季节性冻融期不同地表覆盖对土壤温度时空变化的影响

单小琴，郑秀清，陈军锋

(太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引 言

我国季节性冻土主要分布在东北、西北以及华北地区，且大多属于干旱、半干旱的水资源匮乏区[1]。土壤蒸发是水资源短缺的主要原因之一，有效地减少由土壤表面蒸发引起的土壤水分的无效散失愈发重要。近年来，农业生产中大多采用秸秆、地膜、干草、砂石和蒸发抑制剂覆盖等措施来减少地表水分蒸发。地表覆盖不仅具有抑制土表蒸发的作用，而且还具有调节土壤温度和改变土壤自然冻融过程[2-4]。国内外学者就不同地表覆盖条件下土壤温度的变化规律展开了深入的研究，Sharratt等[5]研究了不同地表覆盖措施对土壤冻结时间、速率和深度的影响。Flerchinger等[6]利用水热耦合迁移模型，分别模拟了不同覆盖物和植被条件下土壤中水热迁移和转化过程。Ji等[7]从地表覆盖物的类型以及覆盖量两个角度综合分析考虑，结果表明覆盖物类型对土壤温度影响显著，而地表覆盖量仅对耕作层土壤温度具有改善作用。夏自强等[8]对地膜覆盖下土壤中温度变化和热量迁移进行了研究，结果表明低温季节地膜覆盖对地温具有显著地增温作用。付强等[9]研究了秸秆覆盖量对不同深度处土壤温度的影响，表明土壤保温效果并非呈现单调递增或递减，秸秆覆盖明显地平抑表土层地温的变化。

地表覆盖减弱了大气与土壤的热交换，延缓了土壤冻结时间和深度，改变了土壤自然冻融过程。目前国内外对冻融期地膜或秸秆单一覆盖措施对土壤温度的影响做了较为详尽研究[10]，但是在冻融交替与地膜和秸秆多种覆盖措施下土壤热量迁移转化以及温度的时空变化研究较少。本文着重研究冻融期地膜和秸秆覆盖下耕作层以及耕作层以下土壤的热状况，定量分析不同地表覆盖下非饱和冻融土壤介质中土壤温度的时空变化特征，研究成果可为北方冬春季节土地利用及管理提供支持。

1 试验条件及方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省太谷、清徐和榆次三市的交界处的东阳镇，属于山西省农科院的实验基地。试验区面积为167 hm2，海拔799.4～804.6 m，地貌属于平川，土壤类型为壤质黏土，耕作层深度约20cm。试验区年均气温为9.7 ℃，年均降水量为430.2 mm，年均相对湿度62%，多年平均无霜期154 d，土壤最大冻结深度约为90 cm。试验期间(2013年11月1日至2014年3月30日)太阳总辐射为123 kJ/cm2，平均气温为-0.2℃。12月份最冷，月平均气温为-4.2 ℃。2月7日日内气温最低，为-13.2 ℃。试验期间日太阳辐射量和日平均气温变化特征如图1所示。冻融期裸地的土壤自然冻深曲线见图2，土壤最大冻结深度为53 cm。结合图1和图2将冻融期分为AB不稳定冻结期(11月10日-12月21日)、BC快速冻结期(12月22日-1月24日)、CD拟稳定冻结期(1月25日-2月16日)和DEF融化期(2月17日-3月31日)4个时期。

图1 试验期间日辐射量和日均气温变化特征曲线

图2 试验期裸地冻结与融化过程曲线

1.2 试验方法及方案

试验田地表覆盖措施分为裸地(LD)、地膜覆盖(DM)和秸秆覆盖(JG)3种处理。MD覆盖为0.1 mm的聚乙烯透明塑料薄膜；JG覆盖为玉米秸秆，长度为5～7 cm，厚度为12 cm，覆盖量为4 500 kg/hm2。试验田均为深耕休闲地，规格为4.5 m×4.5 m，各处理均设2个重复。试验田地温采用热敏电阻测定，测定深度为0、10、20、30、50、70、90 cm。整个冻融期的土壤温度共观测13次，每次观测时间为早晨9∶00。土壤冻结深度采用人工取土测定。

2 试验结果与分析

2.1 地表覆盖对土壤温度的影响

2.1.1 地表覆盖对耕作层土壤温度的影响

土壤剖面地温的离散程度可以用变异系数(Cv)来反映，Cv值越大，表明季节性冻融期土壤剖面地温的离散(变异)程度越大，反之离散程度越小。但是当温度出现负值时，变异系数就不能反映离散程度和变幅，所以0～20 cm土壤温度的变异系数不作讨论。

地表覆盖措施对土壤剖面地温的影响用绝对灰色关联度S表示。设x0={x0(k),k=1,2,…,n}为裸地土壤温度时间序列，xi={xi(k),k=1,2,…,n}为覆盖田块土壤温度时间序列，采用灰色理论建模系统6.0可得出两列数据之间的绝对灰色关联度S。S值越大，表明系列数据随时间变化态势保持一致，覆盖对其动态干扰度较低，反之则干扰程度较高。

