冬灌对冻融期干旱区荒漠绿洲农田土壤水热状况的影响

李 晶，何志斌，杜 军，陈龙飞，蔺鹏飞，朱 喜，房 舒，赵敏敏，田全彦

（1. 中国科学院西北生态环境资源研究院临泽内陆河流域研究站，中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，兰州 730000；2. 中国科学院大学，北京 100049）

0 引 言

中国季节性冻土面积占陆地面积的53.3%，主要分布在干旱、半干旱水资源短缺的东北、华北及西北地区[1]。在全球气候变化背景下，季节性冻土的变化不仅会通过土壤水热平衡反馈到区域乃至全球气候系统，同时也会影响陆地生态系统的物候、生产力、保水能力等[2]。冻融作用可有效抑制土壤热量散失、减少蒸发量、增加土壤墒情[3]，对缓解农田土壤水资源短缺及促进作物生长具有积极的作用；反复的冻融交替可显著改善土壤结构、增加表层土壤盐分的积累、改变生物活性和腐殖质的浓度[4]，在一定程度上影响着作物的生长发育。同时，人为干扰因素对土壤的冻融过程及土壤水热环境的变化具有重要的影响，如冬灌可缓冲土壤温度的剧烈变化，延缓土壤冻结时间[5]。

土壤水分作为生态系统中能量和物质循环的主要载体，是决定生态系统结构与功能的关键因子[6]，尤其对于干旱、半干旱地区是影响其系统生产力的重要生态组成部分，而土壤的冻融循环必然会伴随着土壤水分传递过程。同时，土壤水作为地表水和地下水的联系纽带，在地下水转化和消耗过程中起十分重要的作用，冻融期地下水能得到一次集中补给，冻融期地下水补给量及其补给特点与非冻结期有显著差异[7]。由此可见，季节性土壤冻融循环过程是地气系统能水循环的重要环节，与地表活动层能量平衡密切相关。因此，研究冻融期土壤水分分布规律对准确评价冻融期土壤水资源具有重要现实意义。

黑河流域是中国的第二大内陆河流域，是典型的灌溉农业绿洲区，绿洲和荒漠两大景观单元镶嵌分布且相互影响，具有景观格局复杂、土地利用多样化的特征。近几十年来，随着经济迅速发展和人口急剧增长，干旱地区大面积的荒漠开垦为新农田，提高了干旱区的总体生产力和承载力。但由于荒漠土壤开垦及随后的农业利用，必然会导致土壤性状和生态过程随开垦年限而发生显著变化，因而干旱区边缘绿洲农田土壤结构、土壤物理性质以及冻融期土壤水热特征仍然需要开展详实的相关研究。目前，冻融期土壤水热的研究大多是从农业生产角度揭示越冬期土壤冻融过程中水分、盐分和温度迁移特征[8-9]，而针对冬灌引起农田水热变化和深层渗漏的研究仍显不足。因此，本文立足黑河中游绿洲灌溉农业区，以荒漠绿洲过渡带开垦年限不足20 a的新垦沙地农田土壤（灌耕风沙土）[10]及绿洲区开垦年限大于50 a的老绿洲农田土壤（灌耕灰棕漠土）[11]为研究对象，探究2种不同开垦年限的农田冬灌后越冬期土壤水热变化规律，旨在揭示农业生产活动对土壤水热资源过程及农田生态系统水量平衡的影响，以期为荒漠农田水分管理提供理论借鉴。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验布设在中科院临泽内陆河流域研究站（39°14′～39°24′N，100°02′～100°21′E，海拔 1 350～1 400 m），位于黑河中游河西走廊中段临泽县北部边缘绿洲地区（图1a），属于典型的温带大陆性干旱荒漠气候，年均气温7.6 ℃，年均最高温为 39.1 ℃（8 月），年均最低温为–27 ℃（1月）；多年平均降水量为117 mm（1965～2010年），降水主要发生在7-9月份；年均蒸发量2 390 mm，年均无霜期为 165 d，初霜期一般在 10月上旬至中旬；农田区域地下水位介于4～6 m。土壤母质主要为第四纪砂砾洪积-冲积物。土壤类型有黑河沿岸分布的绿洲潮土和灌淤土，以及绿洲边缘由荒漠土开垦后长期灌溉耕种形成的灌耕灰棕漠土和灌耕风沙土[12]。由于开垦年限不同，形成熟化程度各异的沙地灌溉农田，土壤砂粒含量高、有机质含量低、持水性能低是其主要特征[13]。

