不同凍結強度下容重和含水量對黑土剖面水分變化特征影響

張少良，沈慶松，王曜，黃靜，穆林林，梁佳輝

（東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

不同凍結強度下容重和含水量對黑土剖面水分變化特征影響

張少良，沈慶松，王曜，黃靜，穆林林，梁佳輝

（東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

利用室內模擬方法研究凍結強度、容重、含水量等對東北黑土凍融過程剖面土壤水分變化特征影響，為東北黑土區(qū)土壤水分和養(yǎng)分管理提供科學依據。結果表明，凍結過程中，當凍結溫度為-10和-20℃時，各土柱上下土層溫度均降至較低溫度保持恒定，上下土層水分差變化顯著，凍融過程趨于縮小至平衡狀態(tài)。容重為1.0 g·cm-3時，初始含水量越高，融凍過程上下土層水分差變化顯著；凍結強度-10和-20℃時，容重為1.2和1.4 g· cm-3初始含水量越低，上下土層水分差變化越大。通常初始凍結強度越大、土壤水分含量、容重越大，形成恒定低溫不變時間越長，上下土層水分差變化越大。單次凍結和融凍過程上下土層水分差變化呈先增后降“單峰”變化趨勢，凍結溫度越底土壤水分差峰值越高。為融凍區(qū)域農田土壤水分遷移模型構建和農田土壤水分管理等提供依據。

凍結；融凍；容重；含水量；黑土

東北黑土有機質含量較高，質地黏重，秋冬和冬春交替存在長期凍結和凍融現象（凍結和凍融累積時間達6個月以上），凍融過程顯著影響土壤結構、養(yǎng)分轉化和土壤肥力[1-4]。土壤凍融（Freezing-Thawing）是季節(jié)或晝夜氣溫變化（0℃左右）在表土及其以下深度形成凍結-解凍土壤過程，普遍存在于中、高緯度及高海拔地區(qū)[1,5-6]。凍融通過改變土壤水熱動態(tài)，影響土壤生物化學過程及生物地球化學循環(huán)[1,7-9]。因此，凍融過程土壤水分動態(tài)特征是水文學、土壤學關注焦點。學者通過野外監(jiān)測、室內模擬和模型方法研究各土層土壤水分動態(tài)變化特征，毛雪松等觀測土柱中點位溫度和含水率變化，研究凍融過程水分場和溫度場耦合過程[10]；郭志強等觀測凍融過程土壤密度、含水量和融沉系數，研究開放系統(tǒng)中凍融循環(huán)對土體結構和性質影響[11]；郭占榮等觀測積雪融水和凍結層融水，研究土壤水分運動狀態(tài)結果表明，凍結期水為上滲-下滲型，即水分向上下凍結鋒面遷移，而融凍期轉變成下滲型，水分向相變界面附近遷移[12]；Musa等認為凍融過程水分在凍結層富集，土壤質地影響凍融過程中土壤水分遷移數量[13]。凍融中土壤水分運移過程，特別是凍結強度、土壤容重和初始含水量對凍融過程土壤水分變化影響鮮見報道。不同土壤理化性質差異顯著，凍融過程土壤水分運動特征差異顯著，因此研究不同類型土壤地區(qū)凍融期土壤水分運動特征尤為必要。本文通過室內模擬方法研究東北黑土區(qū)凍融強度對不同容重、不同初始含水量條件下土壤水分遷移變化特征影響，對區(qū)域土壤水分管理，水分驅動下土壤養(yǎng)分和其他物質遷移等具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

通過構建土柱實驗室，模擬不同凍結強度下容重、體積含水量對土柱中水分和溫度動態(tài)特征影響。土柱制作和模擬過程：模擬用土柱外層材料為聚乙烯管，高30 cm（黑土耕層厚度20 cm），直徑14 cm，分別在距離管上端10 cm和20 cm處打孔，安裝水熱探頭（見圖1）。模擬上蓋、下蓋、水熱探頭（10和20 cm處）和柱體組成。

