凍融期不同秸稈覆蓋厚度下土壤水分差異性分析

吳春東，劉天祥

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

季節(jié)性凍土約占國土面積的一半以上，是我國耕地資源的主要組成部分，且多數(shù)分布在干旱、半干旱的糧食產(chǎn)區(qū)[1]。隨著農(nóng)業(yè)水資源需求的日益增加，如何高效的提高農(nóng)業(yè)水資源利用率勢在必行。有研究表明，土壤經(jīng)歷凍融作用可以有效抑制土壤熱量散失，提高土壤墑情，可以有效提高水資源利用率，促進(jìn)農(nóng)作物生長[2]。同時，為了減少土壤水分的無效蒸發(fā)，提高土壤水分利用效率，農(nóng)業(yè)上常采用秸稈覆蓋的方法。許多研究表明，秸稈覆蓋可以有效抑制土壤水分無效蒸發(fā)，蓄水保墑[3]，降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，抑制地表返鹽[4]，改變土壤凍結(jié)和融化狀況，還可以增加土壤養(yǎng)分，提高作物產(chǎn)量等[5-6]。付強等[7]研究了凍融期不同秸稈覆蓋厚度對土壤水分運移的影響程度；趙強等[8]研究了季節(jié)性凍融過程對農(nóng)田土壤水分的影響；魏一朝等[9]研究了不同秸稈覆蓋厚度下季節(jié)性凍融土壤的水熱運移規(guī)律模擬研究?？v觀現(xiàn)有研究成果，凍融期不同覆蓋下土壤水分的變化規(guī)律研究較多，針對凍融期秸稈覆蓋下的土壤水分差異性的研究并不多。為了探討不同秸稈覆蓋厚度對土壤不同剖面水分差異性的影響，對凍融期不同秸稈覆蓋厚度下的土壤水分進(jìn)行了野外試驗，對不同剖面的土壤水分差異性進(jìn)行了分析，旨在確定凍融期最佳的覆蓋方式。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018 年11 月至2019 年 4 月在哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)節(jié)水灌溉試驗場進(jìn)行（45°44′24″N，126°43′7″E）。試驗場主要作物為玉米。哈爾濱市位于黑龍江省南部，土壤類型較多，其中黑土是數(shù)量最多的土壤類型，適合作物生長。哈爾濱屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬長夏短，11 月至次年3 月份為冬季，漫長且寒冷干燥，一般在10 月中旬溫度降到0 ℃以下，極端最低氣溫可達(dá)-42 ℃，偶爾出現(xiàn)暴雪天氣。6～8 月份為夏季，氣候溫?zé)釢駶櫠嘤?，最高氣溫可達(dá)38 ℃，全年平均氣溫約為2～4 ℃。多年平均降雨量約為525 mm，年平均降雪量約為63 mm。一年中降水主要集中在6～9 月，占全年降水量的70%以上。試驗區(qū)土壤的平均質(zhì)量含水率為22%，土壤平均密度為1.57 g·cm-3。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)正交試驗設(shè)計原理，將試驗區(qū)劃分為4 個處理，包括 5 cm 整秸稈覆蓋（覆蓋量為 6 000 kg·hm-2，記為 J05），10 cm 整秸稈覆蓋（覆蓋量為 12 000 kg·hm-2，記為 J10），15 cm 整秸稈覆蓋（覆蓋量為 18 000 kg·hm-2，記為J15），并以裸地（記為LD）作為對照處理。秸稈來源于2018 年秋收后的整秸稈，經(jīng)過自然風(fēng)干后，均勻覆蓋于其他處理組，其中，5、10、15 cm 分別為單層、雙層、三層秸稈覆蓋，各覆蓋層之間采用縱橫交錯排列方式。試驗區(qū)各處理長×寬均為10 m×10 m，各處理之間需做好垂直鋪塑防滲，目的是減少各處理之間的相互影響。試驗期內(nèi)除裸地處理外，其余處理對降雪不進(jìn)行清理。

1.3 測定指標(biāo)