1.2 试验设计

供试土壤分别取自荒漠边缘新开垦的沙地农田（开垦年限20 a左右）及荒漠边缘西南向老绿洲农田（耕作历史大于50 a）（图1a），土壤类型分别为灌耕风沙土（新成土）和灌耕灰棕漠土（灌漠土）（第二次全国土壤普查），土壤物理特性如表1所示。试验采用原状土柱模拟，2种土质均按大田原状土容重分层回填至铸铁柱体内，每种土质3个重复（图1b）。土柱深200 cm，长宽均为100 cm；每个土柱均装有2套Em50（Decagon, USA）共10个监测探头，埋设深度从地表往下依次为 10、20、40、60、80、100、120、140、160及180 cm共10层，数据采集步长设置为30 min；土柱底部铺设一层10 cm厚的砂石过滤层（图1b），每个土柱底部滤液出口处设有渗漏水收集装置，灌水后对渗漏量和渗漏速率变化做详细记录。

图1 试验区概况图和土柱剖面示意图Fig.1 Experimental zone and soil profile of column

试验场于 2015年 9月建成并完成土柱安装工作，2016年4月至10月种植玉米，2种土质均采用相同的灌水和施肥处理，土柱内的土壤特性基本处于稳定状态。于 2016年 10月 31日进行冬灌模拟试验，灌水量均为160 mm，灌水时土柱均为覆膜留茬状态。灌水后土柱由饱和状态开始排水，排水结束直至水分分布处于稳定状态开始采集数据。试验观测时间为2016年11月11日至2017年3月11日，历经季节性土壤冻结期和融化期。采集数据指标为土壤含水量、土壤温度。

表1 测试土壤物理特性统计Table 1 Statistics of physical properties of tested soil

1.3 土壤贮水量计算

土壤贮水量指一定土层厚度的土壤含水量，研究土壤贮水量变化特征在一定程度上可反映出冻融期土壤水分迁移的特殊规律[14]，其计算式如式（1）。

式中W为土壤贮水量，mm；

W体为土壤体积含水量，%；

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h为土层厚度，cm。

1.4 土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线能反映土壤基质势和土壤含水率之间的函数关系，间接反映土壤孔隙大小，表征土壤持水性能[15-16]。本文采用van-Genuchten模型（v-G模型）模拟灌耕风沙土和灰棕漠土的水分特征曲线，计算式如式（2）。

式中，θr为残留含水率，cm3·cm–3；

θs为饱和含水率，cm3·cm–3；

α 为与进气值相关的参数；

h 为压力水头，cm；

m、n为经验拟合参数，m = 1–1/n。

van Genuchten等[17-18]编制的 RETC软件可获取van-Genuchten模型相应的 5个参数 θr、θs、α、n和 KS值，并拟合出土壤水分特征曲线。

1.5 数据处理

2 结果与分析

2.1 土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线与土壤质地、结构和孔隙等土壤物理特性密切相关，新、老绿洲农田土壤水分特征曲线之间存在明显的差异（图 2、表 2）。新绿洲农田土壤饱和含水量相对较高，负压在0～100 cm区间曲线斜率高，含水量下降速度快，迅速接近残留含水量，300～600 cm水头压力下的土壤含水量保持稳定。新绿洲农田土壤砂粒含量高，土壤孔隙度大，导致其饱和含水量高于老绿洲农田土壤，但是老绿洲农田土壤黏粒含量高，具有较强的颗粒吸附能力，使老绿洲农田土壤具有较高的残余含水量。