圖1 室內模擬用土柱結構Fig.1 Design of soil column in laboratory

①取哈爾濱市東北農業(yè)大學向陽實習實驗基地（45°45'27''～45°46'33''N，126°35'44''～126°55' 54''E）耕層土壤（有機質31.49 g·kg-1、全氮0.800 g·kg-1、全磷2.178 g·kg-1）若干，過2 mm篩，測定質量含水量，塑料薄膜封閉，防止水分散失。

②利用過篩土壤分別制作容重為1.0、1.2和1.4 g·cm-3土柱，每個容重3次重復，共9個土柱。土柱上下用聚乙烯膜封嚴，密封水分探頭插口，防止水分散失。

③制作質量含水量分別為14%、20%、26%（容重為1.1 g·cm-3時，質量含水量為26%時接近田間持水量，W/W%）土柱，由土柱頂部緩慢加入定量蒸餾水，密封聚乙烯膜防止水分散失。

④將密封后土柱放置恒溫培養(yǎng)箱（一恒，PH-070(A)）70℃培養(yǎng)1周，期間定期上下左右翻轉土柱使土壤水分分布均勻。當土柱20和30 cm處土壤水分接近一致時（用FDR探頭測定）培養(yǎng)結束。培養(yǎng)后土柱初始體積含水量如表1所示。土柱上下水分一致時，與原設計土壤含水量無法完全相同（設計時按烘干法測定質量含水量，FDR連續(xù)觀測土壤體積含水量）。故土柱水分含量分布相對均質即滿足試驗需求。

⑤用隔熱棉花將土柱側部和底部充分包裹（確保降溫過程從土柱上側向下），豎直放入冰箱（海爾，BD-829HN），溫度調節(jié)為-5、-10和-20℃（試驗約120 min可達預設溫度）。模擬結束后取出放5℃培養(yǎng)箱（一恒，MGC-450HP-2）培養(yǎng)12或24 h（見表1），記錄土壤水熱動態(tài)全過程。

表1 模擬凍融過程土壤水分動態(tài)變化實驗方案設計Table 1 Simulation of design soil water dynamic during freeze-thaw process

1.2 測定方法

體積含水量：FDR水分測定儀（河北邯鄲清勝電子開發(fā)有限公司），儀器出廠標定，實驗室再次用TDR 100校正。監(jiān)測時每5 min記錄1次。-15℃以上溫度測定土壤液態(tài)水體積含水量誤差±0.2%。

溫度：熱敏探頭（河北邯鄲清勝電子開發(fā)有限公司），精確度±0.2。監(jiān)測時每5 min記錄1次。

質量含水量：鋁盒加熱烘干法，105℃烘干至恒重，用1%天平稱量。

1.3 數據處理

常用參數以Excel 2003計算，Sigmaplot 10.0完成作圖。

2 結果與分析

2.1 不同凍結強度條件下容重和含水量對土壤水、熱動態(tài)變化特征影響

為探討凍融過程不同土層水分動態(tài)特征，分析凍結溫度-5、-10和-20℃，容重分別為1.0、1.2和1.4 g·cm-3條件下土壤水、熱動態(tài)變化。由于同組土壤溫度和水分動態(tài)變化規(guī)律一致，試驗隨機選取代表性數據均凍結12 h，融凍12 h。

凍結溫度-5℃，凍結12 h，5℃融凍12 h過程（見圖2），所有土柱溫度均呈下降趨勢。前12 h下降相對較快，后12 h下降趨勢逐漸平緩，最后趨近于0℃。整個凍結過程上（10 cm）下（20 cm）土層土溫并未完全降至-5℃。土柱上下兩層土壤水分均整體呈先陡后緩下降趨勢；除容重1.0 g·cm-3土柱上下兩側土壤水分含量相近外，其他土柱上層土壤水分均高于深層土壤水分。融凍結束后各層土壤水分均減少。

凍結溫度為-10℃時，凍結12 h，5℃融凍12 h過程，所有土柱溫度均呈先降后升趨勢（見圖3），前8 h下降較快，溫度至-1.4～-2.5℃；8～16 h趨緩，保持相對恒定最低溫度；16 h后土壤溫度逐漸上升，接近0～3℃。整個凍結過程土溫未完全降到-10℃。土柱上（W1，10 cm處）、下（W2，20 cm處）兩層土壤水分在0～8 h范圍內均呈緩慢下降趨勢，8～16 h部分土柱上層含水量略升；所有土柱上層土壤水分均高于深層土壤水分，在8～16 h上下土層土壤水分差較大。凍融結束后各層土壤水分減少。

