凍融期蓄水坑灌灌水量對(duì)土壤溫度時(shí)空變化的影響

曹 鷺，郭向紅，孫西歡，2，馬娟娟，雷 濤，鄭利劍，王曉磊

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024； 2.晉中學(xué)院，山西晉中030600)

0 引 言

蓄水坑灌法是一種適用于北方地區(qū)的果林灌水技術(shù)[1]，該灌水是在果樹樹冠投影外圍布置若干個(gè)圓柱體蓄水坑，坑壁內(nèi)側(cè)做固壁處理，坑底布設(shè)不透水層防止灌溉水下滲。灌溉時(shí)將水注入坑內(nèi)，通過坑壁對(duì)果樹的中深根層進(jìn)行灌水[2]。近些年，許多學(xué)者圍繞著蓄水坑灌土壤水分分布[3]、入滲[4]和氮素遷移轉(zhuǎn)化特性[5- 6]開展了大量的研究，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[7]，揭示了蓄水坑灌的節(jié)水、保水、誘導(dǎo)根系深扎的機(jī)理。但蓄水坑灌不同于其他的灌水[8-10]，蓄水坑的存在增加了土體臨空面，土壤溫度不僅由地表沿垂向傳導(dǎo)，還從土壤坑壁沿水平方向傳導(dǎo)，在土壤溫度傳導(dǎo)方面，與其他灌水存在較大差異。為此，張亞瓊等[11-12]研究了不同覆蓋下蓄水坑坑內(nèi)土壤溫度的變化。李俊杰等[13]初步研究了冬季不同坑口結(jié)構(gòu)條件下的蓄水坑壁土壤溫度變化規(guī)律。

本文通過田間試驗(yàn)，對(duì)不同冬灌水量下(60、180 、300 L/株)冬季土壤剖面溫度的分布特征和凍融特性進(jìn)行研究，揭示蓄水坑灌的溫度傳導(dǎo)機(jī)理，確定合理的冬灌水量，以期為蓄水坑灌條件下果樹的安全越冬和推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在山西省農(nóng)科院果樹研究所進(jìn)行。該研究所位于太谷縣西南角，東經(jīng)112°32′，北緯37°23′，年平均氣溫保持在9.8 ℃，無霜期為175 d，平均降雨量約460 mm，屬典型的暖溫帶季風(fēng)影響下的大陸性半干旱氣候。蘋果樹品種為三段砧木矮化型紅富士長(zhǎng)富二號(hào)。土壤質(zhì)地為粉砂壤土，容重為1.47 g/cm3，田間持水率(質(zhì)量含水率)為24%。試驗(yàn)期間的(2016年11月20日～2017年3月15日)太陽總輻射量為152.52 kJ/cm2，其中12月份最低，為34.70 kJ/cm2，日輻射量最低值出現(xiàn)在12月3日，為0.46 kJ/cm2。在太陽輻射的影響下，大氣溫度呈現(xiàn)波動(dòng)式先降后升的趨勢(shì)，1月最冷，平均氣溫為0 ℃，1月30日的日均氣溫最低，為-5.3 ℃，2月19日的日均氣溫最高，為10.4 ℃。試驗(yàn)期間的日輻射量和日平均氣溫變化特征見圖1。

圖1 日輻射量和日平均氣溫變化特征

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2為蓄水坑灌田間工程和冬季土壤溫度測(cè)點(diǎn)布置。在距樹干直徑60 cm處均勻布設(shè)4個(gè)蓄水坑，坑深40 cm，坑口直徑30 cm，坑口覆蓋厚度為8 cm的泡沫板。選取了9棵長(zhǎng)勢(shì)接近、生長(zhǎng)良好、樹齡15年的蘋果樹進(jìn)行試驗(yàn)，行株距為2 m×4 m。試驗(yàn)以灌水量為控制因子，共設(shè)3個(gè)水平，分別是G60(灌水60 L/株)、G180(灌水180 L/株)和G300(灌水300 L/株)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。冬灌日期為2016年11月23日。

圖2 田間工程和土壤溫度測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

土壤溫度傳感器布置在兩坑中間的土壤剖面上?？v向上的測(cè)點(diǎn)位置為距離地表10、20、30、40、50、60、70 cm和80 cm處；橫向上的測(cè)點(diǎn)位置為坑內(nèi)、離坑壁5、15、25 cm和35 cm處。采用測(cè)量精度為0.1 ℃的HZR- 8T溫度傳感器，每隔0.5 h對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壤溫度進(jìn)行一次自動(dòng)采集。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Office Excel 2013和Origin Pro 9.1對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和繪圖。采用IBM SPSS Statistics 22對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析。采用1stOpt 15 Pro進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合建模。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤的凍融特性

