不同土地利用方式下凍融期黑土水熱過(guò)程觀測(cè)研究

，，

(中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

凍融過(guò)程是凍土環(huán)境過(guò)程的主要組成部分，對(duì)寒區(qū)生態(tài)過(guò)程和地球化學(xué)過(guò)程起調(diào)控作用。土壤凍融過(guò)程非常復(fù)雜，涉及一系列的物理、化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程[1-2]，主要包括熱量的傳輸、水分的相變和鹽分的積聚[3-4]。溫度是土壤中水分與鹽分遷移的驅(qū)動(dòng)力[5]，凍融循環(huán)作用下土壤中出現(xiàn)溫度梯度，致使土壤水分發(fā)生相變和遷移[6]。土壤水分的變化促使土壤熱流傳導(dǎo)與溫度重新分布，對(duì)土壤溶質(zhì)的擴(kuò)散造成影響[7]。凍結(jié)期，土壤溫度決定凍土厚度，大部分鹽分隨著土壤水分的凍結(jié)而積聚于凍結(jié)層中[8]。解凍期，土壤溫度影響土壤水分的再分配，融雪水下滲增加了土壤含水量[9]，土壤水和溫度達(dá)到一定條件時(shí)促進(jìn)水溶性鹽的釋放，土壤電導(dǎo)率增加[7,10]。

涉及藏北高原、青藏高原、黃河源區(qū)及松嫩平原等季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)的眾多研究表明，土壤的凍融過(guò)程和水熱分布存在較大的時(shí)空差異[11-13]，不同區(qū)域和下墊面條件(植被、枯落物等)下土壤凍結(jié)與解凍發(fā)生的時(shí)間與持續(xù)時(shí)間有明顯差異[14-15]，同時(shí)對(duì)土壤溫度、水分和鹽分的分布產(chǎn)生影響[8,16-18]。研究指出當(dāng)植被蓋度較低時(shí)，土壤凍結(jié)和解凍時(shí)間提前，凍結(jié)過(guò)程持續(xù)時(shí)間減少，土壤溫度和水分變幅增加[19]。有植被覆蓋的草地凍土深度明顯低于裸地[20-21]?？萋湮锔采w在土壤凍結(jié)期起保溫作用，而在解凍期則起到隔熱降溫作用[22]。由此可見(jiàn)，不同下墊面的凍融特征存在很大差異。

東北黑土區(qū)是我國(guó)主要的商品糧基地，而季節(jié)性?xún)鋈谑菛|北黑土區(qū)最顯著的物理特征之一。由于不合理的利用，東北黑土土壤質(zhì)量惡化嚴(yán)重。為了恢復(fù)高生產(chǎn)力的黑土資源，植被重建和耕地撂荒等措施導(dǎo)致了不同土地利用方式的出現(xiàn)。作為特殊的下墊面條件，土地利用方式對(duì)土壤物理性質(zhì)影響極大[23]，揭示凍融過(guò)程中的水熱鹽相互作用機(jī)理顯得尤為重要。然而，現(xiàn)有的黑土凍融研究對(duì)象大多針對(duì)自然坡面與覆蓋(積雪、秸稈和枯落物)坡面[3,13,20]，關(guān)于土地利用方式對(duì)凍融作用過(guò)程的影響鮮見(jiàn)報(bào)道；且研究?jī)?nèi)容主要集中在水熱動(dòng)態(tài)過(guò)程及交互效應(yīng)研究[24-25]，較少涉及土壤電導(dǎo)率。因此，本研究以東北典型黑土為對(duì)象，研究傳統(tǒng)耕作、草地和裸地3種不同土地利用方式下的土壤凍融過(guò)程，分析不同凍融階段土壤水、熱和電導(dǎo)率的變化規(guī)律，以期為東北黑土區(qū)農(nóng)田管理提供理論依據(jù)，對(duì)優(yōu)化土地利用方式具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于中國(guó)科學(xué)院海倫水土保持監(jiān)測(cè)研究站(47°21′16.95″N，126°49′56.43″E)，海拔210 m。屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，多年平均降雨量為530 mm，多年平均氣溫1.5 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為2 600～2 800 h，年均總輻射為113 MJ·cm-2，全年有效積溫(≥10 ℃)為2 450 ℃。地形為黑土區(qū)典型的漫川漫崗，土壤類(lèi)型為典型黑土，分層明顯，黑土層厚度(A層)約為30 cm，0～20 cm土層砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為31.6%、30.8%和37.6%，土層有機(jī)質(zhì)含量為42.1 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，始于2016年，試驗(yàn)設(shè)3種土地利用方式：傳統(tǒng)耕作、草地和裸地。小區(qū)坡度均為5°，面積20 m×4.5 m。觀測(cè)時(shí)段為2016年10月29日-2017年4年16日，共169 d。傳統(tǒng)耕作實(shí)行玉米-大豆兩年輪作，2016年指示作物為大豆。

