季節(jié)性凍融期不同水氮量組合下土壤水分的時空變化特征

劉姍姍，鄭秀清，吳 博

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

0 引 言

近年來隨著水肥對農(nóng)業(yè)發(fā)展的貢獻與制約矛盾更加突出，我國華北到西北干旱區(qū)、直至東北寒溫帶均大面積推廣采用水肥一體化灌溉新技術(shù)[1,2]。山西省作為干旱、半干旱氣候區(qū)的典型代表，人均水資源占有量接近國際公認(rèn)的缺水警戒線。為緩減旱情的加重和水資源日益短缺，山西部分地區(qū)采用水肥一體化進行冬春灌溉，以滿足越冬作物及春耕的水、養(yǎng)分需求。

季節(jié)性凍土是一種含冰晶的特殊土水體系[3]，水分是這個系統(tǒng)中最活躍的因素，其運動的主控驅(qū)動力是水勢梯度，而土壤水中因溶質(zhì)的存在便產(chǎn)生土水勢的分勢—溶質(zhì)勢，當(dāng)溶質(zhì)的初始濃度和黏粒含量較高時，溶質(zhì)勢梯度對水流運動是完全有效的，且促使土壤的滲透性降低，影響土壤導(dǎo)水率。所以實施水肥一體灌溉后，肥料的源匯及其在凍結(jié)鋒面處的動態(tài)儲存均對土壤冰點和水分的遷移產(chǎn)生一定影響。同時灌溉水分顯著增加土壤儲水量，充分利用季節(jié)凍融作用對土壤剖面的再分布過程，使不同水肥量組合下的含水率展布存在獨特差異。目前，國內(nèi)外學(xué)者就凍融土壤中的水分及秋灌對其的影響做了詳盡研究[4-11]，但是凍融作用與水氮耦合下土水體系中水分運移的時空變化少有涉及。本文擬以位于太原內(nèi)陸盆地中部的山西省水文水資源勘測局太谷均衡站為依托，重點探索不同水氮量組合下非飽和凍融土壤介質(zhì)中含水率時空變化特征，為北方大型灌區(qū)節(jié)水節(jié)肥和優(yōu)化灌溉參數(shù)提供理論支持。

1 實驗條件及方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年 10月至 2014年 3 月在太原內(nèi)陸盆地中部的東陽試驗區(qū)分塊進行。試驗地塊初凍始于11中旬，12月10日后土壤快速凍結(jié)，1月下旬進入穩(wěn)定凍結(jié)，受太陽凈輻射和底層地?zé)峤换プ饔玫挠绊懀? 月下旬凍層雙向融化，3 月中旬達到融通。根據(jù)試驗區(qū)未處理裸地土壤自然凍融過程，將整個凍融期分為不穩(wěn)定凍結(jié)階段(11月17日-12月8日)、快速凍結(jié)階段(12月9日-1月19日)、擬穩(wěn)定凍結(jié)階段(1月20日-2月27日)和融化階段(2月28日-3月16日)，試驗期間土壤最大凍結(jié)深度為58 cm，凍融歷時125 d左右。土壤耕作層深度約30 cm，含有機質(zhì)在1%左右，pH=8左右，全氮0.1%，全磷0.089%。對土壤剖面各土層顆粒含量、有機質(zhì)、含水率等進行取樣測定，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗地塊土壤狀況

1.2 試驗方法及方案

試驗地塊冬灌時間均為10月20日，采用可溶解無機尿素做氮肥。灌溉后土壤水分在水氮耦合下經(jīng)歷一定時段的再分布過程。原位監(jiān)測層分別為10、20、30、40、50、60、80和110 cm。選取各凍融階段典型時間點進行取樣，取樣日期為11月10日、12月1日、12月22日、1月11日、1月17日、1月28日、2月16日、3月1日、3月15日，整個凍融期共采集9次，采集時間為上午8∶00-10∶00。各層土壤取出后，即刻用0.001 g精度的電子天平稱取土樣的濕重，在105 ℃的烘箱內(nèi)將土樣烘8～10 h至恒重，然后測定烘干土樣，計算得出土壤的重量含水率。本次試驗設(shè)置2個灌溉量、3個施肥水平形成2×3種實驗組合，與未處理裸地形成對照，具體處理方式見表2。試驗田塊均為冬閑裸地，規(guī)格3 m×3 m，每種水氮量組合設(shè)置2個重復(fù)。

