凍融期膜下滴灌棉田水鹽時空動態(tài)特征研究

虎膽·吐馬爾白，趙永成，馬合木江·艾合買提

(1.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；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所， 新疆 烏魯木齊 830011)

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凍融期膜下滴灌棉田水鹽時空動態(tài)特征研究

虎膽·吐馬爾白1，趙永成2，馬合木江·艾合買提1

(1.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；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所， 新疆 烏魯木齊 830011)

利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，分析了凍融期北疆地區(qū)常年滴灌棉田土壤水分、鹽分時空動態(tài)變化特征。結(jié)果表明：在整個凍融期，裸地處理的含水率隨時間變異性較覆膜處理大；在最大凍土深度(90 cm土層)附近，土壤鹽分隨時間變異劇烈，屬于強(qiáng)變異性，變異系數(shù)高達(dá)1.1左右；在深度方向上，土壤含水率呈中等變異性，而土壤含鹽率則呈強(qiáng)變異性；在整個凍融過程中，凍結(jié)帶中鹽分隨時間和深度的變化幅度較?。粌鋈谄谕寥来嬖诜€(wěn)定鹽分累積層，該累積層的深度在120 cm土層，且不受地表覆蓋的干擾。覆膜對120 cm土層以下土壤鹽分運(yùn)移影響較小。

變異系數(shù)；凍融期；滴灌棉田；水鹽；變化特征

季節(jié)性凍土中的水分運(yùn)動作為自然界水分循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，在農(nóng)業(yè)、水資源及環(huán)境領(lǐng)域有著重要的地位。凍融循環(huán)引發(fā)了土壤結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致土壤水鹽的重新分配，影響土壤水分入滲和蒸發(fā)。國外對于凍融條件下土壤物理化學(xué)特征的研究進(jìn)行的較多。Watanabe等[1]針對凍融土壤中微生物活性進(jìn)行了研究，認(rèn)為在土壤凍結(jié)過程中，土壤微生物活性隨著溫度的降低而降低，并且微生物的分布隨著凍結(jié)帶的發(fā)育而變化。P.P. Overduin[2]等利用土壤溫度對熱的反應(yīng)原理測量了凍融條件下的熱導(dǎo)率。Klas Hansson等[3]對于凍融土壤中水分及熱運(yùn)移問題進(jìn)行了研究。還有學(xué)者認(rèn)為[4-6]，凍土形成的過程對于土壤碳、氮的循環(huán)有著直接影響。新疆北疆地區(qū)的石河子市一直都是我國優(yōu)質(zhì)棉花生產(chǎn)供應(yīng)基地，其所屬的121團(tuán)是我區(qū)最早實(shí)施棉花膜下滴灌的地區(qū)。長期以來，由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展受土壤鹽堿化及次生鹽漬化問題的困擾，使得棉花產(chǎn)量和質(zhì)量都受到不同程度的影響，長此以往，這一問題將會嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。而凍融作為誘發(fā)土壤次生鹽漬化的一個重要因素越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。因此，做好凍融期滴灌棉田土壤水鹽的長期監(jiān)測工作尤為重要。

