冻融期膜下滴灌棉田水盐时空动态特征研究

虎胆·吐马尔白，赵永成，马合木江·艾合买提

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所， 新疆 乌鲁木齐 830011)



冻融期膜下滴灌棉田水盐时空动态特征研究

虎胆·吐马尔白1，赵永成2，马合木江·艾合买提1

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所， 新疆 乌鲁木齐 830011)

利用经典统计学方法，分析了冻融期北疆地区常年滴灌棉田土壤水分、盐分时空动态变化特征。结果表明：在整个冻融期，裸地处理的含水率随时间变异性较覆膜处理大；在最大冻土深度(90 cm土层)附近，土壤盐分随时间变异剧烈，属于强变异性，变异系数高达1.1左右；在深度方向上，土壤含水率呈中等变异性，而土壤含盐率则呈强变异性；在整个冻融过程中，冻结带中盐分随时间和深度的变化幅度较小；冻融期土壤存在稳定盐分累积层，该累积层的深度在120 cm土层，且不受地表覆盖的干扰。覆膜对120 cm土层以下土壤盐分运移影响较小。

变异系数；冻融期；滴灌棉田；水盐；变化特征

季节性冻土中的水分运动作为自然界水分循环的一个重要环节，在农业、水资源及环境领域有着重要的地位。冻融循环引发了土壤结构的改变，导致土壤水盐的重新分配，影响土壤水分入渗和蒸发。国外对于冻融条件下土壤物理化学特征的研究进行的较多。Watanabe等[1]针对冻融土壤中微生物活性进行了研究，认为在土壤冻结过程中，土壤微生物活性随着温度的降低而降低，并且微生物的分布随着冻结带的发育而变化。P.P. Overduin[2]等利用土壤温度对热的反应原理测量了冻融条件下的热导率。Klas Hansson等[3]对于冻融土壤中水分及热运移问题进行了研究。还有学者认为[4-6]，冻土形成的过程对于土壤碳、氮的循环有着直接影响。新疆北疆地区的石河子市一直都是我国优质棉花生产供应基地，其所属的121团是我区最早实施棉花膜下滴灌的地区。长期以来，由于当地农业发展受土壤盐碱化及次生盐渍化问题的困扰，使得棉花产量和质量都受到不同程度的影响，长此以往，这一问题将会严重影响当地农业的可持续发展。而冻融作为诱发土壤次生盐渍化的一个重要因素越来越受到学者们的关注。因此，做好冻融期滴灌棉田土壤水盐的长期监测工作尤为重要。

近些年来，国内已经有许多学者针对生育期土壤水盐运移问题进行了大量研究并取得了许多成果。有学者针对干旱区膜下滴灌棉田水盐运移及分布特征进行了研究[7-10]，李明思等人[11-13]针对长期膜下滴灌棉田土壤水盐累积特征进行了长期监测，以分析土壤盐分随滴灌种植年限的变化。但是，对于冻融期滴灌棉田土壤水盐运移规律的研究工作进行的较少。新疆北疆地区地处我国季节性冻土区，每年冻融期长达5个月之久，最大冻土深度为80 cm左右[14]，因此，研究冻融条件下滴灌棉田土壤水盐运移及分布特征对于防治土壤次生盐渍化有重要意义。方汝林[15]就土壤冻结、消融期水盐动态进行了初步研究，分析了土壤冻结、消融期水盐运移的规律，提出了控制春季土壤返盐的措施。黄兴发等[16]对冻融期土壤水热盐运移进行了数值模拟，认为土壤冻融对早春土壤表层聚盐有重要作用，如果不采取措施，冻融期内聚集的水分将会在土壤融化后强烈蒸发，可能会引发早春土壤次生盐渍化。张殿发[17]等人对冻融条件下土壤水盐运移机理进行了研究，发现在土壤冻结期，盐分的运移和初始土壤含水率、土壤溶质浓度、盐分组成、土壤温度及热梯度等因素有关。而土壤温度是盐分运移的主要驱动力，它会使保持在冻结带中的盐分在消融期向土壤表层运移。李瑞平[18-19]等研究了冻融期温度与土壤水盐运移的关系，以及干旱寒冷地区土壤水盐的空间变异特征。郑秀清，樊贵盛等[20-21]针对土壤含水率及地下水埋深对于冻土入渗特性的影响进行了研究。靳志峰[22]等研究了冻融期滴灌棉田土壤水盐运移与温度的关系，及雪水入渗对水盐运移的影响。对于土壤水盐的时空变异性研究，李小昱[23]等人用经典统计方法计算了土壤含水率均值、标准差、变异系数等统计特征值,但该方法不能定量的描述土壤特性的空间变异性。徐英等[24]认为，夏灌前和秋浇前土壤盐分均属中等变异性，两个时期水分和盐分都具有空间自相关性。雷晓云等[25]研究发现，不同深度平面上，土壤含水率的变异大小不仅与所处土层深度有关而且与施测的时间有关。王树仿等人[26]针对膜下滴灌水分的时空变异规律进行了研究。近些年，地统计学在土壤特性空间变异研究中得到了广泛的应用，V. A. Sidorova等[27-28]利用地统计学方法分析了土壤、作物及地下水等因素的空间变异性。徐英[29]等研究发现，土壤水盐的各向异性特征在实验区或与之相似的地区可以简化为各向同性，此方法能简化分析计算的过程。李敏等人[30]利用经典统计学、地统计学及相似理论研究了在不同尺度网格下膜下滴灌棉田土壤水盐的空间变异性。本研究通过对越冬期新疆石河子垦区滴灌棉田水盐的动态监测，利用经典统计学理论，定性分析冻融条件下，土壤中水分和盐分随时间及空间的动态变化特征，以便使当地农民采取合理措施，为防治早春土壤次生盐渍化提供参考依据。

