北疆地表覆盖对耕作层土壤冻融期温度影响的试验研究

唐文政，王春霞，蓝明菊，范文波

(石河子大学，新疆 石河子 832000)

0 引 言

土壤温度作为反映土壤特性的重要指标之一，是植物生长不可或缺的重要因子。不同深度土层温度变化形成温度梯度，在温度梯度作用下引起热量在土壤中传导，进而引起土壤水分的迁移和重分布。季节性冻土自地表至最大冻结深度的冻土区域在整个冻融期土壤温度经历0 ℃上下波动[1]，对土壤水分相变、潜热的释放和吸收、水盐运移、能量再分配等具有重要影响。可见，土壤温度变化不仅仅是土壤热状况的改变，而是多种物理、物理化学现象的综合反映。并且季节性冻土作为一种特殊的土壤类型，对其温度变化的研究有助于了解其物理特性和热量变化，对指导春季作物种植有积极的现实意义。

目前，国内外相关学者对季节性冻土的土壤温度做了大量的理论分析和试验研究。国外，G N Flerchinger和F B Pierson等[2]通过土壤水热同时通过地-植物-大气连续体传输的模型，模拟半干旱地区植物对土壤温度和水分时空变异性的影响。Raimo Sutinen和Pekka Hanninen等[3]通过对芬兰Fennoscandia地区连续两个冬季气候五个地点不同土壤结构、水分特性的分析对比得出Frost渗透被发现归因于积雪厚度和融雪水是对地下水资源的重要补给。Hotaek Park和Alexander N Fedorov等[4]通过模拟土壤温度、活动层厚度、雪深和积雪密度与在长时间内较大程度上对原位或卫星观测进行总体上的比较，得出积雪有助于北方地区多年冻土变暖和对未来北极气候变暖条件下发挥重要作用。Luo, Lifeng和Robock, Alan等[5]通过对参与试验的21种方案以正确的方式模拟了在不同时间尺度内土壤水热特性的研究，指出包含在模型中的显式降雪过程有助于从本质上改善模拟。国内，胡铭等[6]通过对天山北坡北塘河流域季节性冻土消融期近地面气温和浅层土壤温度变化关系的研究，对比无积雪覆盖季节性冻土消融，得出冻土消融期积雪对5、10、20 cm冻土层的土壤温度影响较大，30、40 cm土层温度影响极小，并且积雪的绝热保温作用对浅层土壤温度的日温差变化幅度有很好的抑制效果。张慧智[7]等研究分析了中国1971-2000年的土壤温度的季节性和区域性变化，指出我国土壤温度变化季节性非常明显，随春夏秋冬四季季节的变化土壤温度变化幅度由大到小呈现规律性以及气温、降水对不同区域土壤温度变化影响的程度不同。张小磊[8]等通过野外试验的实测数据，认为积雪消融速率受气温影响很大，积雪厚度滞后土壤解冻时间，减小了土壤温度差变化幅度，积雪阻碍了地气能量交换。杨金凤[9]等研究了季节性冻土在不同覆盖方式下对耕作土层温度具有明显的增温效应，陈军锋[10]等研究了不同秸秆覆盖量对季节性冻土的土壤温度变化影响分析表明秸秆覆盖厚度为5 cm时，对提高土壤春播底墒效果显著；秸秆覆盖厚度为10～15 cm时，对预防冻害和蓄水保墒效果显著。纵观上述研究，大多是从气温、地表覆盖与土温等相互影响方面的研究，总结了不同区域季节性冻融土壤水热时空变异机理，这些研究成果对冬作物生长和春季作物种植具有实际意义。然而，上述研究成果大多是对于其试验所在地区域的研究，具有地域局限性，新疆作为典型的温带大陆性气候，因其气温温差大、降水量少、空气干燥、水资源贫乏、土壤盐碱化或次生盐碱化现象严重等对当地农业生产造成很大的影响，而北疆冬季较长且有积雪覆盖，关注此时期土壤温度的变化，对了解冻融期土壤水盐运移与制定来年的春播制度有重要的实践意义。本文以北疆典型季节性冻土区域石河子市为例，通过野外测坑试验，设置裸地对照，实测不同时期不同材料覆盖条件下土壤温度变化情况，分析研究地表不同覆盖方式对季节性冻土温度时空变异状况的影响。研究旨在揭示北疆不同地表覆盖作物非生育期土壤温度变化机理，为指导农业生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年11月29日-2016年4月5日在现代节水灌溉兵团重点实验室基地暨石河子大学节水灌溉试验站进行。试验站位于石河子市西郊石河子大学农业试验场二连，东经85°59′47″，北纬44°19′28″，海拔412 m，平均地面坡度为0.6%。地处准格尔盆地西南缘天山北麓中段，属中温带大陆性干旱气候，年均日照时间为2 865 h，多年平均降雨量为207 mm，平均蒸发量为1 660 mm，其中≥10 ℃积温为3 463.5 ℃，无霜期为170 d。年均气温为7.7 ℃，最高气温出现在7月，7月平均气温25.4 ℃；最低气温出现在1月，1月平均气温-5.5 ℃，年平均风速为1.5 m/s。试验田地下水埋深5 m以下，土壤质地为中壤土，0～120 cm土壤平均干密度为1.53 g/cm3，田间持水量为31.62%，物理黏粒含量(粒径小于0.01 mm)大于20%，土壤含盐量0.23%。在本次试验时间段内石河子市出现多次降雪天气，其中共有两次较大程度的降雪，分别是在2015年12月11日(降雪持续3 d)和2016年1月17日(降雪持续4 d)，该两次降雪持续时间长、降雪量大。最后一次降雪出现在2016年3月2日，当日天气为雨夹小雪。