（1）土壤凍深的觀測

在整個試驗區(qū)安裝一臺LQX-DT 型凍土器，從進(jìn)入初凍期始至融化期末，采用定期觀測（每天早8點）的方式對土壤凍深進(jìn)行記錄。

（2）土壤含水率的觀測

在試驗區(qū)的每個處理上埋置一根中子儀測管，應(yīng)用IAG-Ⅱ中子儀測量土壤總含水率，包括液態(tài)和固態(tài)含水率，每七天測量一次，如遇降雪則加密觀測。對土壤測定的剖面深度（土層深度）為：3、5、8、10、12、15、20、40、60、100、140 cm 和 180 cm。同時，在每個處理上安裝土壤水分傳感器（淺層和深層）自動記錄土壤含水率，定期導(dǎo)出數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)校核。

（3）氣相指標(biāo)的測定

在試樣區(qū)安裝一臺錦州陽光PC-3 型自動氣象站測定氣相指標(biāo)，主要包括：大氣溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)量、風(fēng)向、太陽凈輻射等。

1.4 研究方法

為了反映不同處理之間土壤含水率變化的差異，應(yīng)用土壤水分差異系數(shù)，即同一處理不同剖面深度試驗期內(nèi)土壤水分序列的方差的平均數(shù)，來表征不同處理條件下土壤水分的波動程度。如果差異系數(shù)大，則表示該處理下土壤水分的波動比較大，相反，則波動比較小。反映差異系數(shù)的公式如下[10]：

式中：λi為第i 種處理的土壤水分差異系數(shù)

Tijk為第i 種處理j 土壤深度第k 日的土壤含水率

i 取裸地、5、10、15 cm 整秸稈覆蓋

j 取 3、5、8、10、12、15、20、40、100、140、180

k 取2018-11—2019-4 期間測量的土壤水分（共24 d）

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈覆蓋下表層土壤含水率差異性分析

太陽輻射是地球表層能量的主要來源，因此對土壤溫度的影響較為重要，隨著太陽輻射量的變化，土壤溫度發(fā)生改變，進(jìn)而影響土壤的凍融狀態(tài)。針對北方高寒區(qū)土壤發(fā)生凍結(jié)和融化兩大理化過程，進(jìn)入凍結(jié)期，土壤水分形態(tài)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為由液態(tài)含水率向固態(tài)含水率轉(zhuǎn)化，進(jìn)入融化期，則表現(xiàn)為固態(tài)含水率向液態(tài)含水率轉(zhuǎn)化。在含水率轉(zhuǎn)化的同時，還伴隨著含水率向凍結(jié)鋒面的遷移過程[11]，因此在凍融期不同剖面土壤含水率的變化是一個復(fù)雜的過程，表層土壤 3、5、8、10、12、15 cm 剖面深度在 4種不同處理下土壤含水率隨時間變化過程如圖1 所示，根據(jù)1.4 中土壤水分差異系數(shù)公式，得出不同秸稈覆蓋厚度下不同剖面深度下的土壤水分差異系數(shù)，計算結(jié)果如表1 所示。

表1 不同處理下表層土壤含水率差異系數(shù)Table 1 Difference coefficient of surface soil moisture content under different treatments

圖1 表層土壤不同處理下土壤含水率差異分析Fig.1 Analysis of difference of soil moisture content under different treatments of topsoil

由圖1 可知，在凍結(jié)初期，四種處理表層土壤總含水率，隨著剖面深度的增加，整體均呈現(xiàn)出增加的趨勢，各處理含水率的變化幅度分別是：LD 處理為23.30%～31.74%；J05 處理為 25.44%～31.35%；J10 處理為：25.06%～32.61%；J15 處理為 23.35%～31.03%。進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)期（以2019-01-18 為例），各處理各剖面土壤含水率變化量如表2 所示，LD 處理在表層3 cm 剖面處含水率變化量為負(fù)值，主要是因為LD處理無覆蓋導(dǎo)致土壤水分無效蒸發(fā)，LD 處理其他剖面含水率變化量均為正值，且隨著剖面深度的增加呈先增加后降低的趨勢；其他三種覆蓋處理，除J05處理12 cm 剖面以及J10 處理15 cm 剖面含水率變化量出現(xiàn)降低外，均隨著剖面深度的增加呈增加趨勢，J10 處理相比LD 處理含水率變化量差值最大，其次為J15 處理，差值最小為J05 處理。進(jìn)入融化期，積雪融化并下滲，各處理各剖面含水率都呈增加-降低-穩(wěn)定的趨勢。