1.3 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)的觀測(cè)系統(tǒng)由氣象單元、土壤水、熱、電導(dǎo)率單元、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集單元、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)發(fā)射單元、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收單元、數(shù)據(jù)自動(dòng)加工整理單元和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)上發(fā)布單元等8個(gè)單元組成。氣象數(shù)據(jù)采用中國(guó)科學(xué)院海倫黑土水土保持監(jiān)測(cè)研究站的日觀測(cè)數(shù)據(jù)。土壤水、熱、電導(dǎo)率觀測(cè)裝置為HydraProbe II SDI-12系統(tǒng)(Stevens，美國(guó))，可以實(shí)現(xiàn)同步自動(dòng)測(cè)量土壤溫度(-30 ℃～55 ℃，精度0.1 ℃)、土壤液態(tài)含水量(絕對(duì)干燥至飽和，精度1%)和土壤電導(dǎo)率(0.01～1.5 m·s-1，精度0.005 m·s-1)，測(cè)量間隔為1 min。測(cè)點(diǎn)的布設(shè)深度為10 cm。采用CSI CR1000數(shù)據(jù)采集器(Campbell Scientific Inc.，美國(guó))自動(dòng)采集并存儲(chǔ)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間隔1 min實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。采用美國(guó)CellNet無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，GPRS遠(yuǎn)程傳輸，傳輸最小時(shí)間間隔3 min。依托工作站，實(shí)時(shí)接收，并依托后臺(tái)軟件，自動(dòng)加工整理為結(jié)果數(shù)據(jù)，并生成動(dòng)態(tài)圖，直觀顯示。依托國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)-東北黑土科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://northeast.geodata.cn)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖和結(jié)果數(shù)據(jù)集實(shí)時(shí)發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)共享。

為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，在正式觀測(cè)之前對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的檢驗(yàn)[26]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

一般根據(jù)土壤日最高溫度和日最低溫度是否高于0℃決定土壤是否存在凍融日循環(huán)(即白天土壤表層解凍，夜間凍結(jié))[27]。據(jù)此，本研究將土壤的整個(gè)凍融過(guò)程劃分為始凍期(Tmax>0 ℃，Tmin<0 ℃)、完全凍結(jié)期(Tmax<0 ℃，Tmin<0 ℃)和解凍期(Tmax>0 ℃，Tmin<0 ℃)3個(gè)階段。

為了消除隨機(jī)天氣過(guò)程(如云等)的影響，對(duì)土壤溫度、土壤含水量和土壤電導(dǎo)率作了如下處理：選取不同日期同一時(shí)刻的算術(shù)平均值作為該時(shí)刻的日平均值[6]。

使用SPSS 21.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏相關(guān)性分析，利用SigmaPlot 12.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 觀測(cè)期氣溫和日降水量變化

觀測(cè)期內(nèi)，氣溫變化過(guò)程呈“V”型，見(jiàn)圖1。日平均氣溫最低值出現(xiàn)在2017年1月11日，為-26.1 ℃。之后，氣溫在3月16日-3月23日期間逐漸回升到0 ℃以上。觀測(cè)期間各月平均氣溫分別為-13.3 ℃(11月)、-18.3 ℃(12月)、-19.7 ℃(1月)、-14.0 ℃(2月)、-3.7 ℃(3月)和6.4 ℃(4月)。

