凍融期膜下滴灌棉田土壤溫度鹽分遷移特征

趙永成，虎膽·吐馬爾白，馬合木江·艾合買提，

朱冬橋，李　慧，趙經(jīng)華，朱海清

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

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凍融期膜下滴灌棉田土壤溫度鹽分遷移特征

趙永成，虎膽·吐馬爾白，馬合木江·艾合買提，

朱冬橋，李慧，趙經(jīng)華，朱海清

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

摘要：采用大田試驗與室內(nèi)分析相結(jié)合的方式研究了凍融期氣溫、土壤溫度及鹽分間的相互作用關(guān)系。結(jié)果表明：外界氣溫對凍融期土壤溫度的影響隨深度的增加而減弱；土壤消融前，地溫隨深度呈現(xiàn)遞增趨勢，土壤消融后，地溫呈現(xiàn)隨深度增大而減小的趨勢；凍融期相鄰兩土層間地溫在0.01的置信水平下保持極顯著相關(guān)性，其決定系數(shù)均在0.8以上，且隨深度的增加，各土層地溫的相關(guān)性減弱；試驗區(qū)土壤凍融期長達120 d左右，最大凍土深度約為80 cm，至3月上旬土壤完全解凍；整個凍融期可分為凍結(jié)帶發(fā)育階段、穩(wěn)定凍結(jié)階段及消融三個階段，且此三階段地溫與土層深度間關(guān)系均可用公式精確擬合；凍融期土壤剖面鹽分呈現(xiàn)隨深度增加先增大后減小的趨勢；處于凍結(jié)帶中的土壤鹽分保持0.3%以內(nèi)的較低水平，屬于非鹽化土；80～120 cm深度存在穩(wěn)定積鹽層，且其鹽分值基本表現(xiàn)出中度及重度鹽化土的特征。

關(guān)鍵詞：棉田；凍融期；土壤溫度；土壤鹽分

土壤凍融將導(dǎo)致水分的重新分配，在干旱地區(qū)還可能導(dǎo)致土壤次生鹽漬化問題的發(fā)生。研究凍融期土壤溫度、鹽分遷移特征對于防治春季土壤反鹽有著重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)許多學(xué)者針對土壤凍融問題做了大量試驗研究，有學(xué)者研究了凍融土壤水-熱-鹽遷移特征[1-3]，也有人針對土壤凍融機理進行了探討[4]，還有針對不同條件對土壤水分入滲影響做了研究[5-7]。尚浩松等[8]還針對凍結(jié)條件下水熱耦合遷移數(shù)值模擬做了改進研究。吳謀松等[9]主要針對土壤凍融過程中水流遷移特性及通量進行了模擬研究，宋存牛等[10]專門針對凍融過程中土體水熱力耦合作用理論和模型研究進展進行了詳細論述，以上研究均為凍融期土壤水熱鹽遷移模擬研究的典型代表。為研究凍融期大田土壤溫度、水分及鹽分的遷移特征，李瑞平等[11]專門針對河套灌區(qū)凍融期土壤水鹽熱運移規(guī)律進行了長期監(jiān)測研究。以上研究中鮮有對于凍融期新疆北疆干旱區(qū)土壤水鹽遷移規(guī)律的報道。靳志峰[12]等雖然針對試驗區(qū)土壤溫度對水鹽運移的影響做了相關(guān)研究，但并未對凍融期氣溫與土壤溫度以及土壤溫度與土層深度間的關(guān)系進行定量研究。新疆北疆地區(qū)地處季節(jié)性凍土地區(qū)，每年凍融期長達100天以上。作為我國優(yōu)質(zhì)商品棉生產(chǎn)基地，保證棉花正常生產(chǎn)對于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展與穩(wěn)定有著重要現(xiàn)實意義。然而當(dāng)?shù)赝寥来嬖诓煌潭鹊耐寥利}漬化現(xiàn)象，尤其在近些年大力推廣應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)以后，滴灌引起土壤次生鹽漬化問題逐漸引起各界關(guān)注。本研究主要針對冬季土壤凍融條件下膜下滴灌棉田土壤溫度與鹽分變化特征及相關(guān)性進行了研究，以期為當(dāng)?shù)赝寥来紊}漬化的防治工作提供參考。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆石河子市農(nóng)八師121團，該團位于天山北麓，準噶爾盆地南緣，地處歐亞大陸腹地(44°46′55″N，85°32′50″E，平均海拔337.1 m)。該地區(qū)夏季炎熱，極端最高氣溫43.1℃；冬季寒冷，極端最低氣溫-42.3℃；常年干旱缺水，光照充足，蒸發(fā)強烈，年降雨量為141.8 mm，年蒸發(fā)量為1 826.2 mm，年均日照數(shù)約為2 862小時，無霜期平均為167天，具有典型的大陸性荒漠氣候的特點，平均地下水位埋深在3 m左右。

