膜下滴灌棉田凍融期土壤水分鹽分變化特征

由國棟，虎膽·吐馬爾白，邵麗盼·卡爾江,3，吳永濤，李卓然

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.山東省濱州市小開河引黃灌溉管理局， 山東 濱州 256600; 3.新疆水利廳農(nóng)牧區(qū)水利規(guī)劃總站, 新疆 烏魯木齊 830000)

膜下滴灌棉田凍融期土壤水分鹽分變化特征

由國棟1,2，虎膽·吐馬爾白1，邵麗盼·卡爾江1,3，吳永濤1，李卓然1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.山東省濱州市小開河引黃灌溉管理局， 山東 濱州 256600; 3.新疆水利廳農(nóng)牧區(qū)水利規(guī)劃總站, 新疆 烏魯木齊 830000)

通過分析2014年11月—2015年3月北疆地區(qū)膜下滴灌棉田凍融期土壤鹽分、水分與溫度變化，探討了不同土層水熱鹽在凍融期的變化和耦合關(guān)系。結(jié)果表明：凍融期土壤表層和深層含水量較高，中間層含水量較低；土壤剖面鹽分在0～80 cm呈現(xiàn)層狀分布，淺層土壤發(fā)生鹽分明顯累積，土壤鹽分變異系數(shù)20 cm土層為0.525、40 cm土層為0.257、80 cm土層為1.041。在凍融期，土壤水分鹽分沿剖面分布發(fā)生明顯變化；土水勢梯度、土壤溫度梯度是凍融期土壤水分鹽分遷移的主要因素，土壤水熱鹽之間變化具有高度的耦合性。

滴灌棉田；凍融期；水分；鹽分；變化特征

我國季節(jié)性凍土面積5.137×106km2[1],約占全國國土面積的53.5%，且大多分布于干旱、半干旱水資源短缺地區(qū)[2-3]。季節(jié)性凍融誘發(fā)春季土壤積鹽，危害農(nóng)作物幼苗生長，嚴重影響作物產(chǎn)量，威脅干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。研究凍融期土壤水鹽運移規(guī)律及變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。凍融過程中水熱鹽的運移變化是非常復雜的，已有研究表明，我國北方冬季和春季土壤的凍融是土壤鹽漬化的重要原因[4]。張殿發(fā)等[5-6]發(fā)現(xiàn)凍融作用是土壤鹽堿化獨特的形成機制，凍融條件下土壤中鹽分遷移是水分對流、濃度梯度、溫度梯度、不同溶質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)及質(zhì)地等因素作用下的綜合結(jié)果，溫度是導致土壤中水分與鹽分遷移的驅(qū)動力。王璐璐、陳曉飛等[7-8]研究了不同植物養(yǎng)分對不同土壤凍融過程的影響，采用NMR法對加入5種不同溶質(zhì)的4種土壤的凍融特征曲線進行了測定與分析，Oliphant[9]在室內(nèi)測定了不同質(zhì)地凍土在溫度梯度作用下的水分遷移，發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)鋒面處遷移量十分顯著。靳志峰等[10]通過研究得出凍融期氣溫對凍土的消融速度遠遠快于凍結(jié)速度。李瑞平[2，11]利用SHAW模型分析了季節(jié)性凍融期的土壤凍結(jié)融化過程、凍融期間水熱遷移規(guī)律和不同初始含水率對凍融期的水熱狀況的影響，得到了與水熱遷移相關(guān)的物理量的動態(tài)變化規(guī)律。薛明霞[12]分析了不同地表條件下季節(jié)性凍融土壤的凍融特征。王子龍等[13]運用地統(tǒng)計學的理論與方法研究了季節(jié)性凍土區(qū)不同時期土壤剖面水分空間變異特征。本文以北疆地區(qū)膜下滴灌棉田為研究區(qū)域，通過冬季大田實驗，分析凍融期土壤水熱鹽的變化特征及相互關(guān)系，為北疆地區(qū)春季土壤墑情診斷和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗條件