在觀測(cè)期內(nèi)，降水較少，為29.1 mm，見(jiàn)圖1。在11月11日-11月14日，出現(xiàn)連續(xù)4 d最大降水量，為11.9 mm。觀測(cè)期間各月平均降水量分別為15.1 mm(11月)、2.5 mm(12月)、3.6 mm(1月)、3.4 mm(2月)、0.4 mm(3月)和4.1 mm(4月)。

圖1 觀測(cè)期內(nèi)氣溫和日降水量變化曲線(xiàn)Fig.1 Daily mean temperature and precipitation in the observation period

2.2 不同土地利用方式下的土壤凍融過(guò)程

觀測(cè)期內(nèi)，相同土地利用方式下凍融過(guò)程各階段的特征差異明顯，見(jiàn)表1。凍融過(guò)程各階段歷時(shí)表現(xiàn)為完全凍結(jié)期>解凍期>始凍期。凍融循環(huán)次數(shù)表現(xiàn)為解凍期>始凍期。發(fā)生日凍融循環(huán)的天數(shù)表現(xiàn)為解凍期>始凍期。同一階段不同土地利用方式的凍融特征也存在明顯差異。在始凍期，與裸地相比，草地和傳統(tǒng)耕作發(fā)生凍融循環(huán)次數(shù)均減少2次。3種土地利用方式歷時(shí)和發(fā)生日凍融循環(huán)天數(shù)均為1 d。在完全凍結(jié)期，與裸地相比，草地土壤凍結(jié)歷時(shí)與裸地相同，而傳統(tǒng)耕作凍結(jié)歷時(shí)延長(zhǎng)4 d。在解凍期，與裸地相比，草地土壤和傳統(tǒng)耕作土壤分別提前2 d和7 d進(jìn)入解凍期，發(fā)生凍融循環(huán)次數(shù)分別減少4次和17次，發(fā)生日凍融循環(huán)天數(shù)分別減少3 d和9 d。

表1不同土地利用方式下凍融過(guò)程各階段特征
Table 1 Characteristics of different soil freezing-thawing period under different types of land use

土地利用方式Land use types階段Period日期Date歷時(shí)Duration(d)凍融循環(huán)次數(shù)Freezing-thawing cycles日凍融循環(huán)天數(shù)Days with freezing-thawing cycle(d)傳統(tǒng)耕作Conventional tillage始凍期 Freezing period20161030-20161030111完全凍結(jié)期 Frozen period20161031-20170323143解凍期 Thawing period20170324-20170413202515草地Grassland始凍期 Freezing period20161029-20161029111完全凍結(jié)期 Frozen period20161030-20170318139解凍期 Thawing period20170319-20170413253821裸地Bare land始凍期 Freezing period20161030-20161030131完全凍結(jié)期 Frozen period20161031-20170319139解凍期 Thawing period20170320-20170416274224

2.3 不同土地利用方式下的土壤溫度變化

2.3.1 土壤溫度變化特征。土壤溫度的變化是土壤隨著太陽(yáng)輻射和大氣溫度的變化而吸收或釋放能量的過(guò)程。不同土地利用方式下土壤溫度在凍融過(guò)程中變化規(guī)律相似，整體呈緩慢降低-緩慢回升的趨勢(shì)，見(jiàn)圖2。相同土地利用方式下，土壤溫度在凍融各階段差異明顯，表現(xiàn)為解凍期>始凍期>完全凍結(jié)期。同一凍融階段，不同土地利用方式下土壤溫度存在差異，表現(xiàn)為裸地>草地>傳統(tǒng)耕作。

圖2 不同土地利用方式下土壤溫度變化過(guò)程Fig.2 Changes of soil temperature under different types of land use

