秋耕對季節(jié)性凍融土壤水熱鹽運移規(guī)律的影響

孫 開，王春霞，吳晨濤，王雅琴，賀天明

（1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子832000；2.石河子大學現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子832000）

0 引 言

北疆屬于典型的季節(jié)凍土區(qū)，受季節(jié)性凍融過程的影響嚴重，且該地區(qū)常年降水稀少而蒸發(fā)量大，導致土壤水分散失和鹽分表聚，嚴重地影響春季作物的播種甚至造成土壤次生鹽堿化。另外，北疆長期通過秋季翻耕將棉根殘茬旋出以便于春播覆膜，破壞了土壤結構[1]，增加了土壤水熱資源和養(yǎng)分流失的風險，導致土壤質量下降和生態(tài)環(huán)境惡化[2]。因此，如何通過合理的秋耕處理模式解決凍土中水分和鹽分的控制等問題，是一個值得深入探討的科學問題。

凍土區(qū)天然的積雪覆蓋條件，可以加強對土壤的保護作用[3,4]，且積雪融化產生的溶雪水是干旱區(qū)農田土壤水分的重要補給源[5]，同時還可以淋洗表層土壤鹽分。LI[6]、鄭洪兵[7]等研究發(fā)現(xiàn)，免耕會增加土壤硬度，有利于凍融土壤水熱資源的保持，但不利于溶雪水入滲。地表覆蓋可以在土壤和大氣之間形成一個隔離層，有利于維持土壤溫度的穩(wěn)定、阻礙土壤水分蒸發(fā)散失和抑制土壤返鹽[8-10]。侯賢清[11]，武淑娜[12]等發(fā)現(xiàn)，耕作覆蓋可以提高土壤的蓄水能力，有利于作物生長發(fā)育和提高產量。谷曉博[13]、HU[14]等發(fā)現(xiàn)，壟溝措施可以改善土壤水熱條件，有效地提高土壤水分利用效率和作物經濟產量。目前，土壤耕作主要作為農藝節(jié)水措施用于作物生育期，在凍融期間的研究則相對較少，而秋耕處理對調控凍融土壤水熱鹽同樣具有明顯的優(yōu)勢。另外，土壤中水熱鹽的運移是相互影響的[15,16]，探討不同秋耕處理下土壤水熱鹽運移的相互關系同樣也是調控土壤墑情的重要途徑，而目前關于此方面的報道相對較少。

因此，本研究基于北疆石河子灌區(qū)實際的農業(yè)生產情況，探討不同秋耕處理模式下凍融土壤水熱鹽的時空變化規(guī)律和相互影響關系，旨在為合理利用灌區(qū)積雪資源、保持土壤墑情和防止土壤鹽堿化提供理論支持和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年11月10日至2020年5月8日于石河子大學現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室基地(85°57'49″E，44°19'28″N)進行，該地區(qū)為典型的季節(jié)性凍土區(qū)，自11月上旬土壤開始凍結，至4月中上旬土壤完全解凍，歷史最大凍結深度為1.5 m。該地區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候，夏季短暫少雨而蒸發(fā)量大，冬季漫長且降雪豐富，多年平均降水量為207 mm，平均蒸發(fā)量為1 660 mm，無霜期為170 d，試驗期內自11月上旬開始降雪，3月上旬積雪開始融化，直至3月下旬積雪完全消融，最大雪厚達到30 cm。試驗區(qū)土壤質地為壤土，0～100 cm 土壤平均干容重為1.67 g/cm3，物理性黏粒含量（粒徑小于0.01 mm）大于20%，土壤飽和含水量為28.8%，田間持水量為21.6%，地下水埋深9 m以下。