試驗地在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團石河子市農(nóng)八師121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，冬季寒冷，溫差大，常年干旱缺水，年降水量為141.8 mm，年蒸發(fā)量1 660 mm，年均日照數(shù)約2 862 h，具有典型的大陸性荒漠氣候特點[14]。

試驗區(qū)種植作物為棉花，灌溉制度相同，地下水埋深3 m左右。試驗區(qū)土壤從11月23日開始進入凍結(jié)期至次年3月19日土壤消融。在凍融過程中，土壤剖面結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，形成凍結(jié)層、似凍結(jié)層和非凍結(jié)層。

1.2 試驗方法

試驗采用GPS定位，土鉆取樣，在試驗區(qū)布置土壤溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用全自動地溫記錄裝置，地溫采集器和取樣深度設(shè)置為沿剖面深度依次為0，10，20，40，60，80，100 cm。取樣時間：2014年11月25日、12月23日，2015年3月9日、3月19日。土樣在室內(nèi)用烘箱在105℃條件下烘24 h，測量土壤含水率。將取回的土樣碾碎，過1 mm的篩后配制土水比1∶5的溶液置于三角瓶中浸泡30 min，為促進水溶性鹽完全溶解，用全溫震蕩儀震蕩5 min后靜置6 h，用抽濾儀提取上層清液用DDJS-308A型電導儀測定土壤電導率。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融過程中土壤溫度變化

從圖1可知，表層土壤溫度變化幅度大，在6∶00之前土壤溫度大于0℃，土壤處于微融狀態(tài)，在6∶00之后，土壤表層的熱量被逐漸消耗，土壤溫度低于0℃，土壤處于微凍狀態(tài)；12∶00后土壤溫度又開始高于0℃，這是由于太陽輻射造成土壤溫度的上升，最高達到3.6℃；表層土壤經(jīng)歷消融-凍結(jié)-再消融。在0～60 cm土層中，40 cm土層溫度最低。

圖1 凍融過程中土壤溫度變化(3月20日)

Fig.1 The variation of soil temperatures

2.2 土壤水分、鹽分與溫度的耦合運移特征

凍結(jié)前(圖2a)，土壤剖面含水量呈現(xiàn)出隨土壤深度的增加逐漸增加的趨勢，60 cm以下土層土壤含水率較高；土壤鹽分在0～60 cm土層含鹽率變化較平緩，含鹽率0.11%左右，土壤含鹽率變化與土壤含水率變化趨勢趨于一致，這是由于膜下滴灌棉田生育期灌水使土壤鹽分向深層遷移，這個階段土壤雖未出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，但在土層中存在溫度梯度，土壤水鹽開始隨著土壤溫度變化發(fā)生遷移。

初凍期(圖2b)，溫度梯度是導致土壤水分鹽分運移的重要因素。隨著氣溫的降低，表層土壤溫度降到0℃以下，土壤開始凍結(jié)，凍結(jié)層水分結(jié)成冰，土水勢降低，土壤吸力增大；相鄰未凍層土水勢相對增大，產(chǎn)生土水勢梯度差，導致水分運動，土壤鹽分隨水分運動而向凍結(jié)層遷移。凍結(jié)層(0～20 cm)土壤水分、鹽分明顯高于相鄰土層，土壤鹽分與土壤水分變化趨勢一致，隨著土壤表層溫度降低土壤鹽分由未凍結(jié)層向凍結(jié)層遷移，說明溫度梯度是土壤中水分鹽分運移的驅(qū)動因素。