表2 進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)期后表層各剖面土壤含水率變化量Table 2 The change of soil moisture content in each surface section after entering the stable freezing period

由圖1 和表1 可知，表層范圍內(nèi)，LD 處理含水率變化幅度整體均低于有秸稈覆蓋處理，LD 處理含水率最大之差為14.02%，出現(xiàn)在8 cm 剖面上；有秸稈覆蓋處理組最大含水率之差為16.32%，出現(xiàn)在J10 處理的12 cm 剖面上；LD 處理的最小含水率之差為11%，出現(xiàn)在3 cm 剖面上；有秸稈覆蓋處理組最小含水率之差為12.86%，出現(xiàn)在J05 處理的3 cm剖面上。有秸稈覆蓋處理組與LD 相比較，最大含水率之差比LD 高出2.3%，最小含水率之差比LD 高出1.86%?？梢姡瑑鋈谄陂g，有秸稈覆蓋處理可以增加土壤含水率的波動幅度，因此提高土壤含水率。其原因是裸地有秸稈覆蓋之后，秸稈作為土壤與大氣之間的中間介質(zhì)，使蒸發(fā)界面變?yōu)榻斩捀采w-大氣界面，改變了地氣之間的能量交換，對于表層的土壤水分，直到達(dá)到秸稈覆蓋-大氣界面才能得到蒸發(fā)需要的能量，但是由于秸稈與土壤之間間隙較大，并不連接，致使表層土壤水分較難達(dá)到此蒸發(fā)界面，從而減緩水分蒸發(fā)速率，因此起到了保水的作用[12]。進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)期，有秸稈覆蓋處理，能夠促使含水率向凍結(jié)封面的遷移，使含水率變化量高于LD 處理。進(jìn)入融化期后，由于秸稈覆蓋的影響，減弱了土壤水分的無效蒸發(fā)[13-15]，因此對土壤水分起到了保護的作用[16-21]。

對于不同覆蓋厚度來看，J05 處理的土壤含水率變化幅度最小，且各剖面的含水率變化量都低于其他兩處理，J15 處理除了15 cm 剖面的含水率變化量高于J10 處理外，其他剖面都低于J10 處理，進(jìn)一步說明秸稈覆蓋可以改變表層土壤各剖面含水率的波動程度，有效提高凍融期土壤水分，其中以10 cm 秸稈覆蓋厚度保水性最好，其次為15 cm 覆蓋厚度，最后為5 cm 覆蓋厚度。

四種處理中，LD 土壤含水率差異系數(shù)最小，其值為11.17，J10 處理土壤含水率差異系數(shù)最大，其值為19.50，三種覆蓋處理與裸地相比差異系數(shù)之差較大，然而三種覆蓋處理之間的含水率差異系數(shù)之差較小，說明有秸稈覆蓋處理與LD 處理相比，能夠明顯增加土壤水分的波動程度，但是不同覆蓋處理組相互之間對含水率的波動程度影響相對較小。LD 處理各剖面的含水率方差均低于其他處理，說明LD 處理各剖面的含水率波動幅度均低于有覆蓋處理，J15處理在3 cm 剖面和15 cm 剖面含水率差異系數(shù)略低于J05 處理，其他剖面均高于J05 處理。J10 處理各剖面含水率方差均高于其他處理，進(jìn)一步說明J10 處理保水性最好。在三種覆蓋處理中，λ10最大，其次為λ15，λ5最小，其中，λ10－λ15=2.33，λ15－λ5=0.84，λ10－λ5=3.17，說明雖然秸稈覆蓋厚度是以5 cm 為倍數(shù)增加，但是土壤含水率差異系數(shù)并未呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，同時對于土壤含水率的波動幅度的影響也并非呈單調(diào)趨勢。三種覆蓋處理中，保水性的效果依次為J10＞J15＞J05。