1.2試驗方法

為分析土壤溫度對土壤鹽分運移特征影響，本文所用溫度數(shù)據(jù)來自于當(dāng)?shù)貒壹墯庀笳?，此站與試驗區(qū)相隔200 m左右，所測溫度為0、5、10、15、20、40、80、160、320 cm，共計9個土層。溫度計量間隔時間為1小時，每天24小時連續(xù)監(jiān)測，最后取平均值作為當(dāng)日平均溫度。本課題組于2012年11月至2013年3月專門針對試驗區(qū)相鄰四塊棉田土壤鹽分進行了跟蹤監(jiān)測，采用人工土鉆取土，每月中旬取樣一次，共計取樣5次，取樣點采用GPS精確定位。取樣深度為0～10、10～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150 cm，共計7個土層，每個取樣點取三個重復(fù)，每次取樣84個。每次所取土樣帶回實驗室化驗，利用烘干法測土壤含水率，然后將烘干土壤磨碎、過2 cm篩并按水土比5∶1(蒸餾水90 ml，土18 g)制取土壤浸提液，利用DDS～308A型電導(dǎo)率儀測定溶液的含鹽率值。

1.3數(shù)據(jù)處理

本文利用專業(yè)統(tǒng)計分析軟件SPSS對氣溫與土壤溫度做了PEARSON相關(guān)分析，利用origin軟件進行了圖形繪制。

2結(jié)果與分析

2.1日平均氣溫與地溫隨時間變化特征及相關(guān)關(guān)系分析

圖1為2012年11月1日至2013年3月31日試驗區(qū)氣溫及地溫隨時間變化曲線圖，由圖可知，當(dāng)?shù)貧鉁仉S時間呈現(xiàn)先減小后增大的波動變化趨勢，最低溫度為-30℃，出現(xiàn)在當(dāng)年12月下旬，其中1月上旬至2月中下旬，氣溫波動幅度較大。圖中各土層地溫整體變化幅度小于外界氣溫，同一時期各土層土壤溫度呈現(xiàn)隨深度的增加而增大趨勢，這一規(guī)律在當(dāng)年11月到翌年3月中旬間表現(xiàn)尤為明顯；而在3月中旬以后，土壤溫度呈現(xiàn)出上大下小的趨勢，表層0～40 cm土層溫度升高較快，至3月末4月初，表層0～40 cm土壤溫度上升至20℃左右的較高溫度，這一溫度可為種子萌發(fā)提供可靠保障；相比之下，離地表越近的土層，其溫度隨時間變化越劇烈。圖中0～40 cm土體范圍內(nèi)，各土層溫度表現(xiàn)出較高的同步性，由此可以初步推斷這一土體范圍內(nèi)各層土壤溫度間具有較高的相關(guān)性。

為進一步分析當(dāng)?shù)厝站鶜鉁丶巴寥罍囟乳g的相關(guān)關(guān)系，本文采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)中Pearson相關(guān)分析方法對其相關(guān)性進行了分析，具體分析結(jié)果見表1。

