季節(jié)性凍融期不同地表覆蓋對土壤溫度時空變化的影響

單小琴，鄭秀清，陳軍鋒

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

我國季節(jié)性凍土主要分布在東北、西北以及華北地區(qū)，且大多屬于干旱、半干旱的水資源匱乏區(qū)[1]。土壤蒸發(fā)是水資源短缺的主要原因之一，有效地減少由土壤表面蒸發(fā)引起的土壤水分的無效散失愈發(fā)重要。近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大多采用秸稈、地膜、干草、砂石和蒸發(fā)抑制劑覆蓋等措施來減少地表水分蒸發(fā)。地表覆蓋不僅具有抑制土表蒸發(fā)的作用，而且還具有調(diào)節(jié)土壤溫度和改變土壤自然凍融過程[2-4]。國內(nèi)外學(xué)者就不同地表覆蓋條件下土壤溫度的變化規(guī)律展開了深入的研究，Sharratt等[5]研究了不同地表覆蓋措施對土壤凍結(jié)時間、速率和深度的影響。Flerchinger等[6]利用水熱耦合遷移模型，分別模擬了不同覆蓋物和植被條件下土壤中水熱遷移和轉(zhuǎn)化過程。Ji等[7]從地表覆蓋物的類型以及覆蓋量兩個角度綜合分析考慮，結(jié)果表明覆蓋物類型對土壤溫度影響顯著，而地表覆蓋量僅對耕作層土壤溫度具有改善作用。夏自強等[8]對地膜覆蓋下土壤中溫度變化和熱量遷移進(jìn)行了研究，結(jié)果表明低溫季節(jié)地膜覆蓋對地溫具有顯著地增溫作用。付強等[9]研究了秸稈覆蓋量對不同深度處土壤溫度的影響，表明土壤保溫效果并非呈現(xiàn)單調(diào)遞增或遞減，秸稈覆蓋明顯地平抑表土層地溫的變化。

地表覆蓋減弱了大氣與土壤的熱交換，延緩了土壤凍結(jié)時間和深度，改變了土壤自然凍融過程。目前國內(nèi)外對凍融期地膜或秸稈單一覆蓋措施對土壤溫度的影響做了較為詳盡研究[10]，但是在凍融交替與地膜和秸稈多種覆蓋措施下土壤熱量遷移轉(zhuǎn)化以及溫度的時空變化研究較少。本文著重研究凍融期地膜和秸稈覆蓋下耕作層以及耕作層以下土壤的熱狀況，定量分析不同地表覆蓋下非飽和凍融土壤介質(zhì)中土壤溫度的時空變化特征，研究成果可為北方冬春季節(jié)土地利用及管理提供支持。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省太谷、清徐和榆次三市的交界處的東陽鎮(zhèn)，屬于山西省農(nóng)科院的實驗基地。試驗區(qū)面積為167 hm2，海拔799.4～804.6 m，地貌屬于平川，土壤類型為壤質(zhì)黏土，耕作層深度約20cm。試驗區(qū)年均氣溫為9.7 ℃，年均降水量為430.2 mm，年均相對濕度62%，多年平均無霜期154 d，土壤最大凍結(jié)深度約為90 cm。試驗期間(2013年11月1日至2014年3月30日)太陽總輻射為123 kJ/cm2，平均氣溫為-0.2℃。12月份最冷，月平均氣溫為-4.2 ℃。2月7日日內(nèi)氣溫最低，為-13.2 ℃。試驗期間日太陽輻射量和日平均氣溫變化特征如圖1所示。凍融期裸地的土壤自然凍深曲線見圖2，土壤最大凍結(jié)深度為53 cm。結(jié)合圖1和圖2將凍融期分為AB不穩(wěn)定凍結(jié)期(11月10日-12月21日)、BC快速凍結(jié)期(12月22日-1月24日)、CD擬穩(wěn)定凍結(jié)期(1月25日-2月16日)和DEF融化期(2月17日-3月31日)4個時期。