1.2 试验方案设计

该试验场地共分为12个试验小区，设4种处理，各重复3次，分别为：裸地、地膜覆盖、10 cm秸秆覆盖(1.8 kg/m2)、5 cm活性炭覆盖。每个试验小区规格为2 m×2 m，相邻试验小区间隔40 cm，以方便取土。为了防止小区土壤水侧渗，在每个试验小区四周挖深60 cm，紧贴试验小区内壁用PVC塑胶板(相邻PVC塑胶板用玻璃胶水黏结密实)隔挡。秸秆、活性炭覆盖处理厚度均匀，所用秸秆为当年试验场试验田种植的棉花秆，用铡刀切成长度为3～5 cm短杆。活性炭为当年试验站试验场种植的棉花秆不充分燃烧后加水冷却形成的充满空隙的块状或颗粒状碳粒。考虑到在试验期内浅层土壤温度对外界环境比较敏感，不同时期土壤温度变化幅度相对剧烈，在4种处理小区不同土壤深度10、20、30、40 cm处埋设土壤温度探头(i500-T型土壤温度记录仪)自动采集。试验时期为2015年11月29日-2016年4月5日。

1.3 数据观测与处理

(1)土壤温度：采用事先埋设的i500-T型土壤温度记录仪自动采集，自2015年11月29日16：30开始记录，至2016年4日5日(下同)终止监测，监测期间间隔时间为1 h，数据定期导入。根据地温计采集的温度数据，选取2015年11月29日、2015年12月7日、2016年1月20日、2016年3月15日、2016年4月5日这5 d典型日的平均温度作为最终试验数据。

(2)气温：采用试验站安装的自动气象站观测。选取试验期内2015年11月、2015年12月、2016年1月、2016年2月、2016年3月、2016年4月各月份的最高、最低气温日作为最终试验数据。

试验所监测土壤温度、气温等数据采用Excel 2003进行处理分析并绘图。

2 试验结果与分析

2.1 该试验区季节性冻土冻融时期划分

在季节性冻土的整个冻融过程中依据土壤温度变化和不同物理现象可以划分为3个阶段。在冻融初期，气温昼夜温差较大，白天土壤温度大于0 ℃，地表不发生冻结，土壤处于非冻结状态；晚上气温降幅较大，土壤温度下降到0 ℃以下，地表发生结冻，土壤处于冻结状态，出现“昼融夜冻”，此时期土壤出现“冻结-融通”循环的物理现象，标记此时期为冻结初期；随着气温的大幅下降，土壤温度继续下降到0 ℃以下，土壤冻结，并且冻结锋面不断向下移动，直至达到最大冻结深度，此时期只发生土壤冻结一种物理现象，标记此时期为稳定冻结期；随气温回升，土壤地表温度增大，土壤开始解冻，土壤自地表向下和最大冻土深度处向上部进行双向解冻，直至土壤完全融通，此时期主要发生土壤解冻的物理现象，标记此时期为融化期。