表2 試驗設(shè)計

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

用Matlab、Excel和灰色系統(tǒng)理論分析比較各凍融階段含水率時空變化特征。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 不同凍融階段土壤含水率分布

圖1為不同水氮量組合下土壤凍融過程中各階段水分的剖面展布，由于凍結(jié)期土壤最大凍結(jié)深度延伸至58cm，本文運用各土層的平均含水率作為土壤墑情指標(biāo)重點研究凍結(jié)相變區(qū)(0～60 cm)及耕作層(0～30 cm)土壤持水情況。如圖1(a)所示，不穩(wěn)定凍結(jié)階段各處理地塊在40 cm處出現(xiàn)極小值，表層(0～40 cm)土壤含水率由于蒸發(fā)作用隨深度的增加呈遞增態(tài)勢，且冬灌使土壤初始含水率大幅度提升，N0W0含水率較灌水處理低,在蒸發(fā)層帶尤為明顯。40～110 cm內(nèi)土壤含水率高但未完全飽和，土壤含水率垂向波動但變化不大。如表3(左)所示，非凍結(jié)期0～30 cm土體平均含水率在灌水處理下明顯高于N0W0。N100、N300和N500在W750下0～60 cm平均含水率分別為：18.51%、18.98%和19.38 %，是N0W0的1.14～1.19倍，在W375下分別為18.38%、18.98%和18.93%，是N0W0的1.13～1.16倍，說明非凍結(jié)期0～60 cm土壤墑情隨著水、氮量的增加而愈加明顯。

圖1 不同凍融階段土壤剖面含水率展布

圖1(b)為快速凍結(jié)階段土壤水分剖面。凍結(jié)前期土壤水分持續(xù)損耗于漸弱的蒸發(fā)作用，各處理土表含水率均降至4%左右，0～20 cm含水率因水量向上補給垂向遞增。未凍水在凍結(jié)作用形成的附加基質(zhì)勢梯度下向已凍區(qū)遷移，土壤聚墑區(qū)為20～50 cm，N500W750和N300W375處理墑量峰值高于其他處理，分別比N0W0多0.82%和0.55%。40～80 cm含水率隨深度的增加而逐漸減小，說明土壤凍后聚墑效應(yīng)的影響深度延伸至80 cm處。如表3(右)所示，0～30 cm的土壤墑情在N300和N500下較N0W0高。N100、N300和N500在W750下0～60 cm平均含水率分別為：15.99%、16.83%和17.18 %，是N0W0的1.03～1.11倍，在W375下分別為15.43%、17.07%和16.64%，N0W0的1.00～1.10倍，說明灌水量一定時，快速凍結(jié)期0～60 cm土壤儲水作用隨著施氮量的增加而增加。

擬穩(wěn)定凍結(jié)階段融雪水迂回滲漏促使0～20 cm土壤水分再分布，由圖1(c)所示：各處理表土含水率不同程度增加，在6.24%～13.56%之間變化。由于凍層的減滲作用，20 cm以下土層并未受融雪水明顯影響。隨著凍結(jié)峰繼續(xù)向下發(fā)展，土壤聚墑區(qū)范圍擴大延伸至60 cm處，峰值聚墑量出現(xiàn)在50 cm左右，由大到小為：N300W750、N300W375、N500W750、N0W0、N500W375、N100W750、N100W375。80～110 cm含水率由于水分向凍結(jié)緣補給進一步減小。如表4(左)所示， N100、N300和N500在W750下聚墑區(qū)(30～60 cm )土層含水率均值為20.16%，比W375高0.18%，這是由于初始含水率高時凍結(jié)作用形成的基質(zhì)勢梯度增大，加之土壤剖面有充足可供遷移的充足“水源”，使得凍層內(nèi)土壤水分急劇增加。各處理0～60 cm土層墑量有所增加，N100、N300和N500在W750下0～60 cm平均含水率分別為：17.84%、17.88%和17.31%，是N0W0的1.08～1.11倍，在W375下分別為15.80%、17.07%和17.52%，N0W0的0.98-1.09倍，說明穩(wěn)定凍結(jié)期高灌處理0～60 cm土壤儲水聚墑效果更好。