1　材料与方法

1.1试验区概况

本试验在新疆石河子市农八师121团进行，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 h，无霜期平均为167 d，具有典型的大陆性荒漠气候的特点。本试验田土壤质地自地表以下依次为粉沙壤土、粘土和砂粘壤土，0～30 cm为粉沙壤土，土壤平均容重1.40 g·cm-3，30～100 cm土层为粘土，平均容重为1.27 g·cm-3，100～150 cm土层为砂粘壤土，平均容重为1.33 g·cm-3。

1.2试验方法

本试验实施时间为2012年11月22日至2013年3月24日。试验地块为滴灌年限12年(2001年开始实施膜下滴灌灌水模式)的棉田。试验于2012年11月22日(即下雪前)在棉田中央选地，地块覆盖一张10 m×10 m的塑料薄膜用以阻隔积雪(M处理)，并在薄膜旁边选取一块10 m×10 m的裸地作为对照处理(L处理)，每个处理设三个重复。取土时间为2012年11月22日、2012年12月18日、2013年1月12日、2013年3月1日、2013年3月10日、2013年3月14日、2013年3月17日、2013年3月20日、2013年3月24日，共计9次；取土深度为10、20、40、60、90、120、150 cm七个土层。每个处理设一个取样点，取样点均位于小区中心位置，每个处理采用相同的取样方式。每次取样后利用烘干法测出土壤的质量含水率(smc)(温度105℃下烘8小时左右)，质量含水率的计算公式如下：smc=(湿重-干重)/干重×100%。然后将烘干土样磨碎、过筛，按水土比5∶1(蒸馏水90 ml，土18 g)制取土壤浸提液，利用DDS-307型电导率仪测定溶液的电导率，然后换算成土壤总含盐率。换算公式为：Y=0.0006X-0.0282(R2=0.9486)。

2　结果与分析

2.1冻融期含水率、含盐率随时间变异性

变异系数CV的大小反映了随机变量的离散程度，及土壤特性空间变异的大小。一般对变异系数CV值的评估[30]，当CV≤0.1时，称弱变异性，0.1≤CV≤1.0为中等变异性，CV>1.0为强变异性。为了分析冻融期含水率及含盐率随时间的变异性，这一部分在分析数据时，将同一土层，不同时期的观测数据作为样本数据，得出其变异系数CV值，处理结果如图1(a)、图1(b)所示。