在日尺度，不同土地利用方式之間土壤溫度差異明顯，見(jiàn)圖3。在始凍期，裸地土壤溫度日變化呈正弦曲線(xiàn)，而草地和傳統(tǒng)耕作土壤溫度日變化呈降低-小幅升高-保持穩(wěn)定-急速下降的趨勢(shì)。在完全凍結(jié)期，土壤溫度日變化均呈波動(dòng)變化。在解凍期，土壤溫度日變化均呈正弦曲線(xiàn)變化，但裸地土壤日最高溫明顯高于草地和傳統(tǒng)耕作。

2.3.2 土壤溫度的統(tǒng)計(jì)分析。在觀測(cè)期，相同土地利用方式下凍融過(guò)程各階段土壤溫度統(tǒng)計(jì)特征存在明顯差異。完全凍結(jié)期和解凍期土壤溫度變幅明顯大于始凍期，始凍期和解凍期土壤溫度的變異程度明顯大于完全凍結(jié)期。同一凍融階段不同土地利用方式下土壤溫度統(tǒng)計(jì)特征差異明顯，見(jiàn)表2。在始凍期，與裸地相比，草地和傳統(tǒng)耕作土壤溫度變幅分別增大0.3 ℃和0.1 ℃，草地與裸地土壤溫度均屬于強(qiáng)變異[9]，而傳統(tǒng)耕作土壤溫度屬于中等變異。在完全凍結(jié)期，與裸地相比，草地和傳統(tǒng)耕作土壤溫度變幅分別增大1.5 ℃和2.3 ℃，3種土地利用方式下土壤溫度均屬于中等變異。在解凍期，與裸地相比，草地和傳統(tǒng)耕作土壤溫度變幅分別縮小8.1 ℃和12.2 ℃，3種土地利用方式下土壤溫度均屬于強(qiáng)變異。

圖3 不同土地利用方式下土壤溫度的日變化曲線(xiàn)Fig.3 Daily variations of soil temperature under different types of land use

表2 不同土地利用方式下不同階段土壤溫度統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistics of soil temperature in different periods under different types of land use

2.4 不同土地利用方式下土壤液態(tài)含水量的變化

2.4.1 土壤液態(tài)含水量變化特征。土壤液態(tài)含水量的變化主要受到氣溫和土壤溫度的影響。不同土地利用方式下土壤液態(tài)含水量在凍融過(guò)程中變化規(guī)律相似，整體呈降低-持續(xù)穩(wěn)定-升高的趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。土壤液態(tài)含水量在凍融各階段差異明顯，始凍期和解凍期土壤液態(tài)含水量明顯高于完全凍結(jié)期。同一凍融階段，不同土地利用方式下土壤液態(tài)含水量差異明顯。在始凍期，表現(xiàn)為裸地>傳統(tǒng)耕作>草地。在完全凍結(jié)期，表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作>裸地>草地。在解凍期，表現(xiàn)為草地>傳統(tǒng)耕作>裸地。

在日尺度，不同土地利用方式之間土壤液態(tài)含水量日變化曲線(xiàn)差異明顯，見(jiàn)圖5。在始凍期和完全凍結(jié)期，3種土地利用方式土壤液態(tài)含水量在一天內(nèi)均呈微弱的波動(dòng)變化。在解凍期，裸地土壤液態(tài)含水量日變化呈降低-迅速增加-保持穩(wěn)定-下降的變化，而草地和傳統(tǒng)耕作土壤液態(tài)含水量在一天內(nèi)呈微弱的波動(dòng)變化。

圖4 不同土地利用方式下土壤液態(tài)含水量隨時(shí)間變化過(guò)程Fig.4 Changes of soil water content under different types of land use

圖5 不同土地利用方式下土壤液態(tài)含水量的日變化曲線(xiàn)Fig.5 Daily variations of soil water content under different types of land use

