農(nóng)業(yè)凍土冰含量測(cè)量方法試驗(yàn)研究

摘" 要：農(nóng)業(yè)凍土中的冰含量作為凍土凍融過(guò)程的關(guān)鍵變量之一，影響著土壤水分動(dòng)態(tài)變化、土壤養(yǎng)分流失和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境維穩(wěn)等。根據(jù)質(zhì)量守恒原理和體積變換關(guān)系，自制一種農(nóng)業(yè)凍土冰含量測(cè)量的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行-20、-25、-30 ℃和土壤含水率為15.7%、23.5%、31.4%的冰含量測(cè)量試驗(yàn)。結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)凍土樣品中冰含量隨凍結(jié)溫度降低冰質(zhì)量含量增加。凍結(jié)溫度達(dá)到-30 ℃時(shí)，冰質(zhì)量含量達(dá)到一個(gè)恒定的峰值。相同凍結(jié)溫度不同含水率狀態(tài)下，冰質(zhì)量含量百分比趨于一個(gè)平均值，且最大值和最小值之差約為2%。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)；凍土；冰含量；測(cè)量；凍結(jié)溫度

中圖分類號(hào)：S271" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）25-0080-04

Abstract： As one of the key variables in the freezing and thawing process of agricultural permafrost， the ice content in agricultural permafrost affects the dynamic change of soil moisture， the loss of soil nutrients and the stability of farmland ecological environment. According to the principle of mass conservation and volume transformation， a self-made experimental device for measuring ice content in agricultural frozen soil was made， and ice content measurements were carried out at-20，-25， and -30 ℃ and soil moisture content of 15.7%， 23.5% and 31.4%. The results show that the ice content in agricultural frozen soil samples increases with the decrease of freezing temperature. When the freezing temperature reaches -30 ℃， the mass content of ice reaches a constant peak. At the same freezing temperature and with different moisture content， the percentage of ice mass content tends to be an average， and the difference between the maximum value and the minimum value is about 2%.

Keywords： agriculture; frozen soil; ice content; measurement; freezing temperature

凍土是指具有負(fù)溫且含冰的各類土，由土壤顆粒、冰、液相水和氣體組成[1]。按凍結(jié)保持的時(shí)間分為短時(shí)凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土。其中季節(jié)性凍土面積占全國(guó)總面積的53.5%[2]。季節(jié)性凍土凍融過(guò)程中，土壤的物理特性會(huì)發(fā)生改變，如土壤顆粒的重新排列、土壤結(jié)構(gòu)的改變等，影響了土壤肥力和通透性，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)。解凍過(guò)程中下層土壤解凍速度比上層土壤解凍速度遲緩，中間形成不透水層，土壤水分滲透性下降，導(dǎo)致耕作層土壤過(guò)濕，地溫較低，推遲了農(nóng)作物播種時(shí)間。土壤水分運(yùn)移和根系生長(zhǎng)速度減緩，導(dǎo)致土壤墑情不佳，限制農(nóng)作物吸收養(yǎng)分和水分的能力，抑制土壤微生物繁衍及代謝活動(dòng)，導(dǎo)致農(nóng)作物正常生長(zhǎng)緩慢，產(chǎn)量和品質(zhì)下降。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉定額、旱澇、地下補(bǔ)水和農(nóng)田水利設(shè)施等均受到一定的影響[3-8]。因此，掌握季節(jié)性凍土凍融信息，減輕季節(jié)性凍土對(duì)農(nóng)業(yè)的危害，調(diào)整農(nóng)事活動(dòng)和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

冰作為凍土凍融信息的關(guān)鍵變量之一，對(duì)溫度和壓力極其敏感[9]。在不同的氣候環(huán)境條件下農(nóng)田凍土中的冰與未凍水在季節(jié)性凍融過(guò)程中發(fā)生相互定量轉(zhuǎn)化。冰含量的變化相當(dāng)于液態(tài)水的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量，也等價(jià)于熱量的動(dòng)態(tài)變化[10]。因此，準(zhǔn)確測(cè)量農(nóng)業(yè)凍土中的冰含量，利于揭示出凍土區(qū)土壤水分變化規(guī)律，有助于決策出合理的農(nóng)田規(guī)劃、優(yōu)化耕作土壤水分管理，減少耕作土壤侵蝕和養(yǎng)分流失，維穩(wěn)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等。