图1含水率及含盐率随时间变异系数

Fig.1Moisture and salinity coefficients of variation over time

在整个冻融期，各土层含水率随时间的变异系数随深度的变化比较明显图1(a)。两处理中，CV值的整体变化趋势一致。各土层含水率随时间的变异系数CV值，L处理的皆大于相应深度M处理的值，这可能是由于M处理中薄膜对积雪的阻隔作用及保温隔热作用导致的。两处理分别在60 cm、150 cm处出现变异系数峰值，峰值CV值都小于0.5图1(a)，故两者都呈现中等变异性。峰值的出现说明，在整个越冬期内，60、150 cm土层中，样本数据比较离散，含水率随时间变化最为明显，且各监测时间点的含水率值差异较大。90 cm以下土体，含水率CV值呈现出随深度的增加而增大的趋势图1(a)。据靳志峰等[14]人研究发现，当地冻土深大约为80 cm左右。由此可以判断，90 cm以下土层为非冻层，说明在冻结带下界面以下的土壤中水分随时间变异性会随深度的增大有增大趋势。而由图1(b)含盐率随时间变异系数图可知，L处理和M处理中，含盐率CV值整体变化趋势相同，分别在90 cm土层出现峰值，峰值高达1.1左右，呈强变异性。这可能是因为90 cm土层恰好位于冻结土体的下界面附近。在土壤还未达到当地冻土深度时，非冻层的水分在温度梯度作用下向冻结带运移，而相对于80 cm的冻土深度而言，90 cm土层是土壤水盐向上层土壤运移的必经土层；当冻结带发育停滞后，大量盐分聚集在冻结层下界面，即90 cm土层附近；当土壤开始消融后，冻结带中的水盐又呈现上渗-下渗型运移态势，下渗部分的水分同样首先经过90 cm土层向下运移，而水分是盐分运移的载体，因此，这一土层的土壤盐分在消融期又出现较大变化。同时，试验区春季气温回升速度较快，土壤蒸发强烈，会出现潜水蒸发的可能，使得下面土体中的水盐再度在外界蒸发作用下出现上移现象，以上因素综合作用下，导致在整个冻融期这一土层盐分变化较为剧烈。而在除90 cm土层以外的土壤中，含盐率随时间的CV值随深度变化较小，CV值都在0～0.5范围内，属于中等变异。60～150 cm土层中呈现出M处理的含盐率CV值大于L处理的趋势，这与含水率CV值的变化趋势刚好反，这可能与土壤温度有关。在冻融期，温度是土壤水盐运移的主要驱动力，然而，由于塑料薄膜的存在，使得M处理土壤温度较L处理相应土层的高，因此，才会导致M处理中盐分变化较L处理活跃的现象。

2.2冻融期含水率、含盐率在铅垂方向的变异性

为分析土壤水盐在深度方向的变异性，本试验在数据处理时，将同一取样点的土壤含水率及含盐率值进行了方差分析，得出其变异系数CV值，处理结果见图2(a)、图2(b)所示。

图2土壤含水率及含盐率在铅垂方向变异系数

Fig.2Coefficients of variation characteristics of soil moisture and salt along vertical direction

由图2(a)含水率在铅垂方向变异系数图可知，含水率在深度方向的变异系数CV值皆为0.1≤CV≤0.6，因此，含水率在深度方向上呈现出中等变异性。从2012年11月22日到2013年3月1日，L处理的含水率CV值呈现出随着时间的推后而有增大的趋势，M处理的含水率在深度方向的变异性较小，其CV曲线几乎与水平轴平行,这可能与土壤冻融机理有关。在土壤冻结带发育的过程中，由于薄膜的保温隔热作用，使得M处理的冻融速度较L处理的小，因此，在同一时间，L处理的CV值大于M处理的。而在2013年3月1日到3月24日期间，L处理CV曲线的变化幅度大于M处理，这可能是由于这一时段外界气温变化导致的。试验区在这一时段气温上升较快，外界蒸发作用强烈，加之在消融阶段出现的交替冻融，使得这一时段含水率在深度方向变化较为剧烈。

由图2(b)含盐率在铅垂方向变异系数图可知，随着观测时间的推后，盐分在深度方向的CV值有增大的趋势，相比之下，L处理的CV值曲线较M处理的变化幅度大。说明两处理中，L处理的盐分在深度方向上的变化更显著，这可能与冻融期积雪及土壤温度变化有关系，温度梯度的大小直接影响水分运移的速度，间接地影响到了盐分在土壤中的变异程度。图2(b)中，含盐率的CV值大多在1.0以上，因此，在冻融期，盐分在深度方向呈现出强变异性。

2.3冻融期土壤水盐变化趋势

图3(a)、图3(b)为冻融期土壤含水率变化图，由图可知，在铅垂剖面上，L处理和M处理的含水率变化趋势相同，都呈现出随深度的增加先减小，后增大，再减小的趋势，相应的含水率峰值大都出现在表层10 cm和120 cm土层。在10 cm土层中，各时期平均含水率值L处理的含水率要比M处理的大，其平均值分别为18%、14%。这可能是由于积雪融化后，融雪水入渗补给导致的。而在120 cm土层出现含水率峰值，这可能是土壤冻结和消融共同作用的结果。因为在土壤冻结期，下层土壤水分在水势梯度的作用下不断向冻结层运移，当达到最大冻土深度以后，下层非冻结土壤中的水分会聚集在冻土深度(即80 cm)以下的土体中，而120 cm土层恰好位于这一土体。当土壤进入消融期后，冻结带下界面的土壤水分呈下渗型运移特征，这使得位于冻结层以下的120 cm土层中出现了含水率峰值。