1.2 試驗設計

試驗田共分為15 個2 m×2 m 的微區(qū)。為了取土方便，相鄰試驗小區(qū)間隔40 cm，為防止土壤水測滲，每個試驗小區(qū)四周挖深60 cm，并用PVC 塑膠板緊貼土壤內壁進行隔擋。該試驗設置翻耕（FG）、免耕（MG）、壟溝（LG）、翻耕+秸稈覆蓋（FJ）、翻耕+活性炭覆蓋（FH）5種處理，各重復3次。翻耕處理是將0～28 cm 土層鏟起、松碎并翻轉入坑；免耕處理是將土壤保持原狀；壟溝處理以北疆棉花的種植方式（膜下滴灌）為基礎，在棉行、寬行交替挖溝、起壟，溝深20 cm 寬40 cm，壟高20 cm 寬60 cm，壟上形成產流區(qū)，溝內形成匯流區(qū)，進而達到冬季蓄雪增溫，春季匯流保水的作用；秸稈覆蓋是將棉桿切成長度為3～5 cm 短桿，均勻且密實鋪設成15 cm 厚的覆蓋層，覆蓋量為2.5 kg/m2；稱取與秸稈覆蓋量相同的秸稈進行活性炭制備，活性炭是棉桿經過不充分燃燒后加水冷卻形成的大孔隙顆粒狀碳粒，收集后鋪設為5 cm 厚的覆蓋層。秸稈覆蓋和活性炭覆蓋均使用該試驗區(qū)所生產的棉桿。

1.3 測定項目與方法

試驗過程中的氣象資料通過試驗站小型氣象站臺和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）獲取，包含氣溫和降雪等。降雪前于試驗田選擇一平整地面埋設一量程為100 cm 的鋼尺測量積雪厚度，每隔10 d 記錄一次雪厚。凍結深度通過土鉆鉆孔觀察并測量含有冰晶土層深度的方法確定，自試驗開始每隔20 d 測定一次，凍結前期和融化期加密監(jiān)測，每隔10 d監(jiān)測一次。通過預先埋設的紐扣式溫度記錄儀來獲取不同深度土層（10、25、40、60 cm）每小時的土壤溫度。土壤含水率采用烘干法測定，土壤電導率按照1∶5 的土水比混合后過濾取懸濁液，用電導率儀測定其電導率EC值（見表1）。

表1 試驗期土壤水鹽監(jiān)測情況Tab.1 Monitoring of soil water and salt during the test period

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019 軟件進行數(shù)據(jù)整理，采用Origin 2018軟件進行作圖，采用SPSS 26.0軟件進行偏相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同秋耕處理對土壤溫度的影響

氣溫是土壤溫度變化的主要影響因素，當氣溫低于0 ℃時，土壤水分開始凍結[17]。根據(jù)日最高氣溫（Tmax）和日最低氣溫（Tmin）可以將5 種處理的土壤凍融過程劃分為3 個階段：初凍期（Tmax＞0 ℃，Tmin＜0 ℃）、穩(wěn)定凍結期（Tmax＜0 ℃，Tmin＜0 ℃）和融化期（Tmax＞0 ℃，Tmin＜0 ℃）。

不同秋耕處理對各凍融階段土壤熱狀況的影響差異明顯（見圖1）。凍結期，相比于FG 處理，其余處理均減小了最大凍結深度，減小程度FJ＞FH＞LG＞MG。這說明FJ、FH、LG和MG 處理具有調控地氣之間熱交換過程的作用，阻礙了外界冷氣入侵和土壤熱量散失的雙重過程，增強了土壤的保溫能力。

融化期，凍結層雙向消融，直至到達融通面而完全通融。相比于FG 處理，其余處理的融通面深度均減小，減小程度FJ＞FH＞LG＞MG，融通日期均滯后，滯后時間由大到小為FJ（11 d）、FH（9 d）、LG（5 d）、MG（2 d）。這說明免耕、地面覆蓋和壟溝處理阻礙了土壤吸收外界熱量，延緩了土壤的解凍過程。