近些年來，國內(nèi)已經(jīng)有許多學(xué)者針對生育期土壤水鹽運(yùn)移問題進(jìn)行了大量研究并取得了許多成果。有學(xué)者針對干旱區(qū)膜下滴灌棉田水鹽運(yùn)移及分布特征進(jìn)行了研究[7-10]，李明思等人[11-13]針對長期膜下滴灌棉田土壤水鹽累積特征進(jìn)行了長期監(jiān)測，以分析土壤鹽分隨滴灌種植年限的變化。但是，對于凍融期滴灌棉田土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的研究工作進(jìn)行的較少。新疆北疆地區(qū)地處我國季節(jié)性凍土區(qū)，每年凍融期長達(dá)5個月之久，最大凍土深度為80 cm左右[14]，因此，研究凍融條件下滴灌棉田土壤水鹽運(yùn)移及分布特征對于防治土壤次生鹽漬化有重要意義。方汝林[15]就土壤凍結(jié)、消融期水鹽動態(tài)進(jìn)行了初步研究，分析了土壤凍結(jié)、消融期水鹽運(yùn)移的規(guī)律，提出了控制春季土壤返鹽的措施。黃興發(fā)等[16]對凍融期土壤水熱鹽運(yùn)移進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為土壤凍融對早春土壤表層聚鹽有重要作用，如果不采取措施，凍融期內(nèi)聚集的水分將會在土壤融化后強(qiáng)烈蒸發(fā)，可能會引發(fā)早春土壤次生鹽漬化。張殿發(fā)[17]等人對凍融條件下土壤水鹽運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在土壤凍結(jié)期，鹽分的運(yùn)移和初始土壤含水率、土壤溶質(zhì)濃度、鹽分組成、土壤溫度及熱梯度等因素有關(guān)。而土壤溫度是鹽分運(yùn)移的主要驅(qū)動力，它會使保持在凍結(jié)帶中的鹽分在消融期向土壤表層運(yùn)移。李瑞平[18-19]等研究了凍融期溫度與土壤水鹽運(yùn)移的關(guān)系，以及干旱寒冷地區(qū)土壤水鹽的空間變異特征。鄭秀清，樊貴盛等[20-21]針對土壤含水率及地下水埋深對于凍土入滲特性的影響進(jìn)行了研究。靳志峰[22]等研究了凍融期滴灌棉田土壤水鹽運(yùn)移與溫度的關(guān)系，及雪水入滲對水鹽運(yùn)移的影響。對于土壤水鹽的時空變異性研究，李小昱[23]等人用經(jīng)典統(tǒng)計方法計算了土壤含水率均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等統(tǒng)計特征值,但該方法不能定量的描述土壤特性的空間變異性。徐英等[24]認(rèn)為，夏灌前和秋澆前土壤鹽分均屬中等變異性，兩個時期水分和鹽分都具有空間自相關(guān)性。雷曉云等[25]研究發(fā)現(xiàn)，不同深度平面上，土壤含水率的變異大小不僅與所處土層深度有關(guān)而且與施測的時間有關(guān)。王樹仿等人[26]針對膜下滴灌水分的時空變異規(guī)律進(jìn)行了研究。近些年，地統(tǒng)計學(xué)在土壤特性空間變異研究中得到了廣泛的應(yīng)用，V. A. Sidorova等[27-28]利用地統(tǒng)計學(xué)方法分析了土壤、作物及地下水等因素的空間變異性。徐英[29]等研究發(fā)現(xiàn)，土壤水鹽的各向異性特征在實(shí)驗(yàn)區(qū)或與之相似的地區(qū)可以簡化為各向同性，此方法能簡化分析計算的過程。李敏等人[30]利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)、地統(tǒng)計學(xué)及相似理論研究了在不同尺度網(wǎng)格下膜下滴灌棉田土壤水鹽的空間變異性。本研究通過對越冬期新疆石河子墾區(qū)滴灌棉田水鹽的動態(tài)監(jiān)測，利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)理論，定性分析凍融條件下，土壤中水分和鹽分隨時間及空間的動態(tài)變化特征，以便使當(dāng)?shù)剞r(nóng)民采取合理措施，為防治早春土壤次生鹽漬化提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在新疆石河子市農(nóng)八師121團(tuán)進(jìn)行，該團(tuán)位于天山北麓，準(zhǔn)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(qiáng)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 h，無霜期平均為167 d，具有典型的大陸性荒漠氣候的特點(diǎn)。本試驗(yàn)田土壤質(zhì)地自地表以下依次為粉沙壤土、粘土和砂粘壤土，0～30 cm為粉沙壤土，土壤平均容重1.40 g·cm-3，30～100 cm土層為粘土，平均容重為1.27 g·cm-3，100～150 cm土層為砂粘壤土，平均容重為1.33 g·cm-3。

1.2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)實(shí)施時間為2012年11月22日至2013年3月24日。試驗(yàn)地塊為滴灌年限12年(2001年開始實(shí)施膜下滴灌灌水模式)的棉田。試驗(yàn)于2012年11月22日(即下雪前)在棉田中央選地，地塊覆蓋一張10 m×10 m的塑料薄膜用以阻隔積雪(M處理)，并在薄膜旁邊選取一塊10 m×10 m的裸地作為對照處理(L處理)，每個處理設(shè)三個重復(fù)。取土?xí)r間為2012年11月22日、2012年12月18日、2013年1月12日、2013年3月1日、2013年3月10日、2013年3月14日、2013年3月17日、2013年3月20日、2013年3月24日，共計9次；取土深度為10、20、40、60、90、120、150 cm七個土層。每個處理設(shè)一個取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)均位于小區(qū)中心位置，每個處理采用相同的取樣方式。每次取樣后利用烘干法測出土壤的質(zhì)量含水率(smc)(溫度105℃下烘8小時左右)，質(zhì)量含水率的計算公式如下：smc=(濕重-干重)/干重×100%。然后將烘干土樣磨碎、過篩，按水土比5∶1(蒸餾水90 ml，土18 g)制取土壤浸提液，利用DDS-307型電導(dǎo)率儀測定溶液的電導(dǎo)率，然后換算成土壤總含鹽率。換算公式為：Y=0.0006X-0.0282(R2=0.9486)。