由表1可知，DM与LD间耕作层土壤剖面地温的绝对灰色关联度S(0.615 6～0.946 9)整体高于JG(0.654 3～0.813 1)，

表1 耕作层土壤温度的统计特征

说明在整个冻融过程中，JG耕作层地温随时间的变化态势与LD相似程度较高，DM对耕作层地温的影响较大。地膜的反射率较小，土壤可接受较多的太阳辐射；同时由于膜下水汽含量高，水蒸气吸收太阳辐射热，从而减少了地面向大气的短波辐射，水汽温度升高，使地面土壤温度远高于LD和JG。

图3分别为冻融期LD、DM和JG耕作层0、10、20 cm处的地温变化曲线。从图3可看出，3种覆盖措施下耕作层的土壤在各深度土壤温度的变化曲线均呈先减小、后稳定和再增加的趋势。地面土壤温度与气温变化态势整体一致。由图3(a)可知，LD土壤温度变化较有覆盖的试验地块更为剧烈。快速冻结期，LD、JG和DM在0 cm处土壤温度平均分别为1.44、-0.63和0.8 ℃；稳定冻结期，LD、JG和DM分别为4.43、0.83和4.12 ℃；融化期，LD、JG和DM分别9.94、11.55和14.13 ℃。冻结期LD地面土壤温度最高，JG最低，DM介于两者之间。说明JG和DM的隔热作用减弱了地面与大气的热交换，阻挡了太阳的长波辐射，使地表土壤温度较低。同时JG比DM的导热性更差，所以DM地面土壤温度高于JG。

快速冻结期LD、JG和DM在10 cm处土壤平均温度分别为-3.73、-0.6和2.87 ℃；稳定冻结期LD、JG和DM分别为 2.1、0.25和5.09 ℃；融化期LD、JG和DM分别为2.79、1.64和9.89 ℃。说明快速冻结期JG和DM均对土层具有增温作用，且DM的增温效果比JG好。稳定冻结期和融化期JG地温比LD地温分别降低了1.85和1.15℃，DM分别增温2.99和7.1 ℃，说明稳定冻结期和融化期JG对10 cm土层具有降温效应，而DM具有明显增温效应。

冻融期JG和DM在20 cm处土壤温度平均比LD分别高0.22和0.77 ℃，说明整个冻融期JG和DM在20 cm处均对土层具有增温作用，但与10 cm土层相比，JG和DM增温效果较小。

对比图3(a)～图3(c)不难看出，随着土壤深度的不断加大，地温的变幅逐渐减弱，地温受外界环境的影响越来微弱。到了20 cm处，LD、JG和DM的土壤温度非常接近，在3月16日左右，各处理的土壤温度相差很小。

图3 不同地表覆盖下耕作层土壤温度变化曲线

2.1.2 地表覆盖对耕作层以下土壤温度的影响

图4分别为LD、JG和DM耕作层以下土壤在冻结和融化过程中土壤温度变化情况，耕作层以下土壤温度与耕作层变化相似，不同地表处理下各深度地温变化曲线均呈现减小、稳定和增大的趋势。由表2可知，JG和DM处理在30～90 cm范围内土壤温度的Cv值分别在1.67～0.85和1.58～0.75之间变化，两者均较LD(2.64～1.16)低，说明地表覆盖有效削弱了季节性冻融期耕作层以下土壤温度随时间的波动幅度，其中DM地块的土壤温度变幅小于JG。

由表2还可以看出，在30～90 cm范围内JG与LD间绝对灰色关联度S(0.981 2～0.996 7)，DM与LD间的绝对灰色关联度S(0.981 0～0.997 5)，但与耕作层土壤相比绝对灰色关联度较大，说明耕作层以下JG和DM土壤剖面地温的变化态势与LD整体上较一致，JG和DM对耕作层以下土壤温度的干扰程度较低。

2.2 地表覆盖下土壤温度的垂向变化规律

图5为LD、JG和DM三种处理下地温在不同冻融阶段的垂向变化曲线。由图5(a)可知，不稳定冻结阶段LD、JG和DM在0～20 cm的平均地温分别为3.38、3.83和5.36 ℃，JG和DM较LD提高了13.33%和58.47%，说明覆盖处理对耕作层0～20cm土壤温度具有显著增温效应。20 cm以下土壤温度随土壤深度的不断加深而逐渐升高。

表2 耕作层以下土壤温度的统计特征

图4 不同地表覆盖耕作层以下土壤温度变化曲线

进入快速冻结阶段[图5(b)]，各处理在0～40 cm土壤温度均低于0 ℃，且LD、JG和DM平均地温分别为-2.92、-1.20和-0.95 ℃，是由于这段时间气温迅速下降，地表因持续降温而低于深层地温，地温自上而下逐渐升高，地表土壤的热量向大气中散失，减小了土壤积蓄的热量，因此在0～40 cm范围内各深度地温均有所下降。