根据试验区在试验期内气温明显变化特征日为依据绘制试验期气温变化图，如图1所示。由图1可知，在整个试验期内气温变化趋势形成先降后升的“凹”型曲线，在2015年11月29日气温最高值为2 ℃，最低-6 ℃，土壤表层初步冻结，并且出现“昼融夜冻”现象， 2015年12月1日气温最高值为-4 ℃，最低气温为-11 ℃，全天气温在0 ℃以下，说明土壤表层刚开始稳定冻结，但是在此时间段内土壤冻结程度大于解冻强度，总体上土壤处于冻结初期状态。之后由于降雪和降温的影响，气温继续降低，在2016年1月20日达到整个试验期的最低值-21 ℃，土壤继续向下冻结。随后气温回升，在2016年3月15日气温最高温度值为5 ℃，最低温度-4 ℃，土壤开始解冻，随着气温的大幅回升，土壤解冻速率加快，在2016年4月5日气温最高为19 ℃，最低10 ℃，土壤已经完全融通。2015年11月29日-2016年1月20日试验期间内气温降幅和最大温差小于2016年1月20日-2016年4月5日气温增幅和最大温差，说明冻结初期和稳定冻结期的气温降低幅度小，土壤冻结速率响应慢，冻结持续时间较长；土壤融化期气温回升幅度大，土壤融通速率快，融化期持续时间较短。由此可见：根据试验区实测气温变化情况，划分季节性冻土冻融过程的3个阶段为：2015年11月29日-2015年12月1日为冻结初期，2015年12月1日-2016年3月15日为稳定冻结期，2016年3月15日-2016年4月5日为融化期。

图1 试验期间气温变化图

2.2 不同地表覆盖下土壤温度的时间分布

图2为不同地表覆盖下土壤温度随时间的变化情况。由图2可知，不同地表覆盖土壤温度的时间变化情况各不相同，总体上随时间进程的推进呈现缓慢降温趋势。并且在整个试验期内土壤温度出现稳定正、负温界限的土层深度各具特点，地膜覆盖处理下土壤温度在30 cm土层出现负温，40 cm土层为正温，裸地和活性炭覆盖处理下土壤温度均在20 cm土层出现负温，30、40 cm土层为正温，这与当地工程冻土层厚度为120～140 cm的情况不相符，说明随着全球气候变暖问题日益严重，一方面受气温变化敏感的季节性冻土冻结厚度进一步变薄现象更加突出[11-13]，另一方面试验区土壤含盐，引起土壤水溶液冰点降低导致冻土层厚度变薄。秸秆覆盖仅在10 cm土层出现负温，说明在试验期内地膜覆盖处理下土壤冻结深度达到最大，其次为裸地和活性炭覆盖，秸秆覆盖处理下土壤冻层最小。其中10 cm土层土壤温度随时间变化剧烈，4种地表处理在2016年1月4日土壤温度均降低到0 ℃以下，在2016年1月20日均降到最低，降温幅度依次为：裸地>地膜覆盖> 秸秆覆盖>活性炭覆盖，四种地表处理土壤温度降低到极小值点后开始回升，裸地和地膜处理下土壤增温幅度最大均为0.3 ℃，活性炭覆盖处理下增温幅度为0.2 ℃，秸秆增温幅度最小为0.1 ℃。结合图1和图2可知，气温变化和10 cm土层土壤温度的变化趋势有高度的一致性，而和20、30、40 cm土层土壤温度变化情况有所不同。说明气温是影响10 cm土层土壤温度变化的重要因子，对20、30、40 cm土层温度影响不明显。

图2 不同地表覆盖下土壤温度随时间的变化过程图

由上面分析可见，在整个冻融过程的不同时期秸秆覆盖和活性炭覆盖表现出不同的保温现象。在冻结初期、稳定冻结期活性炭覆盖相比秸秆覆盖冻土层厚、土温低，说明秸秆覆盖在此时期对土壤温度的保温效果优于活性炭覆盖。在融化期活性炭的增温幅度大、冻土层解冻速率快，表明活性炭覆盖在融化期对土壤的保温、增温效果优于秸秆覆盖。同时，在整个冻融期，活性炭覆盖可以有效平抑土壤降温幅度，滞后土壤冻结，这是因为活性炭具有巨大的颗粒比表面积，对土壤中的微小杂质、溶质、胶体等有很强的吸附作用，从而阻塞土壤表层空隙结构，减小土壤热量的散失，对土壤具有一定的保温作用。地膜覆盖较其他处理降温幅度、冻土深度均为最大，这是由于地膜作为一种密实的覆盖材料横隔在积雪和地表之间，地膜内表面土壤温度高于地膜外表面积雪温度，地膜内外表面产生较大温度差，土壤水一部分汽化在地膜内表面冷凝形成液态水珠，伴随着土壤中热量的释放，降低土壤温度。秸秆覆盖冻土深度最小，可见秸秆覆盖可以有效抑制土壤温度波向空气中扩散，从而减少土壤热量损失。活性炭覆盖下10 cm土层土壤温度增幅小于地膜覆盖，这可能是由于活性炭导热性差，对太阳辐射不敏感，相应吸收热量少所致。