整個凍融期，各處理不同土層土壤溫度隨時間均成先降后升的“U”形變化趨勢，且隨土層深度的增加到達最低溫度的時間越來越滯后，溫度變化幅度也越來越小。相比于FG 處理，MG、LG、FH、FJ處理10 cm 土層土壤溫度變化幅度分別減小了2.74，3.13，5.84，8.43 ℃，維持土壤溫度序列穩(wěn)定的能力FJ＞FH＞LG＞MG。另外，F(xiàn)J處理下25 cm 土層的溫度變化幅度相比FG 處理仍然存在較大程度的降幅（7 ℃），這說明翻耕秸稈覆蓋調控土壤溫度的能力最好。

2.2 不同秋耕處理對凍融期土壤水分運移的影響

凍融期不同秋耕處理下土壤含水率的時空變化差異明顯（見圖2）。凍結期，土壤水分在溫度勢的作用下由未凍層向似凍層運移，似凍層是土壤水分由液態(tài)相變?yōu)楣虘B(tài)的主要區(qū)域，進而形成土壤水分在似凍層蓄積的現(xiàn)象。初凍期，凍結深度較淺約為20 cm，0～20 cm土層是主要的含水率增加區(qū)域。FG、MG、LG、FH、FJ 處理下0～10 cm 土層含水率增幅分別為1.34%、2.72%、4.66%、3.70%、7.96%；10～20 cm 土層含水率增幅分別為0.92%、1.94%、2.56%、2.59%、4.63%。穩(wěn)定凍結期，各處理0～20 cm 土層土壤含水率均小幅度升高，這說明仍然存在一小部分的土壤水分可以在凍土層中運移；20～60 cm土層含水率均明顯升高；60～100 cm土層土壤含水率除個別時間小幅升降外，其余時間基本保持不變。由此可知，整個凍結期土壤水分是由下持續(xù)向上運移的，其中0～60 cm 土層是主要的含水率增加區(qū)域，60～100 cm 土層作為深層土壤水分向上傳輸?shù)耐ǖ阑咎幱趧討B(tài)平衡的狀態(tài)。整個凍結期，F(xiàn)G、MG、LG、FH、FJ 處理0～60 cm 土層平均含水率增幅分別為1.77%、2.45%、3.81%、4.79%、5.50%。

融化期土壤含水率變化主要受融雪水入滲和地表蒸發(fā)的影響。融雪水入滲補充土壤水分，其中0～30 cm 土層含水率變化明顯，F(xiàn)G、MG、LG、FH、FJ 處理0～30 cm 土層平均含水率增幅分別為22.69%、19.17%、30.57%、26.21%、21.26%，由此可知，壟溝和活性炭覆蓋可以促進融雪水入滲，而免耕和秸稈覆蓋一定程度上阻礙了融雪水入滲。整個融化期FG 處理0～100 cm 土層含水率增幅均為負值，說明融化期地表蒸發(fā)作用貫穿整個試驗土層。整個融化期FG、MG、LG、FH、FJ處理0～100 cm 土層平均含水率增幅分別為-8.25%、-6.10%、2.67%、2.29%、4.00%，壟溝、秸稈覆蓋和活性炭覆蓋減弱了地表蒸發(fā)作用的影響，降低了土壤水分的蒸發(fā)散失量。

整個凍融期間，0～60 cm 土層含水率變化明顯，60～100 cm 土層含水率處于較穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。凍融期前后，F(xiàn)G、MG、LG、FH、FJ 處理0～60 cm 土層平均含水率增幅分別為-10.08%、-7.15%、7.80%、8.03%、11.13%，F(xiàn)G、MG 處理保水效果差，而FJ、FH 和LG 處理均展現(xiàn)了良好的保水能力，保水能力FJ＞FH＞LG。這一方面是因為地面覆蓋和壟溝蓄積的較厚積雪均增強了凍結期土壤的保溫能力，延緩了土壤的凍結速度，使未凍層土壤水分有充分的時間向似凍層運移和蓄積；另一方面是因為，地面覆蓋阻礙了土壤水分向外蒸發(fā)散失，壟溝縮短了地面接收太陽直射的時間，減小了融化期土壤水分的蒸發(fā)散失量。

