冻融期膜下滴灌棉田土壤温度盐分迁移特征

赵永成，虎胆·吐马尔白，马合木江·艾合买提，

朱冬桥，李　慧，赵经华，朱海清

(新疆农业大学水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)



冻融期膜下滴灌棉田土壤温度盐分迁移特征

赵永成，虎胆·吐马尔白，马合木江·艾合买提，

朱冬桥，李慧，赵经华，朱海清

(新疆农业大学水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

摘要：采用大田试验与室内分析相结合的方式研究了冻融期气温、土壤温度及盐分间的相互作用关系。结果表明：外界气温对冻融期土壤温度的影响随深度的增加而减弱；土壤消融前，地温随深度呈现递增趋势，土壤消融后，地温呈现随深度增大而减小的趋势；冻融期相邻两土层间地温在0.01的置信水平下保持极显著相关性，其决定系数均在0.8以上，且随深度的增加，各土层地温的相关性减弱；试验区土壤冻融期长达120 d左右，最大冻土深度约为80 cm，至3月上旬土壤完全解冻；整个冻融期可分为冻结带发育阶段、稳定冻结阶段及消融三个阶段，且此三阶段地温与土层深度间关系均可用公式精确拟合；冻融期土壤剖面盐分呈现随深度增加先增大后减小的趋势；处于冻结带中的土壤盐分保持0.3%以内的较低水平，属于非盐化土；80～120 cm深度存在稳定积盐层，且其盐分值基本表现出中度及重度盐化土的特征。

关键词：棉田；冻融期；土壤温度；土壤盐分

土壤冻融将导致水分的重新分配，在干旱地区还可能导致土壤次生盐渍化问题的发生。研究冻融期土壤温度、盐分迁移特征对于防治春季土壤反盐有着重要的现实意义。国内许多学者针对土壤冻融问题做了大量试验研究，有学者研究了冻融土壤水-热-盐迁移特征[1-3]，也有人针对土壤冻融机理进行了探讨[4]，还有针对不同条件对土壤水分入渗影响做了研究[5-7]。尚浩松等[8]还针对冻结条件下水热耦合迁移数值模拟做了改进研究。吴谋松等[9]主要针对土壤冻融过程中水流迁移特性及通量进行了模拟研究，宋存牛等[10]专门针对冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究进展进行了详细论述，以上研究均为冻融期土壤水热盐迁移模拟研究的典型代表。为研究冻融期大田土壤温度、水分及盐分的迁移特征，李瑞平等[11]专门针对河套灌区冻融期土壤水盐热运移规律进行了长期监测研究。以上研究中鲜有对于冻融期新疆北疆干旱区土壤水盐迁移规律的报道。靳志峰[12]等虽然针对试验区土壤温度对水盐运移的影响做了相关研究，但并未对冻融期气温与土壤温度以及土壤温度与土层深度间的关系进行定量研究。新疆北疆地区地处季节性冻土地区，每年冻融期长达100天以上。作为我国优质商品棉生产基地，保证棉花正常生产对于当地经济社会发展与稳定有着重要现实意义。然而当地土壤存在不同程度的土壤盐渍化现象，尤其在近些年大力推广应用膜下滴灌技术以后，滴灌引起土壤次生盐渍化问题逐渐引起各界关注。本研究主要针对冬季土壤冻融条件下膜下滴灌棉田土壤温度与盐分变化特征及相关性进行了研究，以期为当地土壤次生盐渍化的防治工作提供参考。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于新疆石河子市农八师121团，该团位于天山北麓，准噶尔盆地南缘，地处欧亚大陆腹地(44°46′55″N，85°32′50″E，平均海拔337.1 m)。该地区夏季炎热，极端最高气温43.1℃；冬季寒冷，极端最低气温-42.3℃；常年干旱缺水，光照充足，蒸发强烈，年降雨量为141.8 mm，年蒸发量为1 826.2 mm，年均日照数约为2 862小时，无霜期平均为167天，具有典型的大陆性荒漠气候的特点，平均地下水位埋深在3 m左右。