2.4.2 土壤液態(tài)含水量的統(tǒng)計(jì)分析。在觀測(cè)期，相同土地利用方式下凍融過(guò)程各階段土壤液態(tài)含水量統(tǒng)計(jì)特征存在明顯差異。完全凍結(jié)期和解凍期土壤液態(tài)含水量變幅明顯大于始凍期，完全凍結(jié)期土壤液態(tài)含水量變異程度明顯大于始凍期和解凍期，見(jiàn)表3。同一凍融階段不同土地利用方式下土壤液態(tài)含水量統(tǒng)計(jì)特征差異明顯。在始凍期，與裸地相比，草地和傳統(tǒng)耕作土壤液態(tài)含水量變幅分別增大0.016 m3·m-3和0.042 m3·m-3，3種土地利用方式下土壤液態(tài)含水量均屬于弱變異。在完全凍結(jié)期，與裸地相比，草地土壤液態(tài)含水量變幅縮小0.087 m3·m-3，而傳統(tǒng)耕作土壤液態(tài)含水量變幅增大0.033 m3·m-3。3種土地利用方式下土壤液態(tài)含水量均屬于中等變異。在解凍期，與裸地相比，草地和傳統(tǒng)耕作土壤液態(tài)含水量變幅分別縮小0.403 m3·m-3和0.449 m3·m-3。裸地土壤液態(tài)含水量屬于中等變異，而草地和傳統(tǒng)耕作土壤液態(tài)含水量均屬于弱變異。

2.5 不同土地利用方式下土壤電導(dǎo)率的變化

2.5.1 土壤電導(dǎo)率變化特征。土壤電導(dǎo)率反應(yīng)土壤中可溶性鹽的含量，主要受土壤液態(tài)含水量的影響。不同土地利用方式下土壤電導(dǎo)率在凍融過(guò)程中變化規(guī)律相似，整體呈降低-持續(xù)穩(wěn)定-升高的趨勢(shì)，見(jiàn)圖6。土壤電導(dǎo)率在凍融各階段差異明顯，表現(xiàn)為始凍期>解凍期>完全凍結(jié)期。同一凍融階段，不同土地利用方式下土壤電導(dǎo)率差異明顯。在始凍期和完全凍結(jié)期，表現(xiàn)為裸地>傳統(tǒng)耕作>草地。在解凍期，表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作>草地>裸地。

表3 不同土地利用方式下不同階段土壤液態(tài)含水量統(tǒng)計(jì)特征Table 3 Statistics of soil water content in different periods under different types of land use

圖6 不同土地利用方式下土壤電導(dǎo)率隨時(shí)間變化過(guò)程Fig.6 Changes of soil electrical conductivity under different types of land use

在日尺度，不同土地利用方式之間土壤電導(dǎo)率差異明顯，見(jiàn)圖7。在始凍期和完全凍結(jié)期，3種土地利用方式土壤電導(dǎo)率日變化曲線(xiàn)比較平直。在解凍期，裸地土壤電導(dǎo)率呈降低-迅速增加-保持穩(wěn)定-下降的變化趨勢(shì)，而草地和傳統(tǒng)耕作土壤電導(dǎo)率變化相對(duì)平緩。

2.5.2 土壤電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)分析。在觀測(cè)期，相同土地利用方式下凍融過(guò)程各階段土壤電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)特征存在明顯差異。完全凍結(jié)期和解凍期土壤電導(dǎo)率變幅明顯大于始凍期，完全凍結(jié)期土壤電導(dǎo)率變異程度明顯大于始凍期和解凍期，見(jiàn)表4。同一凍融階段不同土地利用方式下土壤電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)特征差異明顯。在始凍期，與裸地相比，草地土壤電導(dǎo)率變幅縮小0.001 s·cm-1，而傳統(tǒng)耕作土壤電導(dǎo)率變幅則增大0.008 s·cm-1。3種土地利用方式下土壤電導(dǎo)率均屬于弱變異。在完全凍結(jié)期，與裸地相比，草地和傳統(tǒng)耕作土壤電導(dǎo)率變幅分別縮小0.039 s·cm-1和0.017 s·cm-1。3種土地利用方式下土壤電導(dǎo)率均屬于中等變異。在解凍期，與裸地相比，草地和傳統(tǒng)耕作土壤電導(dǎo)率變幅分別縮小0.046 s·cm-1和0.053 s·cm-1。裸地土壤電導(dǎo)率屬于中等變異，而草地和傳統(tǒng)耕作土壤電導(dǎo)率均屬于弱變異。