2.3 不同地表覆盖下土壤温度的空间分布规律

由图3可知，在整个季节性冻融期不同地表处理下土壤温度均随着土壤深度的增加而缓慢增大。在2015年12月7日土壤温度随土层深度增加基本上呈线性增大，其中地膜覆盖处理下线性增温趋势更加明显，说明土壤升温最快，秸秆、活性炭覆盖处理下在10～30 cm土层土壤温度呈线性升温，30～40 cm土层曲线变缓，土壤温度增幅逐渐降低，裸地土壤温度在整个试验土层内变化缓慢，增温幅度最小。在2016年1月20日裸地土壤在0～18 cm土层出现负温，地膜覆盖处理下0～22 cm土层土壤温度降低到0 ℃以下，土壤处于冻结状态，22～40 cm土层土壤温度处于0 ℃以上，该试验土层未发生冻结。秸秆覆盖处理下在0～12 cm土层土壤温度处在-0.1～0 ℃之间，12～40 cm深度土层土壤温度增大到0 ℃以上。活性炭覆盖处理下0～18 cm土层土壤温度处于-0.5～0 ℃之间，18～40 cm土层土壤温度升温到0 ℃以上。在2016年3月15日积雪全部融化，太阳辐射增大，地-气之间热量传输增强，土壤温度大幅回升，土壤自地表向下和最大冻结深度土层向上进行双向加速解冻，在2016年4月5日土壤全部融通。由裸地土壤温度空间分布图发现在20 cm土层土壤温度在2016年3月15日出现不增反降现象，这是因为在2016年3月15日石河子市出现降雨天气，气温骤然降低，导致土壤温度较大幅度降低。由图2曲线变化趋势可得出在整个试验冻融期，地膜覆盖处理下冻深增幅最大，其次为活性炭和裸地，秸秆覆盖处理下冻深增幅最小，说明在季节性冻融期4种地表处理下对平抑土壤温度变幅都有一定的积极作用，其中秸秆覆盖处理下对平抑土壤温度变幅效果最显著，其次为活性炭覆盖处理，裸地、地膜覆盖处理对平抑土壤温度变幅效果较差。

图3 不同地表覆盖下土壤温度的空间分布图

2.4 地表覆盖条件下土壤温度的时空分布差异成因分析

(1)地膜覆盖相比裸地具有一定的增温效应，但是没有秸秆覆盖、活性炭覆盖的增温效应明显，这和杨金凤等[9]的研究结果有所不同。可能是因为地膜虽有透光作用，吸收太阳辐射能的能力较强，但是在地膜内外表面存在温度差，紧贴地膜内表面形成一连续的薄层水帘，地膜-水帘组合减弱了对太阳辐射能的吸收，同时土壤空隙中部分水汽化吸热，伴随土壤热量的释放，大大降低土壤温度。活性炭覆盖的增温效果优于地膜覆盖，一方面是因为活性炭的黑色颗粒吸热作用本身就强，另一方面在冻融过程中活性炭由于本身的特性吸附土壤中不同粒径的杂质，在活性炭下垫面形成一连续密实的介质，较大幅度地减弱了土壤温度波向空气中扩散，减少土壤热量散失，对土壤具有较好的保温效应。在冻结初期和冻结期，积雪下部部分融化下渗，在秸秆不同层面凝结形成秸秆-冰层，由于冰的低比热容和秸秆的低导热性，极大地抑制土壤温度波的扩散，同时在融化期，秸秆覆盖处理下有效抑制土壤蒸发和雨、雪水入渗，减少热量散失，对土壤具有良好的保温效应，因此相比其他处理，秸秆覆盖处理下的增温效应最好，其次是活性炭覆盖。