2　結(jié)果與分析

2.1凍融期含水率、含鹽率隨時間變異性

變異系數(shù)CV的大小反映了隨機(jī)變量的離散程度，及土壤特性空間變異的大小。一般對變異系數(shù)CV值的評估[30]，當(dāng)CV≤0.1時，稱弱變異性，0.1≤CV≤1.0為中等變異性，CV>1.0為強(qiáng)變異性。為了分析凍融期含水率及含鹽率隨時間的變異性，這一部分在分析數(shù)據(jù)時，將同一土層，不同時期的觀測數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，得出其變異系數(shù)CV值，處理結(jié)果如圖1(a)、圖1(b)所示。

圖1含水率及含鹽率隨時間變異系數(shù)

Fig.1Moisture and salinity coefficients of variation over time

在整個凍融期，各土層含水率隨時間的變異系數(shù)隨深度的變化比較明顯圖1(a)。兩處理中，CV值的整體變化趨勢一致。各土層含水率隨時間的變異系數(shù)CV值，L處理的皆大于相應(yīng)深度M處理的值，這可能是由于M處理中薄膜對積雪的阻隔作用及保溫隔熱作用導(dǎo)致的。兩處理分別在60 cm、150 cm處出現(xiàn)變異系數(shù)峰值，峰值CV值都小于0.5圖1(a)，故兩者都呈現(xiàn)中等變異性。峰值的出現(xiàn)說明，在整個越冬期內(nèi)，60、150 cm土層中，樣本數(shù)據(jù)比較離散，含水率隨時間變化最為明顯，且各監(jiān)測時間點(diǎn)的含水率值差異較大。90 cm以下土體，含水率CV值呈現(xiàn)出隨深度的增加而增大的趨勢圖1(a)。據(jù)靳志峰等[14]人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)貎鐾辽畲蠹s為80 cm左右。由此可以判斷，90 cm以下土層為非凍層，說明在凍結(jié)帶下界面以下的土壤中水分隨時間變異性會隨深度的增大有增大趨勢。而由圖1(b)含鹽率隨時間變異系數(shù)圖可知，L處理和M處理中，含鹽率CV值整體變化趨勢相同，分別在90 cm土層出現(xiàn)峰值，峰值高達(dá)1.1左右，呈強(qiáng)變異性。這可能是因?yàn)?0 cm土層恰好位于凍結(jié)土體的下界面附近。在土壤還未達(dá)到當(dāng)?shù)貎鐾辽疃葧r，非凍層的水分在溫度梯度作用下向凍結(jié)帶運(yùn)移，而相對于80 cm的凍土深度而言，90 cm土層是土壤水鹽向上層土壤運(yùn)移的必經(jīng)土層；當(dāng)凍結(jié)帶發(fā)育停滯后，大量鹽分聚集在凍結(jié)層下界面，即90 cm土層附近；當(dāng)土壤開始消融后，凍結(jié)帶中的水鹽又呈現(xiàn)上滲-下滲型運(yùn)移態(tài)勢，下滲部分的水分同樣首先經(jīng)過90 cm土層向下運(yùn)移，而水分是鹽分運(yùn)移的載體，因此，這一土層的土壤鹽分在消融期又出現(xiàn)較大變化。同時，試驗(yàn)區(qū)春季氣溫回升速度較快，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，會出現(xiàn)潛水蒸發(fā)的可能，使得下面土體中的水鹽再度在外界蒸發(fā)作用下出現(xiàn)上移現(xiàn)象，以上因素綜合作用下，導(dǎo)致在整個凍融期這一土層鹽分變化較為劇烈。而在除90 cm土層以外的土壤中，含鹽率隨時間的CV值隨深度變化較小，CV值都在0～0.5范圍內(nèi)，屬于中等變異。60～150 cm土層中呈現(xiàn)出M處理的含鹽率CV值大于L處理的趨勢，這與含水率CV值的變化趨勢剛好反，這可能與土壤溫度有關(guān)。在凍融期，溫度是土壤水鹽運(yùn)移的主要驅(qū)動力，然而，由于塑料薄膜的存在，使得M處理土壤溫度較L處理相應(yīng)土層的高，因此，才會導(dǎo)致M處理中鹽分變化較L處理活躍的現(xiàn)象。