圖2 土壤上下層水分和溫度實時觀測變化(凍融強度為-5℃時) Fig.2Dynamics of soil moisture and temperature by timely observation(at freezing-thawing strength is-5℃)

凍結溫度為-20℃時，凍結12 h，5℃凍融12 h過程，所有土柱溫度也均呈先降后升趨勢（見圖4）。前4 h下降較快，4～10 h趨緩，10～13.5 h除容重1.4 g·cm-3和體積含水量為37%土柱外，其他土柱再次迅速下降至-1.8～-7.2℃；13.5～24 h先增后緩，最后接近-0.3～-2.6℃。整個凍結過程上下土層并未完全降至-20℃。土柱上（W1，10 cm處）下（W2，20 cm處）兩層土壤水分均整體呈先陡后緩下降趨勢，在土溫相對恒定時段上下土層水分之間差異較大；土柱上層土壤水分大部分時段均高于深層土壤水分，8～16 h上下土層水分差較大。融凍結束后各層土壤水分減少。

由圖2～4可知，隨凍結溫度降低，土壤溫度和體積含水量變幅增大，上下土層溫度和水分曲線最大距離越大。當凍結溫度為-10和-20℃時，各土柱上下兩層土溫均降至相對較低溫度并維持恒定，上下土層土壤水分含量間差異增大，后縮小至平衡狀態(tài)。凍結溫度越低、土壤水分含量越大、容重越大，越有利于維持較長時間恒定土溫。

圖3 土壤上下層水分和溫度實時觀測變化(凍融強度為-10℃時)Fig.3 Dynamics of soil moisture and temperature by timely observation(at freezing-thawing strength is-10℃)

圖4 土壤上下層水分和溫度實時觀測變化(凍融強度為-20℃時)Fig.4 Dynamics of soil moisture and temperature by timely observation(at freezing-thawing strength is-20℃)

2.2 不同凍結強度條件下容重和含水量對土壤水分差動態(tài)變化特征影響

融凍過程上下土層土壤水勢不同，上下兩土層水分遷移，上下土層含水量差異較大。由于土柱試驗前水分部分散失，上下土層含水量接近。分析上下土層水分差可見兩土層水分遷移特征。本研究表明，在凍結和融凍過程中上下土層溫度和水分相對變化具有規(guī)律性。

由圖5可知，凍結溫度為-5℃時，所有土柱上下土層體積含水量之差隨凍結和融凍時間增加總體逐漸增大，在8～12 h呈明顯起伏，接近“單峰”曲線，起伏頂點最高值在12 h。整體上容重相同時，初始水分含量越大8～12 h起伏越大，容重對土壤水分差影響規(guī)律性不一致，有待進一步研究。-5℃凍結條件下，容重為1.0 g·cm-3時，含水量最高（24%）水分差變化較大；容重為1.2 g·cm-3時，含水量21%水分差變化較大；容重為1.4 g·cm-3時，含水量8%水分差變化較大；容重最小，初始體積含水量最大（24%）時，上下土層水分差變幅較大。

由圖6可知，當凍結溫度為-10℃時，土柱上下土層體積含水量差隨凍結和融凍時間增加降低，6～18 h呈起伏，接近“單峰”曲線，起伏頂點最高值出現在12 h。

整體上容重相同，初始水分含量越小，6～18 h水分差起伏越大；初始水分含量相近，容重越大，6～18 h水分差起伏越大。-10℃凍結條件下，容重為1.0 g·cm-3時，含水量最高18%水分差變化較大；容重為1.2 g·cm-3時，含水量18%水分差變化較大；容重為1.4 g·cm-3時，含水量19%水分差變化較大；初始體積含水量最?。?9%）情況下，上下土層水分差變幅較大。