(2)北疆地区冬季积雪覆盖，在整个季节性冻融期积雪物理变化对冻融土壤性状改变的影响不可忽视。冻融期间积雪厚度由薄变厚再变薄最后全部融化，同时伴随着从表层到底层积雪密度的改变，积雪厚度、密度对地-气热量传输有双重影响[14]，不同时期影响程度不同。冻结期，积雪厚度增加、密度变大，对阻碍太阳辐射能向地中传输占主导地位，同时对土壤温度波扩散也具有抑制作用。融化期，积雪厚度变薄，密度减小，对抑制太阳辐射能向地中传输、土壤温度波扩散的作用减弱，此时由于外界气温大幅回升，太阳辐射能增强，土壤对太阳辐射能的吸收能力大于土壤温度波向外扩散的能力，致使土壤温度回升。可见，积雪的物理反应能够调节土壤温度、改善土壤物理性状。

3 结 语

不同地表覆盖下对季节性冻土土壤温度影响主要表现在以下几个方面：①在季节性冻融期，10 cm土层土壤温度受气温影响最大，随土壤深度增大，气温对土壤的影响力逐渐减小；②在季节性冻融期通过地表覆盖均能调节土壤温度，提高土壤的增温效应，其中秸秆覆盖和活性炭覆盖的增温效应优于地膜覆盖；③土壤经历冻融过程不同土层温度均发生变化，随土壤深度增大土壤温度呈现递增现象，秸秆覆盖和活性炭覆盖在整个冻融期温度变化幅度最小，体现较好的保温效果。

季节性冻土作为作物非生育期的一种特殊土壤，研究其在冻融过程中温度的变化规律，对于作物生育期种植环境、调节土壤温度、提高作物产量等有积极的现实意义。本试验立足于探讨通过北疆不同地表覆盖在季节性冻土冻融过程中土壤温度的变化规律，分析对比秸秆、活性炭、地膜覆盖材料对冻融土壤的增温效应和调节土壤温度的效果。研究成果表明：秸秆覆盖和活性炭覆盖均可以有效抑制土壤温度变幅，对土壤经历冻融过程的保温效果明显。秸秆覆盖在冻结初期、稳定冻结期的保温效果优于活性炭覆盖，活性炭覆盖在融化期的保温增温效果优于秸秆覆盖。

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[1] 徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京：科学出版社，2001.

[2] G N Flerchinger，F B Pierson.Modeling plant canopy effects on variability of soil temperature and water[J].Agricultural and Forest Meteorology，1991，56(3)：227-246.

[3] Raimo Sutinen，Pekka Hanninen，Ari Venalainen.Effect of winter events on soil water content beneath snowpack[J].Cold Regions Science and Technology，2008，51(1)：56-57.

[4] Hotaek Park，Alexander N Fedorov，Mikhail N Zheleznyak，et al. Effect of snow cover on pan-arctic permafrost thermal regimes[J]. Climate Dynamics，2015，44(9)：2 873-2 895.

[5] Luo Lifeng，Robock Alan，Vinnikov Konstantin Y，et al. Effects of frozen soil on soil temperature, spring infiltration, and runoff: results from the PILPS 2(d) experiment at Valdai, Russia[J]. Journal of Hydrometeorology，2003，4(2)：334.

[6] 胡 铭，刘志辉，陈 凯，等.雪盖影响下季节性冻土消融期的土壤温度特征分析[J].水土保持研究，2013，20(3)：39-43.

[7] 张慧智，史学正，于东升，等.中国土壤温度的季节性变化及其区域分异研究[J].土壤学报，2009，46(2)：227-234.

[8] 张小磊，周志民，刘继亮，季节性积雪消融对浅层土壤热状况的影响[J].农业工程学报，2010，26(8)：91-95.

[9] 杨金凤，郑秀清，孙 明.地表覆盖对季节性冻融土壤温度影响研究[J].太原理工大学学报，2006，37(3)：358-360.

[10] 陈军锋，郑秀清，秦作栋，等.冻融期秸秆覆盖量对土壤剖面水热时空变化的影响[J].农业工程学报，2013，29(20)：102-110.

[11] 金会军，王绍令，吕兰芝，等.黄河源区冻土特征及退化趋势[J].冰川冻土，2010，32(1)：10-17.

[12] 赵 林，刘广岳，焦克勤，等.1991-2008年天山乌鲁木齐河源区多年冻土的变化[J].冰川冻土，2010，32(2)：223-230.

[13] 王秋香，李红军，魏荣庆，等.1961-2002年新疆季节冻土多年变化及突变分析[J].冰川冻土，2005，27(6)：820-826.

[14] 付 强，侯仁杰，王子龙，等.冻融期积雪覆盖下土壤水热交互效应[J].农业工程学报，2015，31(15)：101-107.