凍結(jié)期，外界環(huán)境溫度較低，土層溫度隨著氣溫變化而變化，在土水勢作用下，未凍層水分向凍結(jié)層流動，鹽分隨之遷移，導致鹽分在土壤凍結(jié)層鋒面產(chǎn)生累積，在凍結(jié)層20 cm處土壤鹽分由未凍結(jié)前的0.17%增至穩(wěn)定凍結(jié)后的0.22%，在凍結(jié)層鋒面80 cm處土壤鹽分的含量由凍結(jié)前0.19%增至凍結(jié)穩(wěn)定后0.23%，在相鄰凍結(jié)鋒面的100 cm處土壤鹽分由凍結(jié)前1.57%降為凍結(jié)穩(wěn)定后0.83%，由此可見，在土壤凍結(jié)過程中，土壤鹽分含量隨著各土層凍結(jié)而增加；由圖2c、2d可以看出土壤水分鹽分在穩(wěn)定凍結(jié)期變化趨勢一致。鹽隨水移是土壤鹽分運移變化主要形式，土壤中鹽分運動變化趨勢同土壤中水分運動的總趨勢具有高度的協(xié)同性。

融解期(圖2e)，氣溫升高，土壤在表層和底部兩個方向發(fā)生融解。隨著氣溫的變化，表層土壤水分一部分被蒸發(fā)，一部分向下遷移到融化鋒面，土壤處于反復凍融變化中。凍結(jié)期隨水份遷移而累積在土壤凍結(jié)層中的鹽分，由于水分的蒸發(fā)而累積在表層，在0～20 cm土層土壤含鹽率由凍結(jié)前0.1%增加到0.28%,土壤產(chǎn)生春季返鹽現(xiàn)象；在20～40 cm土層土壤鹽分呈現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸降低的趨勢，40～80 cm土層土壤鹽分隨深度增加而逐漸增加的波動趨勢。在消融期，由于氣溫度升高快、蒸發(fā)強烈，在土壤表層產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象，中層土壤中鹽分部分隨著水分蒸發(fā)向上運移到土壤表層，部分隨著水分下滲向下層土壤遷移，造成中層土壤鹽分降低，深層土壤鹽分增加。

圖2 土壤水分、鹽分與溫度的關(guān)系

Fig.2 Relationships between soil moisture, salinity and temperature

2.3 土壤水分鹽分的統(tǒng)計特征

土壤作為時間和空間上的連續(xù)體，其自然屬性的變異是許多因素相互作用的結(jié)果，具有尺度上的相關(guān)性[15]。變異系數(shù)是描述變量特征的重要參數(shù)，CV<0.1為弱變異性，0.1CV1為中等變異性，CV>1為強變異性，變異程度反映了不同土層土壤水分和鹽分變異程度差異。為了便于分析各層土壤水分、鹽分隨時間的動態(tài)變化，利用統(tǒng)計分析方法計算土壤水分、鹽分的均值、標準差、變異系數(shù)(標準差率)等統(tǒng)計特征值表征土壤水分鹽分在凍融階段的運移及變異特征，見表1、表2。

(1) 凍融期，在凍結(jié)和消融作用下，各層土壤水分變異系數(shù)均大于0.1，土壤水分屬于中等變異強度，水分變異系數(shù)沿剖面深度的增加呈現(xiàn)出先大后小的變化趨勢，在0～80 cm土層中，變異系數(shù)由大到小的變化趨勢依次是80、0、60、40、20 cm。凍結(jié)過程中，土壤水分由非凍結(jié)帶向凍結(jié)帶遷移，水分大量集中在凍結(jié)層峰面上，凍融期的土壤凍融的交替循環(huán)，水分蒸發(fā)和入滲使得土壤水分呈現(xiàn)出層狀分布。

(2) 土壤鹽分的變化趨勢，在0～60 cm土層土壤鹽分變異系數(shù)呈現(xiàn)出沿剖面深度的增加呈層狀分布，淺層(0～20 cm)土壤鹽分變異系數(shù)較大，40～60 cm土層變異系數(shù)相對較小。氣溫對土壤溫度的影響呈遞減的趨勢，在凍結(jié)過程中，土壤經(jīng)歷初期的凍融循環(huán)，凍結(jié)層自上向下發(fā)展，表層土壤處于凍融交替的狀態(tài)，鹽分隨著水分運動不斷向凍結(jié)層遷移。在融解期，隨著氣溫和土壤溫度的升高，土壤處于解凍狀態(tài)，該時段外界氣溫升高快、氣候干燥、蒸發(fā)強烈，淺層土壤鹽分產(chǎn)生累積。80 cm土層土壤鹽分屬于強變異程度，凍結(jié)過程中，該層土壤位于凍結(jié)帶最下層，土壤中鹽分在溫度梯度和土水勢的作用下由未凍結(jié)層向凍結(jié)層遷移，通過表1和表2發(fā)現(xiàn)土壤鹽分變異程度在相同條件下高于水分的變異程度。