圖7 不同土地利用方式下土壤電導(dǎo)率的日變化曲線(xiàn)Fig.7 Daily variations of soil electrical conductivity under different types of land use

表4 不同土地利用方式下不同階段土壤電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Statistics of soil electrical conductivity in different periods under different types of land use

2.6 偏相關(guān)分析

凍融各階段土壤溫度(Ts)、土壤水分(θv)、土壤電導(dǎo)率(Ec)之間的偏相關(guān)性存在差異，見(jiàn)表5，但不同土地利用方式各階段無(wú)一致規(guī)律。同一凍融階段，不同土地利用方式下θv與Ts、Ts與Ec、θv與Ec之間的偏相關(guān)性差異明顯。對(duì)于θv與Ts，始凍期，草地和傳統(tǒng)耕作的θv與Ts呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為草地>傳統(tǒng)耕作；完全凍結(jié)期，3種土地利用方式的θv與Ts均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為草地>傳統(tǒng)耕作>裸地；解凍期，裸地和傳統(tǒng)耕作的θv與Ts呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作>裸地，而草地的θv與Ts呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于Ts與Ec，始凍期，傳統(tǒng)耕作的Ts與Ec呈顯著正相關(guān)關(guān)系；完全凍結(jié)期，3種土地利用方式的Ts與Ec呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作<裸地<草地；解凍期，草地和傳統(tǒng)耕作的Ts與Ec呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為草地>傳統(tǒng)耕作，而裸地的Ts與Ec呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于θv與Ec，始凍期，草地和傳統(tǒng)耕作的θv與Ec呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作>草地，而裸地的θv與Ec呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；完全凍結(jié)期，3種土地利用方式的θv與Ec呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作>裸地>草地；解凍期，3種土地利用方式的θv與Ec呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為裸地>草地>傳統(tǒng)耕作。

表5 不同土地利用方式下土壤溫度、土壤水分、土壤電導(dǎo)率偏相關(guān)系數(shù)Table 5 Partial correlation coefficients among soil temperature,soil moisture and soil electrical conductivity under different types of land use

注：*與**分別表示在0.05與0.01水平上差異顯著。
Note：* and ** mean significant differences at 0.05 and 0.01 levels.

3 討論

凍融土壤的水熱條件是描述凍融過(guò)程土壤活動(dòng)層的重要指標(biāo)[4-6]。相同土地利用方式下凍融過(guò)程各階段的特征存在明顯差異。解凍期發(fā)生凍融循環(huán)的次數(shù)和日凍融循環(huán)天數(shù)多于始凍期，與劉帥等[27]的研究結(jié)論有明顯區(qū)別，說(shuō)明典型黑土解凍的速度要小于凍結(jié)的速度[24]，可能受土壤單向凍結(jié)和雙向解凍影響[13]。同一階段不同土地利用方式的凍融特征也存在明顯差異。3種土地利用方式始凍期歷時(shí)均為1 d，這是氣溫驟降造成的，之后氣溫下降更為明顯[14]。草地經(jīng)自然植被恢復(fù)后，擁有較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)溫度的能力[22]，傳統(tǒng)耕作特殊的壟體結(jié)構(gòu)能夠起到增加表土溫度的作用[24]，這兩種下墊面明顯縮短了解凍所需時(shí)間[28]。在始凍期/解凍期，裸地發(fā)生凍融循環(huán)次數(shù)/發(fā)生日凍融循環(huán)天數(shù)明顯多于草地和傳統(tǒng)耕作，說(shuō)明裸地受太陽(yáng)輻射影響最明顯[20]。