圖3為不同灌水量條件下的土壤凍融過程線。從圖3可知，在2016年11月中旬～12月中旬期間，土壤凍深緩慢增加，保持在10 cm土層以上；12月中旬開始，凍結(jié)速度相繼加快，處于不穩(wěn)定凍結(jié)階段；到2017年1月中旬，土壤凍結(jié)深度趨于穩(wěn)定且達(dá)到最大值，進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)階段；2月中旬開始進(jìn)入消融解凍階段，表層與底層土壤開始雙向融化，且融化初期底層土壤融化速度快，達(dá)到10 cm土層后融化速率減緩。由此可見，在蓄水坑灌冬灌條件下土壤的凍融過程分為3個(gè)階段：不穩(wěn)定凍結(jié)階段、穩(wěn)定凍結(jié)階段和消融解凍階段，這與前人研究的大田試驗(yàn)結(jié)果相吻合[8-9]。試驗(yàn)期間，土壤的凍融過程與太陽輻射和大氣溫度的變化保持一致，隨著太陽輻射減弱，大氣溫度降低土壤開始進(jìn)入凍結(jié)階段；當(dāng)1月份大氣溫度降到最低時(shí)，土壤的凍結(jié)深度也基本達(dá)到穩(wěn)定；2月中旬氣溫開始回升，土壤進(jìn)入消融解凍階段。綜上，太陽輻射和大氣溫度直接導(dǎo)致土壤溫度的變化，對(duì)土壤的凍深產(chǎn)生影響。

圖3 不同灌水量下土壤凍融過程

在不穩(wěn)定凍結(jié)階段，灌水量越多，開始凍結(jié)的時(shí)間越晚，G60、G180、G300開始凍結(jié)的時(shí)間分別是11月24日、11月29日和12月5日，且達(dá)到穩(wěn)定凍結(jié)的時(shí)間也相應(yīng)的滯后，分別是1月17日、1月20日和1月21日。隨著灌水量的增加，穩(wěn)定凍結(jié)深度減小，穩(wěn)定凍結(jié)的時(shí)間縮短，G60、G180、G300凍深分別是43、40 cm和35 cm，穩(wěn)定凍結(jié)時(shí)間為26 d、24 d和19 d。開始進(jìn)入融化的時(shí)間都是2月14日左右，且在3月3日土壤完全解凍。這主要是由于水的比熱容大，液態(tài)水向固態(tài)水轉(zhuǎn)化的過程中釋放熱量，推遲了土壤凍結(jié)的時(shí)間，降低了土壤凍結(jié)深度，縮短了穩(wěn)定凍結(jié)時(shí)間。

2.2 土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

圖4為不同灌水量條件下土壤溫度在不同深度土層的時(shí)間變化。從圖4可以看出，不同灌水量條件下，土壤溫度的變化趨勢(shì)基本保持一致，都是隨著時(shí)間的推移先降低后升高；溫度的變化幅度隨著土層深度的增加而趨于平緩。這是因?yàn)樵谡麄€(gè)冬季，大氣溫度從11月底到1月中旬不斷降低，2月中旬開始大氣溫度緩慢升高，而土壤溫度的變化主要是依靠土壤與大氣之間的溫度梯度，大氣溫度降低，土壤溫度降低，大氣溫度升高，土壤溫度升高，土壤溫度的總體變化趨勢(shì)與大氣溫度保持一致。在土壤中，地表的土層最靠近大氣，與大氣形成的溫度梯度也就最大，所以受大氣溫度的影響最明顯，其溫度的變化幅度也就最大，而深層土壤與大氣溫度的熱量交換相對(duì)較弱，溫度的變幅就小。

圖4 土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化

統(tǒng)計(jì)不同深度的土壤溫度，并對(duì)其進(jìn)行顯著性分析(見表1)。從表1可知，在同一土層深度，隨著灌水量的增加，極差逐漸減小，均值不斷增加，標(biāo)準(zhǔn)偏差也不斷減小。結(jié)合圖4可以看出，10 cm和20 cm處土壤在凍結(jié)階段，土壤溫度G300>G180>G60；進(jìn)入消融解凍階段后，G60土壤溫度開始高于其他，且溫度波動(dòng)程度G60>G180>G300。G60和G180差異性不顯著，但都與G300顯著差異。40 cm處土壤在凍結(jié)階段土壤溫度G300>G180>G60；進(jìn)入消融解凍階段后，G60土壤溫度波動(dòng)大且略高于其他，土層溫度波動(dòng)程度G60>G180>G300。3種灌水處理對(duì)溫度的影響差異顯著。60 cm處3種灌水處理土壤溫度基本一致，差異不顯著，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)期間，未凍水不斷向凍結(jié)鋒面遷移并凍結(jié)，相變過程中產(chǎn)生的熱量升高了土溫，緩沖了土壤溫度的變化幅度。蓄水坑灌是一種中深層灌水，水分分布呈鴨梨狀[3]，淺層土壤水分分布差異較小，其對(duì)溫度所產(chǎn)生的影響也較小。因此，蓄水坑灌冬灌對(duì)40 cm附近土壤溫度的影響最大。