由表1可知，日均氣溫與各土層地溫間的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)出隨深度增加而減小的趨勢，即氣溫對土壤溫度的影響隨土層深度的增大而減弱，在0.01的置信水平下，各土層(除160 cm外)雙尾檢驗結(jié)果表現(xiàn)出極顯著水平，其中0～40 cm土層的決定系數(shù)都保持在0.8以上。對比相鄰兩土層間的決定系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，凍融期相鄰?fù)翆娱g土壤溫度保持高度的相關(guān)性，其決定系數(shù)(與主對角線相鄰的對角線的值)保持0.8以上較高水平，且隨著深度增加，各土層間的決定系數(shù)值逐漸減小，即其相關(guān)性逐漸減弱，這一特征也可從圖1中看出。

圖1　氣溫與土壤溫度隨時間變化曲線

注(Note): **. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed). *. Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

2.2凍融期凍結(jié)鋒隨時間變化特征

土壤凍結(jié)鋒隨時間的演變過程對于凍融期土壤溫度、水分及鹽分變化特點研究有重要作用，為分析凍融期土壤凍結(jié)鋒隨時間演變過程，本文在數(shù)據(jù)處理時，以每日土壤剖面中最低溫度或者負溫出現(xiàn)的最大深度為研究對象，繪制了凍融期土壤凍結(jié)鋒隨時間發(fā)展曲線，具體見圖2。

由圖2可知，從2012年11月9日開始，當(dāng)?shù)赝寥辣韺映霈F(xiàn)凍融交替現(xiàn)象，至2013年3月8日結(jié)束，凍融期長達120天左右。從當(dāng)年11月9日至翌年1月10日左右土壤溫度隨深度變化較為劇烈，凍結(jié)鋒下移速度較快。自1月10日至2月10日左右，土壤凍結(jié)鋒趨于穩(wěn)定且基本達到最大凍結(jié)深度80 cm附近，此時段為當(dāng)?shù)貎鋈谄诘姆€(wěn)定凍結(jié)期，時長約為1個月左右。從2月10日開始，土壤基本呈現(xiàn)出溫升趨勢，凍結(jié)鋒上移，至15日，由于外界氣溫驟降(見圖1)，導(dǎo)致整個土壤剖面大幅降溫，凍結(jié)鋒出現(xiàn)大幅下移，直到2月下旬才出現(xiàn)回升趨勢。由此也可以發(fā)現(xiàn)，外界氣溫與土壤溫度間的關(guān)系較為密切。從2月下旬至3月中上旬，土壤處于解凍期，凍結(jié)鋒直線上移，直至3月上旬土壤全部解凍，凍融期結(jié)束。

圖2土壤凍結(jié)鋒隨時間變化曲線

Fig.2Changes in the soil frozen front over time

2.3土壤剖面溫度隨時間變化曲線擬合

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，凍融期各土層間土壤溫度與對應(yīng)深度間的關(guān)系可以用二次曲線擬合，且擬合精度較高。具體擬合結(jié)果見圖3。

圖3土壤溫度與土層深度關(guān)系擬合曲線

Fig.3Fitting curves between soil temperature and depth

表2　擬合通式參數(shù)表

由表2發(fā)現(xiàn)，2013年2月24日通式中二次項系數(shù)b2為0，即此日土壤溫度與對應(yīng)深度呈現(xiàn)線性變化趨勢，從11月15日至翌年2月15日，b2為負，即二次拋物線開口向下；自2月24以后，b2為正值，即二次曲線開口朝向?；谏鲜霈F(xiàn)象，筆者經(jīng)過逐一擬合每日土壤溫度與深度間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣麄€凍融期土壤剖面溫度隨深度的變化具體可以分為三個階段，具體見表3。

由表3可以看出，此三階段擬合精度較高，結(jié)合凍融階段劃分原則可以發(fā)現(xiàn)，階段一恰好處于凍結(jié)期，而階段二處于凍結(jié)期與消融期的過渡階段，階段三則是處于消融期，由此可以得出，在當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)期及解凍期，土壤溫度隨深度變化可以采用精度較高的擬合公式定量描述。但是對于公式中的系數(shù)及常量的影響因素還有待于進一步研究。