融化階段土壤含水率的剖面變化趨勢與穩(wěn)定凍結(jié)期基本相同。由圖1(d)所示：土壤含水率在50 cm左右存在極小值，50 cm以上土壤蒸發(fā)作用漸強，各處理土層含水率值基本相同并隨深度呈線性增加態(tài)勢。60～80 cm含水率由于消融水下滲略有增加。如表4(右)所示，消融期土壤含水率分布受氣候條件客觀控制，各處理表、心層墑情并無明顯差異，其中在灌水后N300和N500處理0～60 cm土層略高于自然儲水量。

表3 不穩(wěn)定凍結(jié)和快速凍結(jié)階段不同水氮量組合下土壤剖面平均含水率 %

表4 擬穩(wěn)定凍結(jié)和融化階段不同水氮量組合下土壤剖面平均含水率 %

2.2 凍融期土壤的水分動態(tài)

圖2為土壤最大凍深范圍內(nèi)水分的動態(tài)變化。表土層(0～20 cm)含水率在整個凍融期波動較大，灌溉定額的影響主要表現(xiàn)在灌水后短時間內(nèi)，如圖2(a)所示，11月10日，灌水地塊0 cm處含水率在19.60～22.46之間變化，是N0W0的3.02～3.46倍。由于灌溉水分加強蒸發(fā)消耗，土壤表面形成干化硬殼，12月1日各處理土表含水率均降至最低值，在穩(wěn)定凍結(jié)前期保持不變。雪層融水下滲使地表含水率迅速增加，灌水處理地塊含水率峰值顯著高于N0W0，其中N500W750和 N500W375含水峰值最高，分別為23.39%和14.99%。同時各處理0 cm土壤含水率與N0W0絕對關(guān)聯(lián)度在0.526-0.548之間變化(見表5)，說明灌水多肥有利于融雪后0 cm含水率增加，且水氮量組合下地表含水率隨時間發(fā)展趨勢與自然裸地的相異程度較高。

圖2 凍融期不同水氮量組合下各土層土壤含水率動態(tài)

如圖2(b)、圖2(c)所示，由于土壤蒸發(fā)強度垂向遞減，封凍前后灌水地塊10～20 cm處含水率較N0W0高，灌溉效應(yīng)衰減行為隨深度增加而延遲。由于過冷水向凍層遷移并滯留于凍結(jié)緣附近，各處理在凍結(jié)期先后出現(xiàn)峰值含水率，由表6可知，N500W750和N300W375含水率峰值呈現(xiàn)時間比N0W0提前7 d，其中10 cm處的含水峰值顯著高于N0W0，其他處理下含水率峰值出現(xiàn)時間與N0W0相近。雪層融水下滲使10 cm處含水率增加，W375處理和N0W0增加幅度較W750大。消融后期，N500在W750和W375下平均含水率比N0W0分別高2.07%和1.14%，說明施肥量為500 kg/hm2時，10～20 cm處土壤增墑效果較佳。同時各處理10～20 cm含水率與N0W0絕對關(guān)聯(lián)度在0.593～0.719之間變化，說明水氮量組合對凍融期土層含水率時程動態(tài)有較大的影響。