1" 試驗(yàn)方法

1.1" 試驗(yàn)原理

針對(duì)單相物質(zhì)，可根據(jù)測(cè)量該物質(zhì)體積和質(zhì)量2個(gè)物理量，通過(guò)質(zhì)量和體積關(guān)系，確定該物質(zhì)密度。若為3種混合物時(shí)，通過(guò)稱重設(shè)備測(cè)量混合物質(zhì)量，采用體積測(cè)量裝置測(cè)量混合物總體積，因此，可單獨(dú)構(gòu)建出混合物中各物質(zhì)間的質(zhì)量和體積關(guān)系。就三相混合物而言，各相物質(zhì)物理性質(zhì)穩(wěn)定。將混合物中一相物質(zhì)分離出來(lái)，測(cè)量分離相物質(zhì)體積，建立剩余兩相物質(zhì)的總質(zhì)量和總體積關(guān)系，即可確定分離相物質(zhì)在三相混合物中的含量。凍土是由土壤、冰、水、空氣組成的三相混合體系，該混合體系中各物質(zhì)之間的質(zhì)量和體積的關(guān)系為（空氣質(zhì)量可以忽略）

1.2" 試驗(yàn)裝置

基于上述試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)出一個(gè)總高為197 mm，壁厚為3 mm的有機(jī)玻璃試驗(yàn)裝置。整個(gè)裝置由上端蓋和下底座兩部分組成，通過(guò)10 mm長(zhǎng)的螺紋連接組裝成一體。上端蓋的下部為內(nèi)徑100 mm、高20 mm的圓柱體，中部為內(nèi)徑100 mm、高25 mm、傾角為30°的圓臺(tái)體，上部為內(nèi)徑10 mm、高80 mm的圓柱體，且在上部圓柱體69 mm處為體積示意刻度線。下底座由內(nèi)徑為100 mm、高為72 mm的圓柱體構(gòu)成。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.3" 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中凍土樣品所用的土壤為吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田里種植蔬菜的黑土。將取樣土壤置于室外陽(yáng)光下自然風(fēng)干。風(fēng)干后的土壤需清除土壤中的固體雜質(zhì)，揉碎較大的團(tuán)狀土壤顆粒，利用不同目數(shù)的土壤篩分工具（圖2）通過(guò)人工篩分，選取0～0.2 mm粒徑范圍的土壤顆粒，該土壤平均干密度為1.59 g/cm3。將篩分后的土壤平鋪放入托盤中，將載有篩分后土壤的托盤放置于設(shè)定溫度為105 ℃的恒溫干燥箱中（圖3）烘干至恒重時(shí)取出。待常溫冷卻后，稱取平均重量60 g的土壤為一份，每份土壤均勻地平鋪在固定大小的保鮮膜上，用噴霧器將10、15和20 mL純凈水分多次噴灑在土壤表面，觀察土壤潤(rùn)濕情況，待其均勻混合。用保鮮膜包裹混合好的土樣（圖4），多次壓緊密實(shí)保鮮膜確保排出空氣后，放入設(shè)定參數(shù)為-30～-20 ℃的超低溫冰箱中（圖5）進(jìn)行凍結(jié)，制備出試驗(yàn)所需凍土樣品。