表3　凍融期土壤剖面溫度隨時間分布特征

2.4凍融期土壤鹽分隨深度變化特征

為分析凍融期土壤鹽分隨時間變化特征，本研究將各地塊每月取樣的鹽分值按各土層求取了平均值并繪圖4。

圖4中曲線分別以各地塊開始實施膜下滴灌的年份命名，各地塊凍融期鹽分在剖面上的分布特征呈現(xiàn)出隨深度的增加先增大后減小的趨勢，四地塊均在80 cm以下土層出現(xiàn)鹽分累積現(xiàn)象，且累積層基本保持在90～120 cm范圍內(nèi)，其峰值分別為0.67%、0.54%、1.35%、0.84%，按新疆鹽堿土分類標準[13]，含鹽率值為0～0.3%為非鹽化土，0.3%～0.6%為輕度鹽化土，0.6%～1%中度鹽化土，1%以上為重度鹽化土。由此可知，試驗區(qū)四地塊鹽分累積層中，除2001年地塊屬于輕鹽化土外，其余各地塊均呈現(xiàn)中度及重度鹽化土。對比四地塊發(fā)現(xiàn)，在0～80 cm土層中，凍融期土壤鹽分隨深度變化幅度較小，土壤含鹽率較小且基本屬于非鹽化土壤。經(jīng)

圖4凍融期土壤剖面鹽分均值分布圖

Fig.4Distributions of salinity mean values in soil profile

分析認為，以上現(xiàn)象與土壤凍融有較為密切的聯(lián)系。在整個凍融期，0～80 cm土體基本屬于凍結(jié)層，土壤鹽分與水分運動基本處于停滯狀態(tài)。土壤在凍結(jié)過程中，鹽分會在溫度梯度作用下不斷向凍結(jié)鋒附近運移，由此可以推斷，在土壤凍融過程中，處于凍結(jié)帶中的土壤鹽分隨時間變化較小，且其值基本保持在0.3%以內(nèi)的水平，屬于非鹽化土，這一特點尤其在上圖0～60 cm土層范圍內(nèi)較為明顯。而處于非凍結(jié)帶的80 cm以下各土層，土壤溫度較高，土壤水鹽熱運動比較活躍，導(dǎo)致這一土體范圍內(nèi)鹽分大量聚集，聚集區(qū)域靠近凍結(jié)鋒面。

結(jié)合土壤凍結(jié)鋒線與土壤鹽分運移特征分析認為，凍融期土壤溫度對土壤鹽分的分布運移起重要作用，處于0℃以上的土層中土壤鹽分變化較為活躍。而由各地塊土壤剖面鹽分峰值的存在說明凍融期土壤中存在穩(wěn)定積鹽層，其深度基本位于凍結(jié)鋒面以下土層范圍內(nèi)。

3結(jié)論

凍融期外界氣溫對土壤溫度的影響隨著深度的增加而減弱，在0.01的置信水平下，除160 cm外，外界氣溫與土壤溫度間保持極顯著相關(guān)關(guān)系。凍融期相鄰?fù)翆娱g土壤溫度保持高度相關(guān)性，其決定系數(shù)均大于0.8，且隨著深度的增加，各土層間的決定系數(shù)逐漸減小。當(dāng)?shù)貎鋈谄趶?012年11月9日開始至2013年3月8日結(jié)束，長達120天，最大凍結(jié)深度約為80 cm。經(jīng)研究認為，土壤凍融大致可以分為凍結(jié)帶發(fā)育階段，穩(wěn)定凍結(jié)期及消融期三個階段，且此三個階段土壤溫度與深度可以采用二次曲線較好擬合，且其精度較高。凍融期土壤剖面鹽分呈現(xiàn)出隨深度增加先增大后減小的趨勢。在凍結(jié)鋒所在的80 cm以上土層，土壤含鹽率基本保持在0.3%左右的水平，屬于非鹽化土壤。而在80 cm以下土層，土壤存在穩(wěn)定積鹽層，其鹽分值表現(xiàn)出中度及重度鹽化土壤的特征。

參 考 文 獻：

[1]李瑞平，史海濱，赤江剛夫，等.凍融期氣溫與土壤水鹽運移特征研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007，23(4):70-74.

[2]黃興法，王千，曾德超.凍期土壤水熱鹽運動規(guī)律的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1993，9(3):28-33.