2.3 土壤溫度的空間分布特征

圖5為不同處理下不同時(shí)間土壤剖面溫度空間分布。從圖5可以看出，不同處理在同一時(shí)間溫度分布規(guī)律基本一致。在垂向上，隨著深度的增加土壤溫度不斷升高；在徑向上，隨著與蓄水坑距離的增加土壤溫度先升高后降低小幅度波動(dòng)。12月23日(不穩(wěn)定凍結(jié)階段)溫度分布的溫差最大，為7.6 ℃；

表1 不同深度土壤溫度

注：表中不同小寫字母表示同一深度不同處理間差異顯著，相同小寫字母表示同一深度不同處理間差異不顯著(顯著性結(jié)果P<0.05)。

圖5 土壤剖面溫度空間分布

到了3月8日(消融解凍階段)溫度分布的溫差最小，為3.75 ℃。蓄水坑的存在增加了土壤與空氣的接觸面積，所以靠近坑壁的土壤溫度略低；隨著與蓄水坑距離的增加，受蓄水坑的影響減小，溫度出現(xiàn)短暫的回升。

表2 土壤剖面溫度空間分布擬合參數(shù)

對(duì)比同一時(shí)期不同處理下土壤剖面溫度的空間分布特征可以看出，12月23日(不穩(wěn)定凍結(jié)階段)和1月27日(穩(wěn)定凍結(jié)階段)靠近蓄水坑坑壁位置低溫范圍隨著灌水量的增加不斷縮小；同一點(diǎn)處溫度隨著灌水量的增加而升高。3月8日(消融解凍階段)40 cm以下土層溫度基本一致，溫差在1 ℃以內(nèi)，但高溫范圍隨著灌水量的增加不斷縮?。煌稽c(diǎn)處溫度隨著灌水量的增加而降低。

對(duì)3種處理方式不同時(shí)期的土壤剖面溫度空間分布進(jìn)行擬合，擬合公式為：T=A×z×sin(B×r+C)+D，其中，T為土壤溫度；z為土層深度；r為與蓄水坑中心的距離；A、B、C、D為擬合參數(shù)。擬合結(jié)果見表2。

從表2可以看出，在不穩(wěn)定凍結(jié)階段和穩(wěn)定凍結(jié)階段的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)R2均在0.76以上；消融解凍階段的相關(guān)性相對(duì)較弱，0.62

3 結(jié) 語

本文通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)凍融期蓄水坑灌條件下土壤剖面溫度的分布特征，得出以下結(jié)論：

(1)隨著灌水量的增加，穩(wěn)定凍結(jié)深度減小，穩(wěn)定凍結(jié)的時(shí)間縮短。G60、G180、G300凍深分別是43、40 cm和35 cm，穩(wěn)定凍結(jié)時(shí)間為26 d、24 d和19 d。

(2)土壤溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)先降后升，溫度變幅隨著土層深度的增加趨于平緩。10～40 cm土層凍結(jié)階段土壤溫度G300>G180>G60；消融解凍階段，G60土壤溫度略高于其他；G300與其他處理差異顯著。60 cm土層3個(gè)處理方式溫度基本一致，差異不顯著。試驗(yàn)期間平均氣溫G300>G180>G60，溫度的變化幅度G60>G180>G300。

(3)不同時(shí)期的土壤溫度剖面空間分布特征為：垂向上均隨著土深增加溫度升高；徑向上受蓄水坑的影響，溫度隨著與坑壁距離的增加呈現(xiàn)先升又降的趨勢(shì)。凍結(jié)階段坑壁位置低溫范圍隨著灌水量的增加不斷縮??；同一點(diǎn)處溫度G300>G180>G60。消融解凍階段40 cm以下土層溫度基本一致，高溫范圍隨著灌水量的增加不斷縮??；同一點(diǎn)處溫度G60>G180>G300。

綜上，灌水量為300 L/株時(shí)，土壤凍深最淺，平均溫度最高，溫度變幅最小，也最有利于果樹越冬，是本研究的最佳冬灌水量。

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