1.2试验方法

为分析土壤温度对土壤盐分运移特征影响，本文所用温度数据来自于当地国家级气象站，此站与试验区相隔200 m左右，所测温度为0、5、10、15、20、40、80、160、320 cm，共计9个土层。温度计量间隔时间为1小时，每天24小时连续监测，最后取平均值作为当日平均温度。本课题组于2012年11月至2013年3月专门针对试验区相邻四块棉田土壤盐分进行了跟踪监测，采用人工土钻取土，每月中旬取样一次，共计取样5次，取样点采用GPS精确定位。取样深度为0～10、10～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150 cm，共计7个土层，每个取样点取三个重复，每次取样84个。每次所取土样带回实验室化验，利用烘干法测土壤含水率，然后将烘干土壤磨碎、过2 cm筛并按水土比5∶1(蒸馏水90 ml，土18 g)制取土壤浸提液，利用DDS～308A型电导率仪测定溶液的含盐率值。

1.3数据处理

本文利用专业统计分析软件SPSS对气温与土壤温度做了PEARSON相关分析，利用origin软件进行了图形绘制。

2结果与分析

2.1日平均气温与地温随时间变化特征及相关关系分析

图1为2012年11月1日至2013年3月31日试验区气温及地温随时间变化曲线图，由图可知，当地气温随时间呈现先减小后增大的波动变化趋势，最低温度为-30℃，出现在当年12月下旬，其中1月上旬至2月中下旬，气温波动幅度较大。图中各土层地温整体变化幅度小于外界气温，同一时期各土层土壤温度呈现随深度的增加而增大趋势，这一规律在当年11月到翌年3月中旬间表现尤为明显；而在3月中旬以后，土壤温度呈现出上大下小的趋势，表层0～40 cm土层温度升高较快，至3月末4月初，表层0～40 cm土壤温度上升至20℃左右的较高温度，这一温度可为种子萌发提供可靠保障；相比之下，离地表越近的土层，其温度随时间变化越剧烈。图中0～40 cm土体范围内，各土层温度表现出较高的同步性，由此可以初步推断这一土体范围内各层土壤温度间具有较高的相关性。

为进一步分析当地日均气温及土壤温度间的相关关系，本文采用经典统计学中Pearson相关分析方法对其相关性进行了分析，具体分析结果见表1。

由表1可知，日均气温与各土层地温间的相关关系呈现出随深度增加而减小的趋势，即气温对土壤温度的影响随土层深度的增大而减弱，在0.01的置信水平下，各土层(除160 cm外)双尾检验结果表现出极显著水平，其中0～40 cm土层的决定系数都保持在0.8以上。对比相邻两土层间的决定系数可以发现，冻融期相邻土层间土壤温度保持高度的相关性，其决定系数(与主对角线相邻的对角线的值)保持0.8以上较高水平，且随着深度增加，各土层间的决定系数值逐渐减小，即其相关性逐渐减弱，这一特征也可从图1中看出。

图1　气温与土壤温度随时间变化曲线

注(Note): **. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed). *. Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

2.2冻融期冻结锋随时间变化特征

土壤冻结锋随时间的演变过程对于冻融期土壤温度、水分及盐分变化特点研究有重要作用，为分析冻融期土壤冻结锋随时间演变过程，本文在数据处理时，以每日土壤剖面中最低温度或者负温出现的最大深度为研究对象，绘制了冻融期土壤冻结锋随时间发展曲线，具体见图2。

由图2可知，从2012年11月9日开始，当地土壤表层出现冻融交替现象，至2013年3月8日结束，冻融期长达120天左右。从当年11月9日至翌年1月10日左右土壤温度随深度变化较为剧烈，冻结锋下移速度较快。自1月10日至2月10日左右，土壤冻结锋趋于稳定且基本达到最大冻结深度80 cm附近，此时段为当地冻融期的稳定冻结期，时长约为1个月左右。从2月10日开始，土壤基本呈现出温升趋势，冻结锋上移，至15日，由于外界气温骤降(见图1)，导致整个土壤剖面大幅降温，冻结锋出现大幅下移，直到2月下旬才出现回升趋势。由此也可以发现，外界气温与土壤温度间的关系较为密切。从2月下旬至3月中上旬，土壤处于解冻期，冻结锋直线上移，直至3月上旬土壤全部解冻，冻融期结束。