2.3 不同秋耕處理對凍融期土壤鹽分運移的影響

凍融期不同秋耕處理下土壤電導率的時空變化差異明顯（見圖3）。初凍期，各處理0～20 cm 土層土壤電導率與含水率變化相符，20～100 cm 土層除個別土層電導率升高外，其余土層均呈降低的趨勢。穩(wěn)定凍結期，在溫度梯度和土壤水分運移的雙重影響下，鹽分隨水分由下向上運移至似凍層，使各土層土壤鹽分發(fā)生不同程度的增減變化。整個凍結期0～60 cm土層是主要的電導率升高區(qū)域，其中0～20 cm 土層電導率增加幅度最為明顯，隨土層深度增加電導率的增加幅度降低，60～100 cm 土層作為深層土壤鹽分向上補給的運輸通道一直處于相對動態(tài)平衡的狀態(tài)，這與土壤含水率變化幅度基本保持一致，進一步證明了“鹽隨水走”，土壤水分是土壤鹽分運移的載體，鹽分隨水分由下向上運移的規(guī)律。FH 處理0～20 cm 土層電導率變化幅度要小于其他處理，這是因為活性炭的大孔隙和吸附性，可以吸附部分淺層土壤鹽分，一定程度的減弱了凍結期淺層土壤的積鹽程度。整個凍結期，F(xiàn)G、MG、LG、FH、FJ 處理0～60 cm 土層電導率平均增幅分別為4.36%、5.38%、8.65%、4.91%、11.86%，F(xiàn)J 和LG 對減少鹽分累積表現(xiàn)出了顯著的負效應。這是因為秸稈覆蓋和壟溝蓄積的較厚積雪使未凍層土壤水分有充分時間向似凍層運移的同時，也使鹽分有充足的時間在似凍結層累積。

融化期，融雪水入滲對5 種秋耕處理0～30 cm 土層的鹽分淋洗效果明顯，F(xiàn)G、MG、LG、FH、FJ 處理0～30 cm 土層電導率平均增幅分別為-14.44%、 -10.43%、 -21.16%、 -19.67%、-27.31%。隨著氣溫持續(xù)上升，地表蒸發(fā)作用漸強，土壤開始返鹽。整個融化期，各處理0～30 cm 土層電導率呈現(xiàn)較大幅度的升高，30～60 cm 土層電導率則呈現(xiàn)不同程度的升降變化，而60～100 cm 土層則處于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。這說明各土層土壤鹽分是相互補給的，但受地表蒸發(fā)作用影響總體呈現(xiàn)由下向上運移的規(guī)律。而LG、FH、FJ 處理0～60 cm 土層電導率平均增幅分別為-3.10%、-4.32%、-6.30%，抑制了融化期土壤返鹽。這是因為LG、FH、FJ 3 種處理一方面促進了融雪水入滲的洗鹽過程，另一方面又減弱了地表蒸發(fā)抑制了土壤返鹽上移，從而降低了鹽分在耕作層的累積。

整個凍融期，土壤含鹽量隨著土層深度增加呈降低趨勢，土壤含鹽量隨時間呈“積鹽—洗鹽—返鹽”的變化趨勢。FG、MG、LG、FH、FJ 處理0～60 cm 土層電導率平均增幅分別為12.80%、9.41%、5.26%、1.39%、3.28%，傳統(tǒng)的翻耕處理不利于耕作層的降鹽，翻耕活性炭覆蓋相比翻耕處理0～60 cm 土層電導率平均增幅降低了12.41%，對耕作層降鹽效果最好，其次是翻耕秸稈覆蓋、壟溝和免耕處理，分別降低了9.52%、7.54%和3.39%。