圖1 試驗期間日輻射量和日均氣溫變化特征曲線

圖2 試驗期裸地凍結(jié)與融化過程曲線

1.2 試驗方法及方案

試驗田地表覆蓋措施分為裸地(LD)、地膜覆蓋(DM)和秸稈覆蓋(JG)3種處理。MD覆蓋為0.1 mm的聚乙烯透明塑料薄膜；JG覆蓋為玉米秸稈，長度為5～7 cm，厚度為12 cm，覆蓋量為4 500 kg/hm2。試驗田均為深耕休閑地，規(guī)格為4.5 m×4.5 m，各處理均設(shè)2個重復(fù)。試驗田地溫采用熱敏電阻測定，測定深度為0、10、20、30、50、70、90 cm。整個凍融期的土壤溫度共觀測13次，每次觀測時間為早晨9∶00。土壤凍結(jié)深度采用人工取土測定。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 地表覆蓋對土壤溫度的影響

2.1.1 地表覆蓋對耕作層土壤溫度的影響

土壤剖面地溫的離散程度可以用變異系數(shù)(Cv)來反映，Cv值越大，表明季節(jié)性凍融期土壤剖面地溫的離散(變異)程度越大，反之離散程度越小。但是當(dāng)溫度出現(xiàn)負(fù)值時，變異系數(shù)就不能反映離散程度和變幅，所以0～20 cm土壤溫度的變異系數(shù)不作討論。

地表覆蓋措施對土壤剖面地溫的影響用絕對灰色關(guān)聯(lián)度S表示。設(shè)x0={x0(k),k=1,2,…,n}為裸地土壤溫度時間序列，xi={xi(k),k=1,2,…,n}為覆蓋田塊土壤溫度時間序列，采用灰色理論建模系統(tǒng)6.0可得出兩列數(shù)據(jù)之間的絕對灰色關(guān)聯(lián)度S。S值越大，表明系列數(shù)據(jù)隨時間變化態(tài)勢保持一致，覆蓋對其動態(tài)干擾度較低，反之則干擾程度較高。

由表1可知，DM與LD間耕作層土壤剖面地溫的絕對灰色關(guān)聯(lián)度S(0.615 6～0.946 9)整體高于JG(0.654 3～0.813 1)，

表1 耕作層土壤溫度的統(tǒng)計特征

說明在整個凍融過程中，JG耕作層地溫隨時間的變化態(tài)勢與LD相似程度較高，DM對耕作層地溫的影響較大。地膜的反射率較小，土壤可接受較多的太陽輻射；同時由于膜下水汽含量高，水蒸氣吸收太陽輻射熱，從而減少了地面向大氣的短波輻射，水汽溫度升高，使地面土壤溫度遠(yuǎn)高于LD和JG。

圖3分別為凍融期LD、DM和JG耕作層0、10、20 cm處的地溫變化曲線。從圖3可看出，3種覆蓋措施下耕作層的土壤在各深度土壤溫度的變化曲線均呈先減小、后穩(wěn)定和再增加的趨勢。地面土壤溫度與氣溫變化態(tài)勢整體一致。由圖3(a)可知，LD土壤溫度變化較有覆蓋的試驗地塊更為劇烈?？焖賰鼋Y(jié)期，LD、JG和DM在0 cm處土壤溫度平均分別為1.44、-0.63和0.8 ℃；穩(wěn)定凍結(jié)期，LD、JG和DM分別為4.43、0.83和4.12 ℃；融化期，LD、JG和DM分別9.94、11.55和14.13 ℃。凍結(jié)期LD地面土壤溫度最高，JG最低，DM介于兩者之間。說明JG和DM的隔熱作用減弱了地面與大氣的熱交換，阻擋了太陽的長波輻射，使地表土壤溫度較低。同時JG比DM的導(dǎo)熱性更差，所以DM地面土壤溫度高于JG。

快速凍結(jié)期LD、JG和DM在10 cm處土壤平均溫度分別為-3.73、-0.6和2.87 ℃；穩(wěn)定凍結(jié)期LD、JG和DM分別為 2.1、0.25和5.09 ℃；融化期LD、JG和DM分別為2.79、1.64和9.89 ℃。說明快速凍結(jié)期JG和DM均對土層具有增溫作用，且DM的增溫效果比JG好。穩(wěn)定凍結(jié)期和融化期JG地溫比LD地溫分別降低了1.85和1.15℃，DM分別增溫2.99和7.1 ℃，說明穩(wěn)定凍結(jié)期和融化期JG對10 cm土層具有降溫效應(yīng)，而DM具有明顯增溫效應(yīng)。

凍融期JG和DM在20 cm處土壤溫度平均比LD分別高0.22和0.77 ℃，說明整個凍融期JG和DM在20 cm處均對土層具有增溫作用，但與10 cm土層相比，JG和DM增溫效果較小。