图2土壤冻结锋随时间变化曲线

Fig.2Changes in the soil frozen front over time

2.3土壤剖面温度随时间变化曲线拟合

经分析发现，冻融期各土层间土壤温度与对应深度间的关系可以用二次曲线拟合，且拟合精度较高。具体拟合结果见图3。

图3土壤温度与土层深度关系拟合曲线

Fig.3Fitting curves between soil temperature and depth

表2　拟合通式参数表

由表2发现，2013年2月24日通式中二次项系数b2为0，即此日土壤温度与对应深度呈现线性变化趋势，从11月15日至翌年2月15日，b2为负，即二次抛物线开口向下；自2月24以后，b2为正值，即二次曲线开口朝向。基于上述现象，笔者经过逐一拟合每日土壤温度与深度间的关系发现，当地整个冻融期土壤剖面温度随深度的变化具体可以分为三个阶段，具体见表3。

由表3可以看出，此三阶段拟合精度较高，结合冻融阶段划分原则可以发现，阶段一恰好处于冻结期，而阶段二处于冻结期与消融期的过渡阶段，阶段三则是处于消融期，由此可以得出，在当地冻结期及解冻期，土壤温度随深度变化可以采用精度较高的拟合公式定量描述。但是对于公式中的系数及常量的影响因素还有待于进一步研究。

表3　冻融期土壤剖面温度随时间分布特征

2.4冻融期土壤盐分随深度变化特征

为分析冻融期土壤盐分随时间变化特征，本研究将各地块每月取样的盐分值按各土层求取了平均值并绘图4。

图4中曲线分别以各地块开始实施膜下滴灌的年份命名，各地块冻融期盐分在剖面上的分布特征呈现出随深度的增加先增大后减小的趋势，四地块均在80 cm以下土层出现盐分累积现象，且累积层基本保持在90～120 cm范围内，其峰值分别为0.67%、0.54%、1.35%、0.84%，按新疆盐碱土分类标准[13]，含盐率值为0～0.3%为非盐化土，0.3%～0.6%为轻度盐化土，0.6%～1%中度盐化土，1%以上为重度盐化土。由此可知，试验区四地块盐分累积层中，除2001年地块属于轻盐化土外，其余各地块均呈现中度及重度盐化土。对比四地块发现，在0～80 cm土层中，冻融期土壤盐分随深度变化幅度较小，土壤含盐率较小且基本属于非盐化土壤。经

图4冻融期土壤剖面盐分均值分布图

Fig.4Distributions of salinity mean values in soil profile

分析认为，以上现象与土壤冻融有较为密切的联系。在整个冻融期，0～80 cm土体基本属于冻结层，土壤盐分与水分运动基本处于停滞状态。土壤在冻结过程中，盐分会在温度梯度作用下不断向冻结锋附近运移，由此可以推断，在土壤冻融过程中，处于冻结带中的土壤盐分随时间变化较小，且其值基本保持在0.3%以内的水平，属于非盐化土，这一特点尤其在上图0～60 cm土层范围内较为明显。而处于非冻结带的80 cm以下各土层，土壤温度较高，土壤水盐热运动比较活跃，导致这一土体范围内盐分大量聚集，聚集区域靠近冻结锋面。

结合土壤冻结锋线与土壤盐分运移特征分析认为，冻融期土壤温度对土壤盐分的分布运移起重要作用，处于0℃以上的土层中土壤盐分变化较为活跃。而由各地块土壤剖面盐分峰值的存在说明冻融期土壤中存在稳定积盐层，其深度基本位于冻结锋面以下土层范围内。

3结论

冻融期外界气温对土壤温度的影响随着深度的增加而减弱，在0.01的置信水平下，除160 cm外，外界气温与土壤温度间保持极显著相关关系。冻融期相邻土层间土壤温度保持高度相关性，其决定系数均大于0.8，且随着深度的增加，各土层间的决定系数逐渐减小。当地冻融期从2012年11月9日开始至2013年3月8日结束，长达120天，最大冻结深度约为80 cm。经研究认为，土壤冻融大致可以分为冻结带发育阶段，稳定冻结期及消融期三个阶段，且此三个阶段土壤温度与深度可以采用二次曲线较好拟合，且其精度较高。冻融期土壤剖面盐分呈现出随深度增加先增大后减小的趋势。在冻结锋所在的80 cm以上土层，土壤含盐率基本保持在0.3%左右的水平，属于非盐化土壤。而在80 cm以下土层，土壤存在稳定积盐层，其盐分值表现出中度及重度盐化土壤的特征。

参 考 文 献：

[1]李瑞平，史海滨，赤江刚夫，等.冻融期气温与土壤水盐运移特征研究[J].农业工程学报,2007，23(4):70-74.