2" 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)凍結(jié)溫度為-20、-25、-30 ℃的情況下，分別測(cè)量加水量為10、15、20 mL時(shí)凍土樣品中的冰質(zhì)量含量。同一凍結(jié)溫度和加水量相同情況下重復(fù)測(cè)量3～4次，取其平均值，結(jié)果如圖6—圖8所示。由圖可知，當(dāng)土樣加水量相同時(shí)，隨著凍結(jié)溫度降低凍土樣品中的冰質(zhì)量含量增加。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，凍土樣品中的未凍水含量會(huì)相應(yīng)降低，與楊錫熠、路建國(guó)、孫顏?lái)?、王炳祿等試?yàn)結(jié)論相同[11-14]。當(dāng)凍結(jié)溫度為-30 ℃時(shí)，凍土樣品中的冰質(zhì)量含量達(dá)到一個(gè)最大的恒定值，說(shuō)明凍土中的水基本完全相變成冰。當(dāng)凍結(jié)溫度為-20 ℃，凍土樣品中的冰質(zhì)量含量最低，說(shuō)明加入的水并未完全凍結(jié)且含量較高。當(dāng)凍結(jié)溫度相同時(shí)，土樣初始加水量為10 mL時(shí)，凍土樣品中的冰質(zhì)量含量最低。土樣初始加水量為20 mL時(shí)，凍土樣品中的冰質(zhì)量含量最高。隨著加入水量的增加，冰質(zhì)量含量呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明土樣中水分在未飽和至飽和區(qū)間進(jìn)行凍結(jié)時(shí)，被凍結(jié)的水質(zhì)量含量也隨之增加。這是因?yàn)閮鐾猎谪?fù)溫條件下冰含量的變化與溫度、顆粒特性及微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

針對(duì)3種不同含水率的土壤，當(dāng)土壤凍結(jié)溫度為-30 ℃時(shí)，如圖9所示，凍土樣品中的未凍水含量較低，與應(yīng)賽、鄧世磊、羅豪良、樊華等試驗(yàn)結(jié)果基本相同[15-18]，說(shuō)明當(dāng)凍結(jié)溫度為小于-30 ℃時(shí)，凍土中的未凍水含量不受含水率影響，達(dá)到某一臨界值后，土壤中的水幾乎全部相變成冰。當(dāng)土壤含水率為31.4%時(shí)，凍土樣品的未凍水含量為負(fù)值，其絕對(duì)值趨于零。說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中存在一定誤差，主要有2方面原因：其一為配置樣品時(shí)，加水量的數(shù)值需要通過(guò)肉眼觀察刻度讀取，讀取視線在非完全水平狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)偏差；其二為凍土樣品待室溫下靜止完全解凍后，需通過(guò)肉眼讀取測(cè)量裝置的體積變化刻度值，同樣會(huì)出現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)偏差。

依據(jù)試驗(yàn)原理和試驗(yàn)裝置測(cè)得凍土中冰體積的變化量，由式（8）可以計(jì)算出冰質(zhì)量含量，每3次測(cè)量為一組并取平均值，采用平均值即可計(jì)算凍土樣品中冰質(zhì)量百分比，如圖10所示。由圖10的試驗(yàn)結(jié)果表明，配置凍土樣品加入相同水量的情況下，得到的冰含量都趨于一致，最大值和最小值相比較，相對(duì)誤差約為2%。說(shuō)明該試方法可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量得到凍土樣品中的冰含量值。

3" 結(jié)論

1）土壤含水率相同的情況下，農(nóng)業(yè)凍土樣品中的冰質(zhì)量含量受凍結(jié)溫度影響，且隨著凍結(jié)溫度降低冰質(zhì)量含量增加。凍結(jié)溫度相同的情況下，隨著土樣中水分含量的增加，農(nóng)業(yè)凍土樣品中的冰質(zhì)量含量增加。當(dāng)凍結(jié)溫度達(dá)到-30 ℃時(shí)，農(nóng)業(yè)凍土樣品中的冰質(zhì)量含量達(dá)到一個(gè)最大的恒定值。同時(shí)凍土樣品中的未凍水含量較低。

2）相同凍結(jié)溫度不同土樣含水率的情況下，農(nóng)業(yè)凍土樣品中的冰含量百分比趨于一個(gè)平均值，且相對(duì)誤差約為2%，測(cè)量方法較準(zhǔn)確。

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