土壤溫度在不同凍融階段的差異性取決于土壤本身熱量收支差額[9]。始凍期和完全凍結(jié)期初始階段，土壤溫度下降迅速，說(shuō)明受氣溫下降影響，土壤吸收的熱量小于散失的熱量；隨后土壤溫度維持低溫狀態(tài)，說(shuō)明土壤熱量處于收支平衡狀態(tài)。解凍期，土壤溫度明顯升高，說(shuō)明受氣溫回升影響，土壤吸收的熱量大于支出的熱量。這與范繼輝等人在藏北高寒草地的研究結(jié)論相似[26]。觀測(cè)期內(nèi)，同一凍融階段不同土地利用方式下土壤溫度存在明顯差異。裸地?zé)o植被覆蓋，土壤熱量受太陽(yáng)輻射的直接影響最大。而凋落物的存在減弱草地土壤對(duì)太陽(yáng)輻射的直接吸收，傳統(tǒng)耕作壟臺(tái)吸收和反射的太陽(yáng)輻射明顯高于壟溝[24]。因此，裸地土壤溫度明顯高于草地和傳統(tǒng)耕作，該作用在始凍期和解凍期表現(xiàn)尤為明顯。不同土地利用方式下土壤溫度的日變化曲線(xiàn)差異明顯。裸地土壤溫度在始凍期和解凍期均呈正弦變化，峰值出現(xiàn)的時(shí)間發(fā)生在一天中太陽(yáng)福射最強(qiáng)后的兩小時(shí)[4]。解凍期，受土地利用方式的影響，裸地土壤受太陽(yáng)輻射的影響明顯高于草地和傳統(tǒng)耕作。

土壤含水量在不同凍融階段表現(xiàn)的差異性取決于土壤水的相變。始凍期和解凍期土壤含水量明顯高于完全凍結(jié)期，這與付強(qiáng)等的結(jié)論相似[13]。在始凍期，土壤固態(tài)水的增加導(dǎo)致液態(tài)含水量降低。在完全凍結(jié)期，盡管有降水發(fā)生，但此時(shí)段為固態(tài)降水，所以對(duì)土壤含水量的影響較小。解凍期，土壤固態(tài)水轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，加之融雪水的入滲，表層土壤含水量迅速增加。在整個(gè)凍融期，土壤水的相變跟土壤溫度息息相關(guān)，土壤含水量與土壤溫度顯著的偏相關(guān)性亦能證明。同一凍融階段不同土地利用方式下土壤含水量差異明顯。在始凍期，土壤含水量表現(xiàn)為裸地>傳統(tǒng)耕作>草地。草地植被覆蓋度和地下根系的密度明顯高于傳統(tǒng)耕作，因此，草地在前期植被(生長(zhǎng)和蒸散發(fā))消耗的水分多于傳統(tǒng)耕作。而裸地土壤水分的消耗僅來(lái)自地表蒸發(fā)。在解凍期，土壤含水量表現(xiàn)為草地>傳統(tǒng)耕作>裸地。土壤的持水能力在一定程度取決于土壤的容重和孔隙[23]。江恒等研究指出[29]，與沒(méi)有植被覆蓋的草地相比，草地土壤密集的根系能夠改善土壤的通透性[30]，土壤的容重和總孔隙度狀況良好。傳統(tǒng)耕作土壤受人為干擾最大，大豆根茬留在土壤中參與了土壤物質(zhì)循環(huán)[31]，因此其容重和孔隙度狀況介于草地和裸地之間。此外，土壤含水量的日變化在始凍期和完全凍結(jié)期并不明顯，這與趙顯波等[24]在黑土區(qū)的研究結(jié)果相似，主要是因?yàn)楹谕了肿兓幕钴S層主要發(fā)生在0～5 cm。在解凍期，裸地土壤含水量變化最明顯，這一現(xiàn)象是土壤凍融作用、融雪入滲、表面蒸發(fā)和水熱運(yùn)動(dòng)等因素共同作用的結(jié)果[25]。