2.4 不同秋耕處理下凍融土壤水熱鹽相關性分析

由前文分析可知，各處理土壤水熱鹽運移是相互影響的，且在0～60 cm 土層的變化差異明顯。為了進一步分析不同秋耕處理下凍融期土壤水熱鹽的時空變化規(guī)律和相互關系，于各凍融階段選取不同的典型特征日，并對耕作層（0～60 cm）的土壤溫度（T）、含水率（θ）和電導率（E）的垂向變化進行偏相關性分析，結果見表2。

表2 不同秋耕處理下土壤溫度、含水率、電導率偏相關系數(shù)Tab.2 Partial correlation coefficients of soil temperature，water content and electrical conductivity under different autumn tillage treatments

各處理不同凍融階段土壤溫度、含水率和電導率之間的偏相關性存在較大差異。初凍期MG、FH 和FJ處理T和θ之間呈極顯著的負相關關系，LG處理T和θ之間呈顯著的負相關關系，而FG 處理無明顯的線性關系；各處理T與E之間的負相關關系明顯，而θ與E之間除MG 處理成顯著的正相關關系外其余處理均無明顯的線性關系。這說明初凍期不同秋耕處理主要對土壤含水率造成的影響差異性較大。穩(wěn)定凍結期各處理T與θ、T與E之間均呈顯著或極顯著的負相關關系，θ與E均呈顯著或極顯著的正相關關系，這說明穩(wěn)定凍結期各處理使凍融土壤水熱鹽運移的相互影響趨于一致。融化期MG、FG和LG 之間土壤水熱鹽之間無顯著的線性關系，而FH 和FJ 處理T與θ、T與E和θ與E之間均呈現(xiàn)顯著或極顯著的正相關關系，這說明地表覆蓋的存在可以明顯減弱外界對土壤溫度、含水率和電導率的影響。

3 結 論

（1）不同秋耕處理對土壤溫度的調控能力不同，隨土層深度的增加，各處理對土壤溫度的調控能力逐漸趨于一致。與FG 處理相比，其余處理均延緩了土壤的凍結、融化過程，對維持整個凍融期土壤溫度序列穩(wěn)定的能力為FJ＞FH＞LG＞MG。

（2）整個凍融期，耕作層0～60 cm 土層含水率變化幅度明顯，60～100 cm 土層含水率基本保持穩(wěn)定。LG、FH、FJ 處理有利于凍結期土壤水分上移，促進了融化期融雪水入滲并減弱了地表蒸發(fā)的影響，耕作層0～60 cm 土層的平均含水率變化幅度分別為7.80%、8.03%、11.13%，增強了土壤的蓄水能力。FG 和MG 處理受外界影響較大，0～60 cm 土層平均含水量增幅分別為-10.08%和-7.15%，保水效果差。

（3）土壤鹽分隨時間呈“積鹽-洗鹽-返鹽”的變化過程，隨土層深度增加電導率變化幅度逐漸趨于穩(wěn)定。整個凍融期間，MG、LG、FH、FJ 處理相比FG 處理0～60 cm 土層電導率平均增幅分別降低了12.41%、9.52%、7.54%、3.39%，有效抑制了耕作層土壤鹽分的累積。

（4）初凍期土壤溫度、含水率和電導率之間的偏相關性存在較大差異且無一致的規(guī)律；穩(wěn)定凍結期，各處理對凍融土壤水熱鹽運移的影響趨于一致，各處理土壤溫度與土壤含水率和電導率之間呈顯著或極顯著的負相關關系，土壤含水率和電導率呈顯著或極顯著的正相關關系；融化期，MG、FG、LG 處理的土壤溫度、含水率和電導率受外界影響較大，3 者之間均無明顯的線性關系，而FH 和FJ 處理明顯減弱了外界對土壤溫度、含水率和電導率的影響，3者之間均呈現(xiàn)顯著或極顯著的正相關關系。