2.2 不同秸稈覆蓋下深層土壤含水率差異性分析

圖2 為深層土壤 20、40、60、100、140、180 cm 剖面深度不同秸稈覆蓋厚度下土壤含水率隨時間變化過程，表3 為不同處理不同剖面深度的土壤水分差異系數(shù)。

表3 不同處理下深層土壤含水率差異系數(shù)Table 3 Difference coefficient of deep soil moisture content under different treatments

圖2 深層土壤不同處理下土壤含水率差異分析Fig.2 Analysis on the difference of soil moisture content under different treatments in deep soil

由圖2 可知：深層土壤與表層土壤的含水率變化規(guī)律有所不同。在凍結(jié)初期，四種處理土壤總含水率隨著剖面深度的增加，呈現(xiàn)出增加-降低-增加的趨勢。各處理的含水率變化幅度分別是：LD 處理為32.94%～38.24%，J05 處理為 33.09%～38.26%，J10 處理為 32.09%～39.51%，J15 處理為 32.06%～38.79%。與表層土壤相比，各剖面含水率增加明顯。進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)期后（以2019-01-18 為例），四種處理不同剖面土壤含水率變化量如表4 所示。

表4 進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)期后深層各剖面土壤含水率變化量Table 4 Variation of soil moisture content in each deep section after entering the stable freezing period

由表4 可知：四種處理隨著剖面深度的增加，土壤含水率變化量整體均呈先增加后降低的趨勢，其中，20、40 cm 剖面含水率變化量最大，增加的最多，因此20～40 cm 剖面為土壤聚墑區(qū)，100 cm 及以下剖面含水率變化幅度較小，說明秸稈覆蓋處理對于100 cm以下剖面土壤的保水效果不顯著。不同覆蓋處理與LD 處理相比，J10 處理含水率變化幅度最大，其次為J15 處理，最后為J05 處理，說明10 cm 秸稈覆蓋為最佳覆蓋方式，對土壤的保水效果最好。

由圖3 和表3 可知，深層范圍內(nèi)，LD 處理除180 cm 剖面外，其他剖面含水率變化幅度均低于其他覆蓋處理。LD 含水率最大之差為10.11%，出現(xiàn)在40 cm 剖面上；有秸稈覆蓋的處理組含水率最大之差為13.26%，出現(xiàn)在J10 處理的20 cm 剖面上；LD 處理的含水率最小之差為3.21%，出現(xiàn)在140 cm 剖面上；有秸稈覆蓋的處理組含水率最小之差為4.39%，出現(xiàn)在J10 處理的180 cm 剖面上。與表層相比，土壤含水率的最大與最小之差均降低，進(jìn)一步說明秸稈覆蓋可以提高凍融期土壤水分，但是隨著剖面深度的增加，提高效果減弱。

從不同秸稈覆蓋厚度來看，從20 cm 到100 cm剖面，J10 處理的土壤含水率變化幅度最大，J15 處理除100 cm 剖面低于J05 處理外，其他剖面都高于J05 處理，再次說明與LD 相比，J10 處理保水性最好，其次為J15 處理，最后為J05 處理。從100 cm 到180 cm 剖面，三種處理的含水率變化量都比較小，且相互之間差異不顯著，說明秸稈覆蓋對深層100 cm以下剖面土壤含水率的影響較弱。

四種處理中，LD 深層土壤含水率差異系數(shù)最小，其值為5.33，J10 處理深層土壤含水率差異系數(shù)最大，其值為6.53。同表層土壤相比較，各處理深層土壤含水率差異系數(shù)要遠(yuǎn)小于表層。與表層土壤相同，在深層土壤中，三種有秸稈覆蓋處理中λ10最大，其次為λ15，λ05最小。說明雖然秸稈覆蓋厚度是以5 cm 為倍數(shù)增加，但是土壤含水率差異系數(shù)并未呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，同時對于土壤含水率的波動幅度的影響也并非呈單調(diào)趨勢。

