随气温变幅变化滞后10 d左右。在土壤冻结前，地温随深度增大而呈递增趋势，土壤消融后，地温随深度增大而呈减小趋势。2018年12月初气温达到0 ℃，表层土最先进入冻结阶段，土壤在冻结阶段随着大气温度骤降，地表负积温不断积聚，随后由地表开始向深层冻结，土层深度（0～60 cm）相继达0 ℃以下，而埋藏较深的土层深度（80～100 cm）处的土壤温度一直保持在0 ℃以上，无冻结阶段。土层（0～60 cm）完全冻结需28 d左右，融化期气温回升幅度大，土壤融化速率快，持续时间较短，冻结土层完全融化需15 d左右。進入融化期以来，0～40 cm处的土壤温度较快回升至0 ℃以上，超过了60、80 cm处的土壤温度，春季土壤完全解冻后随太阳辐射的增强，土壤表层温度比深层升温快，预计后期浅层土壤温度较大，趋近于大气温度，深浅层土壤温差也逐渐缩小。冻结初期至稳定期的气温降低幅度小，冻结速率慢，持续时间较长;消融期气温上升幅度大，消融速率快，持续时间较短;随着深度的增加，冻结和消融用时不断增加，用时之差不断扩大。

    由图2可知，温棚中各土层的地温变化相对较缓，土壤温度均保持在0 ℃以上，每日地温随土层深度浮动较小。降温阶段，热量运动主要以散失空气中为主，而温棚具有保温作用，能够平衡外界气温对各土层之间的温差影响，使整体趋势为平缓下降状态。由自然冻融条件下裸地规律可知，降温阶段不同土层深度之间变化幅度变大，浅层土壤受气温的影响日变化更剧烈，深层土壤受气温的影响变化不显著，土层温差不断增大，温度变化滞后时间延长;回暖阶段，不同土层深度之间土层温度的变化幅度缩小在1 ℃之内。2个处理下的差异为温棚中土深与地温的正比例幅度小于自然冻融条件下裸地的二者变化幅度。回暖阶段，温棚处理下的地温在不同土层深度之间幅度又将变大，预计后期浅层土壤温度趋近于大气温度，深层土壤温度保持原有温度，受气温影响较小，两者温度差将持续变大。

    2.2 ? ?冻融期不同冻结状态处理土壤含水率变化特征

    季节性冻土中水分空间迁移过程是一个复杂的动力系统，土壤含水率的变化受到各种环境因素的制约与影响。2种处理中冻结前期含水率呈短暂下降趋势，冻结稳定期至融化期含水率呈缓慢增大趋势，融化期至冻融期结束含水率呈逐渐下降与冻结前期初始含水率相近。从图3可以看出，温棚中考虑表层土受蒸发作用以及土壤入渗的原因，表层土壤含水率较低，随土深的增加含水率呈上升趋势。自然裸地中土壤含水率在入冬与回春季节阶段起伏变化较明显，不同阶段冻融期土壤剖面含水率均值变化如下。

    初始期，2个处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%，略低于温棚土壤含水率初始值21.1%。土壤初始含水量会受土壤理化特征、冻层厚度、冻层埋深以及地下水水位的影响与制约，对冻融条件下土壤中水分的运移具有重要作用。裸地的表层土（0～30 cm）为土壤水分高值区（16.1%～19.4%），中层剖面处土壤水分较低，在土壤60 cm处含水率有突变降低，深层土含水率随土深略微逐渐减小，各深度之间变幅较明显。由此表明，浅层土壤含水率受气温及环境辐射影响较大，深层土壤含水率波动性较小，浅层土壤含水率高于深层土壤含水率。

    冻结期，裸地土壤深度10～50 cm处含水率整体较高，且土壤水分波动明显。非冻结带中的水分主要向冻结带运移，随着土壤温度的降低，冻结带含水率有所增加，会使得10～50 cm土体水分增多。结合上文分析，土壤冻结深度超过60 cm，土壤冻结过程中冻结锋面向下迁移，为土壤水分的运动提供了驱动力，使土壤水分向冻层迁移，此时土壤冻结速度缓慢，水分迁移速度加快，迁移量不断累积变大。冻结期外界环境大气温度逐渐降低，土壤水分会由上而下逐渐冻结，土壤中液态水含量不断减小，下部水分向冻结锋面迁移同时带动下层土壤盐分向冻结层迁移，温度下降越快。

    消融期，大气温度回升，带动土壤温度升高，冻结锋面固态水分逐渐融化。由于土壤入渗，裸地土壤的上部土壤水分消融向上运移，遇到表层较高温度的土壤部分汽化上升，在重力作用下，下部的融水向下移动传输，地表以下30～70 cm处土壤含水率较冻结期有所增加，含水率高值区位置整体向下移动。随着地表蒸发作用严重，水分一部分蒸发，一部分向下运移，使得土壤剖面表层土壤含水率小于冻结期间表层土壤含水率。土壤剖面中层土壤含水率最大，地表水分大量散失，地表含水率仅为8.2%，此阶段土壤含水率均值低于初始含水率。由此表明，冻融期土壤水分迁移规律与土壤冻结状态密切相关，裸地的土壤含水率受冻融期影响变化较大。