由圖7可知，當凍結溫度為-20℃時，無論是凍結12 h融凍12 h，還是凍結24 h（土柱最低溫可達-20℃）融凍24 h，大部分土柱上下土層體積含水量差隨凍結和融凍時間增加均在凍融模擬過程呈先增后減“單峰”趨勢變化?？傮w上下土層水分差均增加?！皢畏濉表旤c最高值在12 h前。容重相近時，初始水分含量處于中間水平土柱水分差起伏較大；水分含量相近，容重對水分差變化影響規(guī)律性不一致。-20℃凍結條件下，容重為1.0 g·cm-3時，含水量20%水分差變化最大；容重為1.2 g·cm-3時，含水量26%水分差變化最大；容重為1.4 g· cm-3時，含水量32%水分差變化最大；整體看，容重最大，初始體積含水量中等水平（32%）情況下，上下土層水分差變幅最大。

圖5 土壤上下層水分差實時觀測動態(tài)變化(融凍強度為-5℃時)Fig.5 Dynamics of soil moisture difference by timely observation(at freezing-thawing strength is-5℃)

由圖5～7可知，隨凍結溫度下降，上下土層水分差增大，凍結和融凍時間延長。容重為1.0 g·cm-3時，初始水分含量越高土壤水分差變化越大；容重為1.2和1.4 g·cm-3時，土壤水分差變化復雜，凍結溫度較低時，初始含水量越低變化越大，而凍結溫度-20℃時，初始含水量變化極較大。

圖6 土壤上下層水分差實時觀測動態(tài)變化(融凍強度為-10℃時)Fig.6 Dynamics of soil moisture difference by timely observation(at freezing-thawing strength is-10℃)

圖7 土壤上下層水分差實時觀測動態(tài)變化(融凍強度為-20℃時)Fig.7 Dynamics of soil moisture difference by timely observation(at freezing-thawing strength is-20℃)

2.3 相同凍結強度條件下容重和含水量對土壤水分動態(tài)變化特征影響

圖8 不同容重和初始含水量條件下土壤上下層水分動態(tài)變化Fig.8 Dynamics of soil water content under different bulk density and initial water content

由圖8可知，經-10℃凍結12 h和5℃融凍12 h后，土壤初始含水量和容重較小時土柱不同土層含水量變化相對較小，而土壤初始含水量和容重較大時各土層含水量變化相對較大?？傮w上除容重1.0 g·cm-3和含水量為23.9%處理外，其他處理剖面土壤含水量均減小，特別是5 cm處土柱含水量減少幅度較大（1%～6%），容重和初始含水量最高處理（1.4 g·cm-3和23.9%）水分減少最多。容重相同，初始含水量越高，土壤水分減少幅度越大；初始含水量相同時，容重越大，土壤水分減少幅度越大。

3 討論與結論

研究發(fā)現，凍結和融凍過程土壤水分土柱上層均高于下層，說明土壤水分隨凍結和凍融過程呈向上運動趨勢，與王風等在凍融過程黑土2 m土體固液態(tài)水分含量動態(tài)特征[14]及景國臣等在東北黑土區(qū)凍融作用與土壤水分關系[15]研究結果一致。土柱中各層土壤體積和質量含水量在模擬過程中逐漸減少，下層水分普遍減少，而上層特別是大部分土柱表層土壤水分多數不變或略微增加，推測凍結和融凍過程土壤水分由下向上運動[16]；研究發(fā)現，5 cm處水分最低，出現中間“抽干”現象，盡管土柱密封，但仍有部分水分散失。

研究發(fā)現，隨凍結溫度降低，土壤溫度和體積含水量變幅增大，上下土層溫度和水分曲線距離增大，上下土層水分差變幅增大。說明凍結強度增加導致上下土層溫度梯度和土水勢差異增大，為土壤水分向上遷移主因。當凍結溫度為-10和-20℃時，各土柱上下兩層土溫降至相對較低溫度后，在一段時間內保持相對恒定，而此時上下土層土壤水分含量差異最大后至平衡狀態(tài)。說明凍結過程土壤水分和溫度相互影響，存在耦合效應[10-11]，即當土壤溫度降低到一定值，土壤水勢驅動下水分運動能力增加，維持土壤溫度相對穩(wěn)定；當土壤水分運動平穩(wěn)時土層溫度波動至再次平衡。本研究發(fā)現，隨凍結強度增加，上下土層水分差變幅增大，水分差明顯起伏，“凍結-融凍”時間增加，凍結強度越高，作用時間越長，變幅越大。凍結溫度越低，上下土層溫度差形成單峰曲線“峰高”值越高，說明凍結過程土壤水分遷移結果和凍結溫度關系密切。容重為1.0 g·cm-3時初始水分含量越高土壤水分差變化越大。容重為1.2和1.4 g·cm-3時，土壤水分差變化復雜，大部分凍結溫度較低時（-5和-10℃），含水量越底上下土層水分差變化越大；而凍結溫度-20℃時，含水量次高變化最大，主要因土壤容積熱容量不同，土壤水熱傳導過程不同[17]。