[3]焦永亮，李韌，趙林,等.多年凍土區(qū)活動層凍融狀況及土壤水分運移特征[J].冰川凍土,2014,36(2)：237-247.

[4]張殿發(fā)，鄭琦宏，董志穎.凍融條件下土壤中水鹽運移機理探討[J].水土保持通報,2005,25(6):14-18.

[5]Zheng Xiuqing, Chen Junfeng, Xing Shuyan. Infiltration capacity and parameters of freezing and thawing soil under different surface coverage[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(11):23-28.

[6]鄭秀清，樊貴盛.土壤含水率對季節(jié)性凍土入滲特性影響的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2000,16(6)：52-55.

[7]陳軍鋒，鄭秀清，邢述彥,等.地表覆膜對季節(jié)性凍融土壤入滲規(guī)律的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(7):18-21.

[8]尚松浩，雷志棟，楊詩秀.凍結(jié)條件下土壤水熱耦合遷移數(shù)值模擬的改進[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1997,37:62-64.

[9]吳謀松，王康，譚霄,等.土壤凍融過程中水流遷移特性及通量模擬[J].水科學(xué)進展,2013,24(4):543-550.

[10]宋存牛.凍融過程中土體水熱力耦合作用理論和模型研究進展[J].冰川凍土,2010,35(5):982-988.

[11]李瑞平，史海濱，赤江剛夫,等.基于水熱耦合模型的干旱寒冷地區(qū)凍融土壤水熱鹽運移規(guī)律研究[J].水利學(xué)報,2009,40(4):402-411.

[12]靳志鋒，虎膽·吐馬爾白，牟洪臣,等.土壤凍融溫度影響下棉田水鹽運移規(guī)律[J].干旱區(qū)研究,2013,30(4):623-627.

[13]新疆農(nóng)業(yè)廳，新疆土壤普查辦公室.新疆土壤[M].北京：科學(xué)出版社，1996：151-521.

Study on movement characteristics of soil temperature and salt during freeze-thaw period

ZHAO Yong-cheng, HUDAN·Tumarbay, MAHEMUJIANG·Aihemaiti, ZHU Dong-qiao,LI Hui, ZHAO Jing-hua, ZHU Hai-qing

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Abstract：The interaction between soil temperature and soil salt movement during the freeze-thaw period was studied in an indoor laboratory and the field. The results indicated that the effect of air temperature on soil temperature was decreased with the depth increased. Before the thawing period, soil temperature appeared an increasing trend with soil depth, but exhibited an opposite tread after thawing period. Correlation of soil temperatures between adjacent layers was significant at the 0.01 level (2-tailed), and the decision coefficient was larger than 0.8. The correlation of soil temperature became decreased with the depth. The duration of the freeze-thaw period reached a length of 120 days, and the largest depth of frozen soil was about 80cm. The frozen soil was completely thawed at the first ten-day of March. The whole freeze-thaw period could be divided into three stages: the first stage was frozen zone development, the second one was stable frozen stage and the third was the thawing period, which fitted accurately with the function. The soil salt content presented an increasing trend firstly, and then became decreased with depth. The value of soil salt content in frozen zone was about 0.3%, which belonged to the non-salinization soil. There was a stable salt accumulation layer at the depth of 80～120 cm, which presented the characteristic of moderately and severely salinized soil.

Keywords:cotton field, freeze-thawing, soil temperature, soil salt

中圖分類號：S152.7

文獻標志碼：A

作者簡介：趙永成(1987—)，男，青海省互助縣人，碩士，研究方向為地下水及土壤水鹽運移理論。 E-mail:1129811893@qq.com。通信作者：虎膽·吐馬爾白(1960—)，男(哈薩克族)，教授，博導(dǎo)，主要從事地下水土壤水鹽運移理論及節(jié)水灌溉理論研究。 E-mail:hudant@hotmail.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51469033)；自治區(qū)“十二五”重大專項(201130103-3)；新疆水利水電重點學(xué)科資助項目

收稿日期：2015-01-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.23

文章編號：1000-7601(2016)02-0141-05