[2]黄兴法，王千，曾德超.冻期土壤水热盐运动规律的试验研究[J].农业工程学报，1993，9(3):28-33.

[3]焦永亮，李韧，赵林,等.多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征[J].冰川冻土,2014,36(2)：237-247.

[4]张殿发，郑琦宏，董志颖.冻融条件下土壤中水盐运移机理探讨[J].水土保持通报,2005,25(6):14-18.

[5]Zheng Xiuqing, Chen Junfeng, Xing Shuyan. Infiltration capacity and parameters of freezing and thawing soil under different surface coverage[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(11):23-28.

[6]郑秀清，樊贵盛.土壤含水率对季节性冻土入渗特性影响的试验研究[J].农业工程学报,2000,16(6)：52-55.

[7]陈军锋，郑秀清，邢述彦,等.地表覆膜对季节性冻融土壤入渗规律的影响[J].农业工程学报,2006,22(7):18-21.

[8]尚松浩，雷志栋，杨诗秀.冻结条件下土壤水热耦合迁移数值模拟的改进[J].清华大学学报(自然科学版),1997,37:62-64.

[9]吴谋松，王康，谭霄,等.土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟[J].水科学进展,2013,24(4):543-550.

[10]宋存牛.冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究进展[J].冰川冻土,2010,35(5):982-988.

[11]李瑞平，史海滨，赤江刚夫,等.基于水热耦合模型的干旱寒冷地区冻融土壤水热盐运移规律研究[J].水利学报,2009,40(4):402-411.

[12]靳志锋，虎胆·吐马尔白，牟洪臣,等.土壤冻融温度影响下棉田水盐运移规律[J].干旱区研究,2013,30(4):623-627.

[13]新疆农业厅，新疆土壤普查办公室.新疆土壤[M].北京：科学出版社，1996：151-521.

Study on movement characteristics of soil temperature and salt during freeze-thaw period

ZHAO Yong-cheng, HUDAN·Tumarbay, MAHEMUJIANG·Aihemaiti, ZHU Dong-qiao,LI Hui, ZHAO Jing-hua, ZHU Hai-qing

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Abstract：The interaction between soil temperature and soil salt movement during the freeze-thaw period was studied in an indoor laboratory and the field. The results indicated that the effect of air temperature on soil temperature was decreased with the depth increased. Before the thawing period, soil temperature appeared an increasing trend with soil depth, but exhibited an opposite tread after thawing period. Correlation of soil temperatures between adjacent layers was significant at the 0.01 level (2-tailed), and the decision coefficient was larger than 0.8. The correlation of soil temperature became decreased with the depth. The duration of the freeze-thaw period reached a length of 120 days, and the largest depth of frozen soil was about 80cm. The frozen soil was completely thawed at the first ten-day of March. The whole freeze-thaw period could be divided into three stages: the first stage was frozen zone development, the second one was stable frozen stage and the third was the thawing period, which fitted accurately with the function. The soil salt content presented an increasing trend firstly, and then became decreased with depth. The value of soil salt content in frozen zone was about 0.3%, which belonged to the non-salinization soil. There was a stable salt accumulation layer at the depth of 80～120 cm, which presented the characteristic of moderately and severely salinized soil.

Keywords:cotton field, freeze-thawing, soil temperature, soil salt

中图分类号：S152.7

文献标志码：A

作者简介：赵永成(1987—)，男，青海省互助县人，硕士，研究方向为地下水及土壤水盐运移理论。 E-mail:1129811893@qq.com。通信作者：虎胆·吐马尔白(1960—)，男(哈萨克族)，教授，博导，主要从事地下水土壤水盐运移理论及节水灌溉理论研究。 E-mail:hudant@hotmail.com。

基金项目：国家自然科学基金(51469033)；自治区“十二五”重大专项(201130103-3)；新疆水利水电重点学科资助项目

收稿日期：2015-01-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.23

文章编号：1000-7601(2016)02-0141-05