對比圖3(a)～圖3(c)不難看出，隨著土壤深度的不斷加大，地溫的變幅逐漸減弱，地溫受外界環(huán)境的影響越來微弱。到了20 cm處，LD、JG和DM的土壤溫度非常接近，在3月16日左右，各處理的土壤溫度相差很小。

圖3 不同地表覆蓋下耕作層土壤溫度變化曲線

2.1.2 地表覆蓋對耕作層以下土壤溫度的影響

圖4分別為LD、JG和DM耕作層以下土壤在凍結(jié)和融化過程中土壤溫度變化情況，耕作層以下土壤溫度與耕作層變化相似，不同地表處理下各深度地溫變化曲線均呈現(xiàn)減小、穩(wěn)定和增大的趨勢。由表2可知，JG和DM處理在30～90 cm范圍內(nèi)土壤溫度的Cv值分別在1.67～0.85和1.58～0.75之間變化，兩者均較LD(2.64～1.16)低，說明地表覆蓋有效削弱了季節(jié)性凍融期耕作層以下土壤溫度隨時間的波動幅度，其中DM地塊的土壤溫度變幅小于JG。

由表2還可以看出，在30～90 cm范圍內(nèi)JG與LD間絕對灰色關(guān)聯(lián)度S(0.981 2～0.996 7)，DM與LD間的絕對灰色關(guān)聯(lián)度S(0.981 0～0.997 5)，但與耕作層土壤相比絕對灰色關(guān)聯(lián)度較大，說明耕作層以下JG和DM土壤剖面地溫的變化態(tài)勢與LD整體上較一致，JG和DM對耕作層以下土壤溫度的干擾程度較低。

2.2 地表覆蓋下土壤溫度的垂向變化規(guī)律

圖5為LD、JG和DM三種處理下地溫在不同凍融階段的垂向變化曲線。由圖5(a)可知，不穩(wěn)定凍結(jié)階段LD、JG和DM在0～20 cm的平均地溫分別為3.38、3.83和5.36 ℃，JG和DM較LD提高了13.33%和58.47%，說明覆蓋處理對耕作層0～20cm土壤溫度具有顯著增溫效應(yīng)。20 cm以下土壤溫度隨土壤深度的不斷加深而逐漸升高。

表2 耕作層以下土壤溫度的統(tǒng)計特征

圖4 不同地表覆蓋耕作層以下土壤溫度變化曲線

進(jìn)入快速凍結(jié)階段[圖5(b)]，各處理在0～40 cm土壤溫度均低于0 ℃，且LD、JG和DM平均地溫分別為-2.92、-1.20和-0.95 ℃，是由于這段時間氣溫迅速下降，地表因持續(xù)降溫而低于深層地溫，地溫自上而下逐漸升高，地表土壤的熱量向大氣中散失，減小了土壤積蓄的熱量，因此在0～40 cm范圍內(nèi)各深度地溫均有所下降。

由圖5(c)可知，LD和DM的土壤溫度在0～20 cm變化較大，JG地溫在0～90 cm變化平緩。LD和DM在0～20 cm土壤溫度分別在-3.95～-1.71和-2.50～2.12 ℃之間變化，說明DM抑制了耕作層地溫的降低，減弱了地面向大氣的短波輻射。JG在0～20 cm地溫變化在-2.00～-1.06 ℃之間，較LD地溫的變幅減小了1.29 ℃，說明JG能平抑耕作層地溫變化，JG的隔熱作用阻擋了地面輻射，減少了土壤中熱量散失。

進(jìn)入2月份，氣溫迅速地回升，土壤進(jìn)入了融化階段，耕作層土壤的溫度梯度向下，但在耕作層以下土壤的溫度梯度依然向上。由圖5(d)可知，融化期三種處理都在0～20 cm地溫變化較大，LD、JG和DM在0～20 cm地溫分別在3.15～12.26、1.92～10.10和3.96～12.74 ℃之間變化，JG和DM覆蓋分別較LD地溫的變幅減少了0.65和0.33 ℃。結(jié)果表明覆蓋措施平抑了耕作層以下地溫的變幅，秸稈覆蓋溫度的變化較LD和DM覆蓋更為穩(wěn)定。各處理土壤溫度的極大值均出現(xiàn)在0 cm處，LD、JG和DM在0 cm處土壤溫度分別為12.26、10.10和12.74 ℃，JG覆蓋較LD降低了17.66%，而DM覆蓋較LD升高了3.93%，說明氣溫升高過程中，JG抑制了地面溫度的升高，DM提高了0 cm處的土壤溫度，其原因可能是消融期，秸稈的導(dǎo)熱性較差，阻礙了地面吸收來自太陽的長波輻射，減弱了地氣間的熱交換。而地膜具有透光作用，地面能吸收較多的太陽輻射，使得膜下的土壤溫度較高。20 cm以下地溫變化整體趨勢為隨土深的加大而逐漸升高，各處理的土壤溫度基本上依DM、LD和JG順序排列。