土壤電導(dǎo)率的變化規(guī)律與土壤含水量具有一致性，偏相關(guān)分析也顯示土壤電導(dǎo)率與土壤含水量呈極顯著的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，這與魏歡歡等[7]的研究結(jié)論相似。在始凍期，土壤固態(tài)水增加，水溶性鹽減少，土壤電導(dǎo)率降低。在完全凍結(jié)期，大部分鹽分隨著土壤水分的凍結(jié)而積聚于凍結(jié)層中[8]。同時(shí)，積雪的覆蓋降低了外界不確定因素的影響，該階段土壤電導(dǎo)率和土壤含水量的相關(guān)性最強(qiáng)。解凍期，隨著融雪水下滲，土壤含水量增加[9]，促進(jìn)水溶性鹽的釋放，土壤電導(dǎo)率增加[7,10]，土壤電導(dǎo)率和土壤含水量的相關(guān)性明顯降低。本研究中，同一凍融階段不同土地利用方式下土壤電導(dǎo)率存在明顯差異。在始凍期，土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為裸地>傳統(tǒng)耕作>草地，這跟同期土壤液態(tài)水含量的變化規(guī)律一致。在解凍期，傳統(tǒng)耕作>草地>裸地。這主要是由于草地的持水蓄水能力明顯高于裸地，土壤電導(dǎo)率也高于裸地。傳統(tǒng)耕作土壤可能受頻繁耕作的影響，在溫度、水分和鹽分濃度梯度等的綜合作用下[10,32-33]，土壤釋放較多的可溶性鹽，電導(dǎo)率增加。

研究表明，凍融引起的土壤水熱變化改變了土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移和土壤微生物的活性，促進(jìn)土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，引發(fā)土壤墑情的變化，影響農(nóng)田作物的生存環(huán)境[8,11-13]。凍融期不同土地利用方式下水熱過(guò)程的監(jiān)測(cè)是判斷春季土壤墑情、防治春澇和合理安排種植的前提[18-20,31-33]，對(duì)于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)農(nóng)業(yè)水土資源的合理規(guī)劃與管理以及保障糧食安全具有重要的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

(1)土壤溫度在凍融過(guò)程中呈緩慢降低之后緩慢回升的趨勢(shì)。土壤溫度表現(xiàn)為解凍期>始凍期>完全凍結(jié)期。在同一凍融階段，土壤溫度表現(xiàn)為裸地>草地>傳統(tǒng)耕作。始凍期和解凍期土壤溫度的變異程度明顯高于完全凍結(jié)期。秋季始凍期和解凍期，裸地土壤溫度的變異程度明顯高于草地和傳統(tǒng)耕作。在完全凍結(jié)期，3種土地利用方式下的土壤溫度變異程度差異不明顯。

(2)土壤液態(tài)含水量在凍融過(guò)程中呈降低-持續(xù)穩(wěn)定-升高的變化趨勢(shì)。始凍期和解凍期的土壤液態(tài)含水量明顯高于完全凍結(jié)期。在始凍期，裸地>傳統(tǒng)耕作>草地。在完全凍結(jié)期，3種土地利用方式土壤液態(tài)含水量差異較小。在解凍期，草地>傳統(tǒng)耕作>裸地。完全凍結(jié)期土壤液態(tài)含水量變異性明顯高于始凍期和解凍期。始凍期和完全凍結(jié)期，3種土地利用方式下的土壤液態(tài)含水量變異程度差異不明顯。在解凍期，裸地土壤液態(tài)含水量變異程度明顯高于草地和傳統(tǒng)耕作。

(3)土壤電導(dǎo)率在凍融過(guò)程中呈降低、持續(xù)穩(wěn)定、升高的變化趨勢(shì)。土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為始凍期>解凍期>完全凍結(jié)期。在始凍期，裸地>傳統(tǒng)耕作>草地。在完全凍結(jié)期，裸地>傳統(tǒng)耕作>草地。在解凍期，傳統(tǒng)耕作>草地>裸地。完全凍結(jié)期土壤電導(dǎo)率變異程度明顯高于始凍期和解凍期。始凍期和完全凍結(jié)期，3種土地利用方式下的土壤電導(dǎo)率變異程度差異不明顯。在解凍期，裸地土壤電導(dǎo)率變異程度明顯高于草地和傳統(tǒng)耕作。

致謝

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