如圖2(d)～(g)所示，各處理地塊30～60 cm水分狀況受氣候影響微弱，含水率在12月22日前基本保持恒定，W750、W375和N0W0平均含水率分別為20.31%、19.92%和19.26%，說明灌水處理下封凍前后30～60 cm土壤墑情較高。由表6可知，N100、N300和N500在W750下土壤凍結(jié)密實度最高層帶(30～40 cm)的平均峰值含水率分別為20.59%、20.83%和21.81%，是N0W0的1.07～1.13倍，在W375下分別為19.83%、22.14%和21.57%，是N0W0的1.03～1.15倍。同時與N0W0相比，N100、N300和N500在灌水處理下凍結(jié)聚墑峰值出現(xiàn)時間隨肥量的增加而縮短，這是由于灌水后凍結(jié)作用形成的附加基質(zhì)勢增大，使得正凍區(qū)未凍水遷移量急劇增加。土體消融后，各處理地塊土壤水分運移以蒸發(fā)上補為主，其中N500W750和N300W375處理30～40 cm平均含水率分別比N0W0多1.66%和1.95%，其他處理含水率值與N0W0相近，說明消融后期N500W750和N300W375處理30～40 cm土層對水分的吸持作用更強。由于高水氮處理使50～60 cm已凍區(qū)密實度降低，N500在W750和W375下凍結(jié)形成的附加基質(zhì)勢梯度相應(yīng)減小，N300在W750和W375下的含水率峰值最高，分別比N0W0高出3.06%和3.07%。N500W750凍結(jié)聚墑峰值提前12 d，其他處理凍結(jié)聚墑峰值出現(xiàn)的時間與N0W0相近。之后原位凍層解凍消融水下滲，各處理50～60 cm含水率不同程度增加，其中N300W750和N300W375增幅最為明顯，分別為2.00%和0.9%。同時各處理30～60 cm含水率與N0W0絕對關(guān)聯(lián)度在0.640～0.993之間變化，說明水氮量組合對凍融期心、底層土壤含水率時程動態(tài)影響較表層土壤低。

表5 各處理地塊與N0W0之間土壤含水率的絕對關(guān)聯(lián)度

表6 土壤凍結(jié)含水率峰值及其出現(xiàn)時間

3 結(jié) 語

(1)水氮量組合對凍融期土壤剖面水分狀況有明顯影響：不穩(wěn)定凍結(jié)階段，各處理地塊剖面含水率在40 cm處形成發(fā)散型零通量面，N0W0含水率較灌水地塊低；快速凍結(jié)階段水分運移主要受凍結(jié)作用形成的附加基質(zhì)勢驅(qū)動，土壤聚墑區(qū)為20～50 cm，N500W750和N300W375處理墑量峰值高于其他處理，且灌水量一定時，0～60 cm土壤儲水作用隨著氮量的增加而增加。

(2)擬穩(wěn)定凍結(jié)階段土壤聚墑區(qū)范圍延伸至60 cm處，峰值聚墑量下移至50 cm左右，由大到小為：N300W750、N300W375、N500W750、N0W0、N500W375、N100W750、N100W375。W750下0～60 cm土壤儲水聚墑效果更好；融化階段，各處理50 cm以上土層含水率值基本相同并隨深度呈線性增加態(tài)勢。灌水后N300和N500地塊0～60 cm土層高于自然儲水量。

(3)表土層(0～20 cm)含水率在整個凍融期波動較大，封凍前后地塊灌溉效應(yīng)衰減隨深度增加而延遲。N500W750和N300W375地塊10～20 cm含水率峰值呈現(xiàn)時間比N0W0提前7d，消融后期施肥量為500 kg/hm2時，土壤增墑效果較佳。

(4)灌水后土壤凍結(jié)密實度最高層帶(30～40 cm)的平均峰值含水率均高于N0W0，凍結(jié)聚墑峰值出現(xiàn)時間隨肥量的增加而縮短，消融期N500W750和N300W375處理對水分的吸持作用更強。N300W750和N300W375處理50～60 cm的含水率峰值較高，消融期增幅最為明顯，分別為2.00%和0.9%。各處理土壤含水率與N0W0絕對關(guān)聯(lián)度整體隨深度增加而減小，說明水氮量組合對凍融期0～60 cm含水率時程動態(tài)的影響隨深度增加而遞減。

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