圖5 試驗期不同地表覆蓋不同時期土壤溫度的垂向變化曲線

3 結(jié) 語

(1)DM較LD具有增溫作用，隨土壤深度的加深DM對地溫的提升作用逐漸微弱。JG對土壤熱量的雙向運動均有阻礙作用，凍結(jié)期氣溫處于持續(xù)下降的過程，JG對試驗土層地溫具有升溫作用；消融期氣溫處于迅速回升的過程，JG抑制了試驗土層地溫的增加。

(2)耕作層JG與LD間絕對灰色關(guān)聯(lián)度S(0.654 3～0.813 1)較DM(0.615 6～0.946 9)大，JG耕作層土壤溫度隨時間的變化態(tài)勢與裸地相似程度高，DM對耕作層地溫干擾程度較大；耕作層以下JG與LD間絕對灰色關(guān)聯(lián)度S(0.981 2～0.996 7)，DM(0.981 0～0.997 5)，與耕作層相比絕對灰色關(guān)聯(lián)度較大，說明耕作層以下JG和DM土壤剖面地溫的變化態(tài)勢與LD整體上較一致，JG和DM對耕作層以下地溫的影響較小。

(3)整個凍融期，3種處理均在0～20 cm處地溫變化較大，隨土壤深度的加深地溫的波動幅度逐漸減弱?？焖賰鼋Y(jié)期JG和DM在凍結(jié)期對土層的增溫效果較好，土壤溫度0～20 cm地溫變化情況為tDM>tJG>tLD；穩(wěn)定凍結(jié)期JG對土層具有降溫效應(yīng)，DM對土層的增溫效果很??；消融期DM和JG對耕作層地溫增溫效果較差，地溫變化情況為tDM>tLD>tJG。20 cm以下地溫受覆蓋措施的影響較小，地溫隨土壤深度的增加而升高，土壤自身的導(dǎo)熱特性和凍結(jié)期深層土壤的熱儲藏量對耕作層以下土壤溫度變化起主導(dǎo)作用。

[1] 付 強,侯仁杰,王子龍,等.積雪覆蓋下土壤熱狀況及其對氣象因素的響應(yīng)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2015,46(7):154-161.

[2] 邢述彥,鄭秀清,陳軍峰.秸稈覆蓋對凍融期土壤墑情影響試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(2):90-94.

[3] 陳軍鋒,鄭秀清,秦作棟,等.凍融期秸稈覆蓋量對土壤剖面水熱時空變化的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(20):102-110.

[4] 鄭秀清,陳軍鋒,邢述彥,等.季節(jié)性凍融期耕作層土壤溫度及土壤凍融特性的試驗研究[J].灌溉排水學(xué)報,2009,28(3):65-68.

[5] Sharratt B S, Benoit G R, Voorhees W B. Winter soil microclimate altered by corn residue management in the northern corn belt of the USA[J]. Soil and Tillage Research, 1998,49:243-248.

[6] Flerchinger G N, Pierson F B. Modeling plant canopy effects on variability of soil temperature and water; Model calibration and validation [J]. Arid Environ, 1997,35(4):641-653.

[7] Ji S, Unger P W. Soil water accumulation under different precipitation, potential evaporation, and straw mulch conditions[J]. Soil Science Society of American Journal, 2001,65(2):442-448.

[8] 夏自強,蔣洪庚,李瓊芳,等.地膜覆蓋對土壤溫度、水分的影響及節(jié)水效益[J].河海大學(xué)學(xué)報,1997,25(2):39-45.

[9] 付 強,馬梓奡,李天霄,等.北方高寒區(qū)不同覆蓋條件下土壤溫度差異性分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2014,45(12):152-159.

[10] 白巴特爾,鄭和祥,任 杰,等.寒旱灌區(qū)凍融期冬小麥不同覆蓋條件土壤溫度變化[J].水土保持研究,2015,22(6):134-137.