由图5(c)可知，LD和DM的土壤温度在0～20 cm变化较大，JG地温在0～90 cm变化平缓。LD和DM在0～20 cm土壤温度分别在-3.95～-1.71和-2.50～2.12 ℃之间变化，说明DM抑制了耕作层地温的降低，减弱了地面向大气的短波辐射。JG在0～20 cm地温变化在-2.00～-1.06 ℃之间，较LD地温的变幅减小了1.29 ℃，说明JG能平抑耕作层地温变化，JG的隔热作用阻挡了地面辐射，减少了土壤中热量散失。

进入2月份，气温迅速地回升，土壤进入了融化阶段，耕作层土壤的温度梯度向下，但在耕作层以下土壤的温度梯度依然向上。由图5(d)可知，融化期三种处理都在0～20 cm地温变化较大，LD、JG和DM在0～20 cm地温分别在3.15～12.26、1.92～10.10和3.96～12.74 ℃之间变化，JG和DM覆盖分别较LD地温的变幅减少了0.65和0.33 ℃。结果表明覆盖措施平抑了耕作层以下地温的变幅，秸秆覆盖温度的变化较LD和DM覆盖更为稳定。各处理土壤温度的极大值均出现在0 cm处，LD、JG和DM在0 cm处土壤温度分别为12.26、10.10和12.74 ℃，JG覆盖较LD降低了17.66%，而DM覆盖较LD升高了3.93%，说明气温升高过程中，JG抑制了地面温度的升高，DM提高了0 cm处的土壤温度，其原因可能是消融期，秸秆的导热性较差，阻碍了地面吸收来自太阳的长波辐射，减弱了地气间的热交换。而地膜具有透光作用，地面能吸收较多的太阳辐射，使得膜下的土壤温度较高。20 cm以下地温变化整体趋势为随土深的加大而逐渐升高，各处理的土壤温度基本上依DM、LD和JG顺序排列。

图5 试验期不同地表覆盖不同时期土壤温度的垂向变化曲线

3 结 语

(1)DM较LD具有增温作用，随土壤深度的加深DM对地温的提升作用逐渐微弱。JG对土壤热量的双向运动均有阻碍作用，冻结期气温处于持续下降的过程，JG对试验土层地温具有升温作用；消融期气温处于迅速回升的过程，JG抑制了试验土层地温的增加。

(2)耕作层JG与LD间绝对灰色关联度S(0.654 3～0.813 1)较DM(0.615 6～0.946 9)大，JG耕作层土壤温度随时间的变化态势与裸地相似程度高，DM对耕作层地温干扰程度较大；耕作层以下JG与LD间绝对灰色关联度S(0.981 2～0.996 7)，DM(0.981 0～0.997 5)，与耕作层相比绝对灰色关联度较大，说明耕作层以下JG和DM土壤剖面地温的变化态势与LD整体上较一致，JG和DM对耕作层以下地温的影响较小。

(3)整个冻融期，3种处理均在0～20 cm处地温变化较大，随土壤深度的加深地温的波动幅度逐渐减弱。快速冻结期JG和DM在冻结期对土层的增温效果较好，土壤温度0～20 cm地温变化情况为tDM>tJG>tLD；稳定冻结期JG对土层具有降温效应，DM对土层的增温效果很小；消融期DM和JG对耕作层地温增温效果较差，地温变化情况为tDM>tLD>tJG。20 cm以下地温受覆盖措施的影响较小，地温随土壤深度的增加而升高，土壤自身的导热特性和冻结期深层土壤的热储藏量对耕作层以下土壤温度变化起主导作用。

[1] 付 强,侯仁杰,王子龙,等.积雪覆盖下土壤热状况及其对气象因素的响应研究[J].农业机械学报,2015,46(7):154-161.

[2] 邢述彦,郑秀清,陈军峰.秸秆覆盖对冻融期土壤墒情影响试验[J].农业工程学报,2012,28(2):90-94.

[3] 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.

[4] 郑秀清,陈军锋,邢述彦,等.季节性冻融期耕作层土壤温度及土壤冻融特性的试验研究[J].灌溉排水学报,2009,28(3):65-68.

[5] Sharratt B S, Benoit G R, Voorhees W B. Winter soil microclimate altered by corn residue management in the northern corn belt of the USA[J]. Soil and Tillage Research, 1998,49:243-248.

[6] Flerchinger G N, Pierson F B. Modeling plant canopy effects on variability of soil temperature and water; Model calibration and validation [J]. Arid Environ, 1997,35(4):641-653.

[7] Ji S, Unger P W. Soil water accumulation under different precipitation, potential evaporation, and straw mulch conditions[J]. Soil Science Society of American Journal, 2001,65(2):442-448.

[8] 夏自强,蒋洪庚,李琼芳,等.地膜覆盖对土壤温度、水分的影响及节水效益[J].河海大学学报,1997,25(2):39-45.

[9] 付 强,马梓奡,李天霄,等.北方高寒区不同覆盖条件下土壤温度差异性分析[J].农业机械学报,2014,45(12):152-159.

[10] 白巴特尔,郑和祥,任 杰,等.寒旱灌区冻融期冬小麦不同覆盖条件土壤温度变化[J].水土保持研究,2015,22(6):134-137.