2.2凍融期含水率、含鹽率在鉛垂方向的變異性

為分析土壤水鹽在深度方向的變異性，本試驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理時，將同一取樣點(diǎn)的土壤含水率及含鹽率值進(jìn)行了方差分析，得出其變異系數(shù)CV值，處理結(jié)果見圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2土壤含水率及含鹽率在鉛垂方向變異系數(shù)

Fig.2Coefficients of variation characteristics of soil moisture and salt along vertical direction

由圖2(a)含水率在鉛垂方向變異系數(shù)圖可知，含水率在深度方向的變異系數(shù)CV值皆為0.1≤CV≤0.6，因此，含水率在深度方向上呈現(xiàn)出中等變異性。從2012年11月22日到2013年3月1日，L處理的含水率CV值呈現(xiàn)出隨著時間的推后而有增大的趨勢，M處理的含水率在深度方向的變異性較小，其CV曲線幾乎與水平軸平行,這可能與土壤凍融機(jī)理有關(guān)。在土壤凍結(jié)帶發(fā)育的過程中，由于薄膜的保溫隔熱作用，使得M處理的凍融速度較L處理的小，因此，在同一時間，L處理的CV值大于M處理的。而在2013年3月1日到3月24日期間，L處理CV曲線的變化幅度大于M處理，這可能是由于這一時段外界氣溫變化導(dǎo)致的。試驗(yàn)區(qū)在這一時段氣溫上升較快，外界蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，加之在消融階段出現(xiàn)的交替凍融，使得這一時段含水率在深度方向變化較為劇烈。

由圖2(b)含鹽率在鉛垂方向變異系數(shù)圖可知，隨著觀測時間的推后，鹽分在深度方向的CV值有增大的趨勢，相比之下，L處理的CV值曲線較M處理的變化幅度大。說明兩處理中，L處理的鹽分在深度方向上的變化更顯著，這可能與凍融期積雪及土壤溫度變化有關(guān)系，溫度梯度的大小直接影響水分運(yùn)移的速度，間接地影響到了鹽分在土壤中的變異程度。圖2(b)中，含鹽率的CV值大多在1.0以上，因此，在凍融期，鹽分在深度方向呈現(xiàn)出強(qiáng)變異性。

2.3凍融期土壤水鹽變化趨勢

圖3(a)、圖3(b)為凍融期土壤含水率變化圖，由圖可知，在鉛垂剖面上，L處理和M處理的含水率變化趨勢相同，都呈現(xiàn)出隨深度的增加先減小，后增大，再減小的趨勢，相應(yīng)的含水率峰值大都出現(xiàn)在表層10 cm和120 cm土層。在10 cm土層中，各時期平均含水率值L處理的含水率要比M處理的大，其平均值分別為18%、14%。這可能是由于積雪融化后，融雪水入滲補(bǔ)給導(dǎo)致的。而在120 cm土層出現(xiàn)含水率峰值，這可能是土壤凍結(jié)和消融共同作用的結(jié)果。因?yàn)樵谕寥纼鼋Y(jié)期，下層土壤水分在水勢梯度的作用下不斷向凍結(jié)層運(yùn)移，當(dāng)達(dá)到最大凍土深度以后，下層非凍結(jié)土壤中的水分會聚集在凍土深度(即80 cm)以下的土體中，而120 cm土層恰好位于這一土體。當(dāng)土壤進(jìn)入消融期后，凍結(jié)帶下界面的土壤水分呈下滲型運(yùn)移特征，這使得位于凍結(jié)層以下的120 cm土層中出現(xiàn)了含水率峰值。

圖3(c)、圖3(d)為凍融期每一觀測日土壤含鹽率變化圖，由圖3(c)、圖3(d)可以看出，L處理與M處理的含鹽率在深度方向的變化趨勢與幅度基本相同，在0～90 cm各土層，各觀測期的含鹽率值在深度方向上相差不大，都呈現(xiàn)出隨深度的增加曲線基本與縱軸平行，且含鹽率值較低，皆保持在2 g·kg-1范圍內(nèi)。由前面分析可知，這一土體屬于在凍結(jié)帶范圍內(nèi)，由此可以推測，在整個凍融期間，凍結(jié)帶中的鹽分隨深度和時間變化幅度較小。由圖3(c)、圖3(d)可以看出，兩處理都在120 cm土層出現(xiàn)了各觀測期的峰值，在這一土層，覆膜處理的含鹽率的最大值與最小值(12、4.97 g·kg-1)都比裸地處理的(9.8、2.6 g·kg-1)大。一方面，峰值出現(xiàn)在120 cm土層這一現(xiàn)象可以說明，在凍融期，120 cm土層是土壤鹽分穩(wěn)定積聚區(qū)，且這一峰值區(qū)并不隨時間而改變，這同時也說明，在相同的條件下，不同處理方式(覆膜與裸地)并不影響鹽分在凍融期積聚區(qū)的分布。另一方面，由120 cm土層的覆膜處理的最值皆大于裸地處理這一現(xiàn)象可以看出，兩處理在含鹽率大小上還是有一定的差異，但這種差異究竟是不是由于覆膜而導(dǎo)致的，這一問題有待于在今后的研究中進(jìn)一步去求證。