(3) 土壤水分鹽分溫度的相關(guān)性分析見表3。通過凍融過程中土壤水分、鹽分和溫度在不同土層相關(guān)性分析可知，在凍融期0～80 cm土層土壤水分與鹽分呈正相關(guān)，土壤溫度與土壤水分在0～20 cm呈顯著負相關(guān);土壤溫度與土壤鹽分在0～60 cm呈負相關(guān)。

表1 土壤鹽分含量統(tǒng)計特征分析

表2 土壤水分含量統(tǒng)計特征分析

表3 土壤水分、鹽分和溫度pearson相關(guān)分析

注：*表示在0.05水平下相關(guān)顯著。 Note: * were significantly correlated at 0.05 level.

2.4 凍融期土壤水分鹽分的動態(tài)變化規(guī)律

凍融期土壤含鹽量隨著土壤溫度梯度、土水勢梯度的作用而遷移，采用凍前最低含水率θ1、凍前最低含鹽率S1、凍后穩(wěn)定含水率θ2、凍后穩(wěn)定含鹽率S2、消融時最高含水率θ3、消融時最高含鹽率S3表征各土層土壤含水量、含鹽量的動態(tài)變化規(guī)律，如圖3所示。不同特征含水量在垂向分布規(guī)律總體趨勢相同，土壤含水率隨著土層深度增加呈“S”型變化。在40 cm土層處土壤含水率θ3>θ2>θ1，凍結(jié)期，在溫度梯度的作用下，未凍層的水分不斷向凍層運移；在凍脹的影響下土壤空隙體積增加，水分向空隙中運動使凍層含水量增加；消融期，隨著氣溫的回升凍層中的冰體開始消融，凍層的消融是在凍層的上下同時進行的，隨著地表的蒸發(fā)作用，上部消融層的土壤水分一部分向上運移消耗于蒸發(fā)，一部分向下下滲補給，處于中間的未解凍土層起到阻隔作用，上部消融的土壤水由于受到該層的阻隔與潛水無法連通，形成上層滯水，在40～60 cm土層的土壤水分含量最高[16-17]。不同時期土壤鹽分的變化不同，凍結(jié)前土壤鹽分沿剖面深度增加而逐漸增加，凍融后土壤剖面含鹽量表現(xiàn)為“積鹽-脫鹽-再積鹽”變化規(guī)律，土壤鹽分在凍融過程中的遷移是造成這種現(xiàn)象的主要原因。

圖3 凍融期土壤水分鹽分的動態(tài)變化

Fig.3 Dynamic variation of soil water and salt during freeze-thaw

3 討 論

研究結(jié)果表明，在季節(jié)性凍融區(qū)，凍結(jié)過程中土壤水分在溫度梯度和土水勢梯度的共同作用下不斷向凍結(jié)帶遷移，土壤未凍結(jié)層中的水分向凍結(jié)層遷移，鹽分隨之運移并在凍結(jié)層中累積，80 cm土層正處于凍結(jié)帶鋒面處，土壤水分和鹽分的變異系數(shù)都比較高，土壤開始凍結(jié)引起凍結(jié)帶水勢降低，水分向凍層遷移，凍結(jié)層以下土壤中的鹽分隨著水分同步向上遷移，凍層土壤含鹽量增加。冬季凍結(jié)過程中，鹽分隨著水分向凍層聚集，凍層以下土層鹽分向凍層積累，消融期隨著氣溫不斷上升，凍結(jié)層不斷消融，消融是在凍結(jié)層上下同時進行的，在地表的蒸發(fā)作用下，上部消融層的土壤水分一部分向上運移消耗于蒸發(fā)，一部分向下下滲補給。下滲部分水分由于受未解凍層的阻隔而形成滯水，在溫度梯度作用下又向表層遷移并蒸發(fā)，鹽分隨著土壤水分蒸發(fā)而在土壤表層積聚，表土含鹽量增加，主要集中在0～20 cm土層。凍融過程中土壤水分運動在很大程度上決定著土壤鹽分遷移的方向和數(shù)量。凍融過程中土壤水分的運移趨勢是自下而上運移，易引起土壤返鹽，這與靳志峰[10]研究結(jié)果相同。