    2.3 ? ?凍融期不同处理土壤水热交互变化关系

    土壤温度能够改变土壤含水率的变化幅度和趋势，二者在不受外界环境影响的条件下具有良好的互作关系。从图4～6可知，温棚中随土壤深度的增加，土壤温度与含水率都呈上升趋势。自然裸地中不同阶段变化较明显，冻结前期即初始期，裸地中土壤温度保持在10 ℃以上，土壤水分主要集中在80～100 cm处，土壤温度和水分自上而下呈递增趋势。入冬以后到冻结稳定期，浅层地温低至0 ℃以下，地表达到最大负温（-5 ℃），10～40 cm处土壤水分相对含水率初始值略微增大，而60～100 cm处土壤水分明显减小，各土层之间土壤温差最大，浅层水分冻结，土壤水分减少运移集中在浅层土壤，浅层冻结锋面缓慢吸引深层土壤水分向上运移并持续向下冻结，土壤冻结深度随着地表温度的降低而加深。消融期各层土壤温度回升到0 ℃以上，各土层温差较小，土壤剖面30～70 cm土壤含水率最大，含水率高值区位置整体向下移动。

    由于气候变化的周期性和波动性，冻融循环作用影响着土壤水热的相变，冻融期土壤含水率和温度的空间分布呈现出一定的规律性：冻结期土壤水分的蒸发量减小，能够积蓄水量，融化期表层冻结水的下渗增加了土壤浅层水分，土壤含水率的增加抑制了土壤温度的提升，减小了土壤热量的散失与能量的传递。由于水的比热容较大，降低了土壤温度的波动幅度，土壤升温慢;土壤温度的变化也驱动着土壤水分的迁移，二者之间存在较强的影响与制约关系。在冻结时，土壤水分放热，放出热量由表层的负温消耗，随着深度增加，负温消耗增加，冻结时间延长;在消融时，土壤水分吸热，受表层土壤和非冻结层土壤温度上升的影响，处于中间的冻结部分不断吸热融化，上层土壤消融速度快于下层，土壤的消融速度远快于冻结速度，随着土壤冻结融化作用的交替，不同层次的土壤与环境之间能量交换过程存在差异，土壤的快速消融造成土壤水分快速上升，极易引起土壤返盐。

    3 ? ?结论

    温棚具有保温作用，热量在土壤中散失少，仅受表层土受蒸发作用以及土壤入渗的影响，水热随土深增加而呈上升趋势，空间分布变化较小，季节性影响不明显。在自然冻融条件下，裸地的水热迁移变化明显：降温阶段（冻结前期至稳定期）浅层土地温趋于气温;深层土地温日变幅较平缓，土层深度越深，太阳辐射的影响越具有滞后现象，易保持土壤温度且相对较高，冻深为60～80 cm，80～100 cm土层无冻结状态。升温阶段（消融期）土壤温度随深度增大而呈减小的趋势，各土深之间温差缩小，土壤冻结速率慢、时间长;土壤融化速率快，融化时间短。

    裸地的降温阶段浅层土为土壤水分高值区，各深度之间变化变幅较明显，深层土含水率随土深增加略微逐渐减小。冻结稳定期土壤含水率集中在中上层，相比前期整体向下移动15 cm左右，土壤水分向冻层迁移，冻结锋面（60～80 cm）缓慢向下迁移，下部水分向冻结锋面迁移同时带动土壤盐分向冻结层迁移。升温阶段冻结锋面固态水消融，融水在重力作用下向下移动，中层土壤水分最大。土壤表层受蒸发作用明显，水分大量散失，含水率仅为8.2%。

    裸地中，冻结前水热均值在整个试验阶段都为最小值，自上而下呈递增趋势;冻结后土壤冻结深度随着地表温度的降低而加深;融化时土壤水分高值区集中于30～70 cm且土壤含水率最大。冻结期土壤水分的蒸发小，可积蓄水量，融化期浅层水的下渗、土壤含水率的增加抑制了土壤温度的提升，各土层温差减小，土壤的消融速度远快于冻结速度，造成土壤水分快速上升，引起土壤返盐。

    总之，自然裸地中土壤水热迁移规律受冻融条件（土壤冻结状态、气温等）影响较大，冻融期水热状况之间存在较强的影响与制约关系。

    4 ? ?参考文献

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    基金项目 ? 塔里木大学2019年大学生创新创业校级项目“冻融条件下土壤水热盐的特征试验研究”（2019074）;塔里木大学校长基金项目“南疆棉田非生育期土壤水热盐运移规律研究”（TDZKQN 201613）。

    通信作者

    收稿日期 ? 2020-05-19