图3(c)、图3(d)为冻融期每一观测日土壤含盐率变化图，由图3(c)、图3(d)可以看出，L处理与M处理的含盐率在深度方向的变化趋势与幅度基本相同，在0～90 cm各土层，各观测期的含盐率值在深度方向上相差不大，都呈现出随深度的增加曲线基本与纵轴平行，且含盐率值较低，皆保持在2 g·kg-1范围内。由前面分析可知，这一土体属于在冻结带范围内，由此可以推测，在整个冻融期间，冻结带中的盐分随深度和时间变化幅度较小。由图3(c)、图3(d)可以看出，两处理都在120 cm土层出现了各观测期的峰值，在这一土层，覆膜处理的含盐率的最大值与最小值(12、4.97 g·kg-1)都比裸地处理的(9.8、2.6 g·kg-1)大。一方面，峰值出现在120 cm土层这一现象可以说明，在冻融期，120 cm土层是土壤盐分稳定积聚区，且这一峰值区并不随时间而改变，这同时也说明，在相同的条件下，不同处理方式(覆膜与裸地)并不影响盐分在冻融期积聚区的分布。另一方面，由120 cm土层的覆膜处理的最值皆大于裸地处理这一现象可以看出，两处理在含盐率大小上还是有一定的差异，但这种差异究竟是不是由于覆膜而导致的，这一问题有待于在今后的研究中进一步去求证。

图3全观测期土壤含水率、含盐率变化

Fig.3Changes of soil moisture and soil salt during the whole period of observation

由图3可以发现，不论是土壤含水率还是含盐量，都在120 cm土层出现了峰值，并且在整个冻融期内其峰值出现的位置并不随时间变化，都稳定在120 cm土层中。

3　结　论

1) 全观测期含水率随时间的变异性发现，裸地处理的含水率随时间变异系数都较覆膜处理的大，说明在相同条件下，裸地处理更容易受外界融雪及外界气温等因素的影响。但由于冻融期水分及盐分在土壤中的运移受土壤结构、初始含水率、含盐率及温度等各种因素的影响，对这些因素对冻融土壤水盐运移的作用机理，有待于在后期试验中做进一步研究。

2) 全观测期中，裸地处理和覆膜处理含盐率随时间动态变异系数都在90 cm土层出现峰值，呈强变异性。而除90 cm以外的其他土层，含盐率随时间动态变化呈中等变异特征,变幅较小。在冻结带的下界面附近，土壤盐分运移活动较活跃。

3) 含水率随深度变化呈中等变异性，而含盐率呈强变异性，这说明在深度方向上，含盐率变化要比含水率变化复杂。

4) 在整个冻融期内，处于冻结带中的盐分随时间和土层深度的变化较小，含盐率大多在2 g·kg-1的范围内。120 cm土层为整个冻融期内盐分稳定累积层。覆膜对于冻融期盐分累积层的分布没有影响，但对累积层中的盐分值的大小有影响。

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Study on spatial and temporal variabilities of soil moisture and salt during freeze-thawing period in cotton field with drip irrigation

Hudan Tumarbay1, ZHAO Yong-cheng2, Mahemujiang Aihemaiti1

(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052, China;2.XinjiangEcologyandGeographyInstitute,ChineseAcademyofSciences,Urumqi,Xinjiang830011,China)

The coefficient of variation of the classical statistics was used to analyze the spatial-temporal dynamic variability characteristics of soil moisture and salinity content in the cotton field of Shihezi district in Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. The results indicated that during the whole freezing and thawing period, for all soil layers, the coefficient of variation in soil moisture with bare land treatment (L) was higher than that with the mulching treatment (M). At the maximal depth of frozen soil layer around 90 cm, soil salinity exhibited strong variability with a coefficient of variation up to 1.1. Soil content demonstrated moderate variability in the vertical profile, and salinity content presented strong variability. During the whole freezing and thawing period, changes of salinity in frozen zone varied little with both bare land and mulching treatment, the 120 cm soil layer was stable for salinity accumulation, indicating that mulching had no significant effect on the layer beneath 120 cm. The results in this paper could be considered as a theoretical basis for prevention of the secondary salinization in soil, which would be conducive to the sustainable and safety use of the local farmland.

coefficient of variation; freeze-thawing period; cotton field with drip irrigation; soil moisture and salinity

1000-7601(2016)05-0269-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.41

2015-05-15

国家自然科学基金(51069033)；自治区地方公派出国留学成组配套项目

虎胆·吐马尔白(1961—)，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。 E-mail:hudant@hotmail.com。

S152.7

A