土壤養(yǎng)分特別是土壤中速效養(yǎng)分溶解于土壤水中，凍結和融凍過程導致土壤水分攜同養(yǎng)分向表土層遷移。本研究結果表明，土壤含水量和容重與融凍過程土壤水分遷移密切相關，凍結強度越大土壤水分向上遷移越多，增加黑土耕層養(yǎng)分，可增加次年春季耕層土壤肥力，利于增加作物產量。春季嚴重融凍侵蝕過程可引發(fā)土壤養(yǎng)分流失，通過監(jiān)測土壤水分、容重和冬季天氣情況可為區(qū)域土壤水分和養(yǎng)分管理提供科學依據。

本研究監(jiān)測長30 cm土柱不同容重、起始含水量、凍結強度對土壤水分遷移影響。研究結果可為融凍區(qū)域構建農田土壤水分養(yǎng)分遷移模型，管理農田土壤水分養(yǎng)分等提供依據，但融凍循環(huán)過程對土壤水分影響，有待后續(xù)研究驗證。

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Effect of bulk density and moisture on soil moisture dynamics during the freeze-thaw process in black soil

ZHANG Shaoliang,SHEN Qingsong,WANG
Yao,HUANG Jing,MU Linlin,LIANG Jiahui(School of Resources and Environmental Sciences, NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

Laboratorial simulation was adopted to clarify how frozen temperature,soil bulk density,initial soil moisture influenced the dynamics of soil moisture during the process of freezing-thawing.This study aimed to provide a scientific reference for the management of soil moisture and nutrients in the black soil region of northeast China.The results indicated that during the frozen process,the soil temperatures at both of surface and deep layer reduced to a relatively low and then kept constantly,and a gap of soil moisture between upper and lower soil layers(GSMUL)increased firstly and then gradually decreased to a stable status at both-10 and-20℃;when soil bulk density was 1.0 g·cm-3,the initial moisture content positively related to GMSUL;when freezing temperature was-10 and-20℃,and the soil bulk densities were 1.2 and 1.4 g·cm-3,the initial soil moisture content negatively correlated to GMSUL;when frozen temperature was-20℃,and the initial soil moisturecontent with the secondary higher had the widest GSMUL.It was difficult to depict how soil temperature and bulk density influenced the soil moisture movement.However,generally,the sustainable time within a constant soil temperature increased with the initial freezing temperature,soil moisture content and soil bulk density.This was beneficial to increase the GSMUL, and increase the quantity of soil moisture movement.The GSMUL value increased at first and then decreased during the single cycle of freezing-thawing,and formed a"unimodal curve".The frozen temperature negatively correlated to the peak value.The results could provide a scientific reference for modeling the process of soil moisture migration,and can be used to guide the management of soil moisture in the freezing-thawing region.

freezing;freezing-thawing;soil bulk density;soil moisture;black soils

S155.2+7

A

1005-9369（2016）12-0048-08

時間2016-12-29 09:44 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161229.0944.002.html

2016-07-28

國家自然科學基金項目（41471228）；東北農業(yè)大學“學術骨干”項目（15XG08）

張少良（1980-），男，副教授，博士，研究方向為黑土農田景觀生態(tài)過程。E-mail:shaoliang.zhang@neau.edu.cn

張少良,沈慶松,王曜,等.不同凍結強度下容重和含水量對黑土剖面水分變化特征影響[J].東北農業(yè)大學學報,2016,47(12): 48-55.

Zhang Shaoliang,Shen Qingsong,Wang Yao,et al.Effect of bulk density and moisture on soil moisture dynamics during the freeze-thaw process in black soil[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(12):48-55.(in Chinese with English abstract)