圖3全觀測期土壤含水率、含鹽率變化

Fig.3Changes of soil moisture and soil salt during the whole period of observation

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，不論是土壤含水率還是含鹽量，都在120 cm土層出現(xiàn)了峰值，并且在整個凍融期內(nèi)其峰值出現(xiàn)的位置并不隨時間變化，都穩(wěn)定在120 cm土層中。

3　結(jié)　論

1) 全觀測期含水率隨時間的變異性發(fā)現(xiàn)，裸地處理的含水率隨時間變異系數(shù)都較覆膜處理的大，說明在相同條件下，裸地處理更容易受外界融雪及外界氣溫等因素的影響。但由于凍融期水分及鹽分在土壤中的運(yùn)移受土壤結(jié)構(gòu)、初始含水率、含鹽率及溫度等各種因素的影響，對這些因素對凍融土壤水鹽運(yùn)移的作用機(jī)理，有待于在后期試驗(yàn)中做進(jìn)一步研究。

2) 全觀測期中，裸地處理和覆膜處理含鹽率隨時間動態(tài)變異系數(shù)都在90 cm土層出現(xiàn)峰值，呈強(qiáng)變異性。而除90 cm以外的其他土層，含鹽率隨時間動態(tài)變化呈中等變異特征,變幅較小。在凍結(jié)帶的下界面附近，土壤鹽分運(yùn)移活動較活躍。

3) 含水率隨深度變化呈中等變異性，而含鹽率呈強(qiáng)變異性，這說明在深度方向上，含鹽率變化要比含水率變化復(fù)雜。

4) 在整個凍融期內(nèi)，處于凍結(jié)帶中的鹽分隨時間和土層深度的變化較小，含鹽率大多在2 g·kg-1的范圍內(nèi)。120 cm土層為整個凍融期內(nèi)鹽分穩(wěn)定累積層。覆膜對于凍融期鹽分累積層的分布沒有影響，但對累積層中的鹽分值的大小有影響。

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Study on spatial and temporal variabilities of soil moisture and salt during freeze-thawing period in cotton field with drip irrigation

Hudan Tumarbay1, ZHAO Yong-cheng2, Mahemujiang Aihemaiti1

(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052, China;2.XinjiangEcologyandGeographyInstitute,ChineseAcademyofSciences,Urumqi,Xinjiang830011,China)

The coefficient of variation of the classical statistics was used to analyze the spatial-temporal dynamic variability characteristics of soil moisture and salinity content in the cotton field of Shihezi district in Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. The results indicated that during the whole freezing and thawing period, for all soil layers, the coefficient of variation in soil moisture with bare land treatment (L) was higher than that with the mulching treatment (M). At the maximal depth of frozen soil layer around 90 cm, soil salinity exhibited strong variability with a coefficient of variation up to 1.1. Soil content demonstrated moderate variability in the vertical profile, and salinity content presented strong variability. During the whole freezing and thawing period, changes of salinity in frozen zone varied little with both bare land and mulching treatment, the 120 cm soil layer was stable for salinity accumulation, indicating that mulching had no significant effect on the layer beneath 120 cm. The results in this paper could be considered as a theoretical basis for prevention of the secondary salinization in soil, which would be conducive to the sustainable and safety use of the local farmland.

coefficient of variation; freeze-thawing period; cotton field with drip irrigation; soil moisture and salinity

1000-7601(2016)05-0269-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.41

2015-05-15

國家自然科學(xué)基金(51069033)；自治區(qū)地方公派出國留學(xué)成組配套項(xiàng)目

虎膽·吐馬爾白(1961—)，男，哈薩克族，教授，博導(dǎo)，主要從事地下水、土壤水鹽運(yùn)移理論及節(jié)水灌溉理論。 E-mail:hudant@hotmail.com。

S152.7

A