3 裸地土壤凍融過程討論

在整個凍融期，土壤經(jīng)歷凍結(jié)和融化兩大理化過程[22-23]，其主要過程如表5 所示。

表5 裸地土壤凍結(jié)與融化過程Table 5 Freezing and thawing process of bare soil

在季節(jié)性凍融期，土壤經(jīng)歷凍融是一個非常復(fù)雜的理化過程。土壤在凍融過程中，伴隨著水分的運移和熱量的傳輸。水分的運移主要包括兩部分，即液態(tài)水和水汽的運移。當(dāng)土壤溫度降低到水的凝固點時，由表層至底層土壤水分由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化。在初始凍結(jié)階段，由于氣溫在0 ℃左右波動，氣溫晝夜溫差較大，因此出現(xiàn)夜凍晝?nèi)诂F(xiàn)象，表現(xiàn)為不穩(wěn)定凍結(jié)階段。隨著溫度的降低，使土壤固態(tài)水增多，同時降低了土壤的基質(zhì)勢，使土壤基質(zhì)勢存在梯度，在該梯度作用下，沒有凍結(jié)的液態(tài)水逐漸向已經(jīng)凍結(jié)的凍結(jié)鋒面運移，所以固態(tài)水鋒面處的土壤含水率增加，變化幅度較大，表現(xiàn)為快速凍結(jié)階段。土壤最大凍結(jié)速率可達(dá)3 cm·d-1，土壤最大凍深達(dá)到117 cm。隨著溫度的升高，土壤開始進(jìn)入雙向融化階段，表層已融化的水分受重力作用由表層向深層運移，同時，由于深層土壤溫度相對較高，溫度由深層像表層傳遞，使深層像表層融化，最終土壤上下凍結(jié)鋒面相交，土壤融通，使固態(tài)水鋒面又出現(xiàn)了高值區(qū)。

凍結(jié)期水分的運移也包括汽態(tài)水的運移。汽態(tài)水的運移是由水汽密度差引起，而水汽密度差主要由土壤溫度和土壤基質(zhì)勢決定。在土壤凍結(jié)過程中，雖然各剖面土壤溫度相對較低，但是土壤基質(zhì)勢的絕對數(shù)值相對卻很大，所以在兩種影響因素共同的作用下導(dǎo)致水汽密度較小。因此，由汽態(tài)水分運移產(chǎn)生的水分通量可以忽略不計。土壤液態(tài)水與固態(tài)水的轉(zhuǎn)化是熱量的釋放與吸收過程，因此土壤凍融過程中的水熱運移呈現(xiàn)不同的規(guī)律。不僅土壤內(nèi)部存在水分和溫度之間的轉(zhuǎn)移，同時也包括土壤與大氣以及各種覆蓋物之間的轉(zhuǎn)移等。

4 結(jié)論

（1）秸稈覆蓋可以改變表層土壤各剖面以及深層土壤20～60 cm 剖面含水率的波動幅度，有效提高凍融期土壤水分，對深層100 cm 以下剖面土壤含水率影響較弱。無論是表層土壤，還是深層土壤，10 cm整秸稈覆蓋處理相比裸地處理含水率變化量差值最大，其次為15 cm 整秸稈覆蓋處理，其值最小為5 cm整秸稈覆蓋處理。其中以10 cm 秸稈覆蓋厚度保水性最好，其次為15 cm 覆蓋厚度，最后為5 cm 覆蓋厚度。

（2）無論是表層土壤，還是深層土壤，裸地處理的土壤含水率差異系數(shù)均較小，且各處理深層土壤含率差異系數(shù)要遠(yuǎn)小于表層；三種覆蓋處理下，10 cm 整秸稈覆蓋處理的土壤含水率差異系數(shù)最大，其次為15 cm 整秸稈覆蓋處理，最小為5 cm 整秸稈覆蓋處理。

（3）無論是表層土壤，還是深層土壤，雖然秸稈覆蓋厚度是以5 cm 為倍數(shù)增加的，但是土壤含水率差異系數(shù)并未呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，同時對于土壤含水率的波動幅度的影響也并非呈單調(diào)趨勢。