4 結(jié) 論

1) 季節(jié)性凍融對土壤水分和鹽分有著顯著影響，土壤水分鹽分呈正相關(guān)，各層土壤水鹽變異程度不同，耕作層土壤鹽分呈中等變異，表層鹽分變異高。通過比較凍融期土壤水分和鹽分的變異系數(shù)可知，各層土壤鹽分的變異系數(shù)遠大于水分的變異系數(shù)，說明在凍融期北疆膜下滴灌棉田土壤鹽分運移機制要比水分復雜，今后，應(yīng)當加強對鹽分運移規(guī)律研究，探求土壤鹽分的影響因素。

2) 在溫度梯度和土水勢梯度的共同作用下，土壤水分和鹽分不斷向表層遷移，凍結(jié)期發(fā)生土壤積鹽過程。凍融期土壤中積鹽較多，春季土壤表層返鹽現(xiàn)象嚴重。凍融期土壤剖面鹽分呈現(xiàn)出“積鹽-脫鹽-再積鹽”變化規(guī)律。

3) 凍融期，土壤溫度梯度是土壤水分鹽分遷移的驅(qū)動力，凍結(jié)期土層自上向下凍結(jié)過程中，土壤水分向凍結(jié)層緩慢遷移，消融期，凍結(jié)層自上向下消融時已融化的土壤水分向上運移和蒸發(fā)，氣溫升高快，蒸發(fā)強烈，造成表層土壤鹽分累積。土壤中鹽分運動變化趨勢同土壤中水分運動的總趨勢及土壤溫度的變化具有協(xié)同性。

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Soil moisture and salinity changes in cotton field of drip irrigation during freeze-thaw period

YOU Guo-dong1,2, HUDan·Tumarerba1, XoLpan·KarJan1,3, WU Yong-tao1, LI Zhuo-ran1

(1.CollegeofWaterConservanceandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China;2.XiaokaiheBureauofYellowRiverDiversionIrrigationManagement,Binzhou,Shandong256600,China; 3.PlanningandDesigningBureauofXinjiangWaterConservancyStation,Urumqi,Xinjiang830000,China)

The changes of soil salinity, moisture and temperature of film drip irrigation cotton field in north area from November 2014 to March 2015 were analyzed. Changes of soil water, heat and salt and their coupling relationship during freezing and thawing period were measured. The results revealed that during freezing and thawing period, the water content in the surface and deep soil was higher while middle layer had low water content. Degree of salinity increased with the soil depth, and was significantly enriched in surface soil. During freezing and thawing period, the distribution of water and salinity of soil profile was significantly changed. Soil water potential gradient and soil temperature gradient were the principal factors influencing soil water and salt migration, and soil water, heat and salt changed coordinately.

drip irrigation; freezing and thawing period; moisture; salinity; variation

1000-7601(2017)04-0124-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.19

2016-05-20

國家自然科學基金(51469033)

由國棟(1971—)，男，博士研究生，研究方向為節(jié)水灌溉與土壤水鹽運移理論。 E-mail：dgyou7156@126.com。

虎膽·吐馬爾白(1961—)，男，教授，博士生導師，主要從事土壤水鹽運移理論及節(jié)水灌溉技術(shù)研究。E-mail：hudant@hotmail.com。

S152.7; S562.07; S151.9+3

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