图2 土壤水分特征曲线Fig.2 Soil water retention curves

表2 土壤水分特征曲线参数Table 2 Parameters of soil water retention curve

2.2 冻融期土壤水分时空动态变化过程

如图 3所示，冻融期土壤水分随土层深度的增加其变化幅度逐渐减弱，新垦绿洲农田在0～100 cm土层内水分变化较为明显，而老绿洲农田则在0～60 cm变化明显。为了便于分析不同层土壤水分动态变化趋势，根据土壤含水量随土层深度的变化特征，将土壤层自上而下划分为3层：浅层（A）、中层（B）、深层（C）（图3）。

浅层（A）：将厚度为0～40 cm划分为浅层，是土壤水分随时间变化差异较大的区域，也是深层土壤水分的重要补给层。该层土壤水分部分蒸发到大气中，部分下渗至深层土壤，另一部分则贮存于土壤中，并在冻结期以固态形式存在。由于该层土壤受大气影响较大，土壤未冻水含量维持在相对较低水平。由土壤贮水量可知（表3），2种农田土壤贮水量均于1月份达最低水平，4月份土壤完全融化后基本恢复至冻结前水平。土壤融化后新、老绿洲农田浅层土壤贮水量分别为70.2和83.6 mm，冻融前后土壤水分分别降低1.8%和8.7%。

中层（B）：将厚度为40～100 cm划分为中层，是土壤完全冻结区和未冻结区域的过渡带，为翌年作物播种起到水分补给作用。由于中层土壤受大气环境的影响减弱，土壤未冻水含量随深度的增加而增大，如图3所示。2种农田土壤贮水量变化范围较浅层减小，如新、老绿洲农田土壤贮水量分别在64.3～91.8 mm和146.0～164.8 mm的范围内变化（表3），但前者贮水量低于后者48.5%。

深层（C）：深度100～200 cm的土壤层中，含水量随时间变化保持着相对稳定的状态，且在重力作用下土壤水分主要积聚在深层剖面中。从表 3可以看出，新、老绿洲农田在这一层的土壤含水量变幅较小，月平均土壤贮水量分别为191.4 mm和195.6 mm，主要功能是把上层土壤中水分传输至下层土壤。

2.3 冻融期土壤温度时空动态变化过程

冻融期平均气温为–4.16 ℃，日平均最高气温及日平均最低气温分别 5.09 ℃和–13.4 ℃（图 4）。由土壤温度时空变化过程可知，土柱表层土壤（0～40 cm）易受气温变化的影响，土壤等温线较为密集，随土层深度的增加受气温影响逐渐减弱，等温线较为稀疏（图 5）。对于不同农田土壤而言，各个土层老绿洲农田土壤温度均高于新垦绿洲农田。由土壤 0 ℃等温线可大致推测土壤冻融情况，即11月23日起新、老绿洲农田10 cm处土壤温度分别降至–0.75 ℃和–0.32 ℃，进入冻结阶段；11月23日至12月11日，由于气温回暖，土壤处于不稳定冻结阶段，冻结强度低；随着气温的逐渐降低，土壤的冻结过程线逐渐向下迁移，冻结深度逐渐加深，于翌年 1月28日冻结深度达到最大，新、老绿洲农田最大冻结深度分别达105和74 cm，历时分别为67 d、68 d。随后，随太阳辐射的增强及气温的回升，土体开始逐渐融化，新、老绿洲农田分别于2月10日和2月23日相继全部融化，其融化过程分别历时12 d和26 d（图5）。

图3 土壤水分时空变化过程Fig.3 Spatiotemporal variation of soil moisture.

表3 土壤贮水量Table 3 Soil water storage

图4 冻融期气温变化过程Fig.4 Air temperature curves during freezing and thawing period

图5 土壤温度时空变化过程Fig.5 Spatiotemporal variation of soil temperature.

2.4 深层渗漏

160 mm的冬灌定额导致新、老绿洲农田均有不同程度的渗漏损失。老绿洲农田渗漏损失量为(9.2 ± 3.9)mm，而新垦绿洲农田渗漏损失量达到(38.1 ± 12.7)mm，是老绿洲农田的4.1倍，表明老绿洲农田持水能力强于新垦绿洲农田（表4）。

表4 渗漏损失量Table 4 Deep leakage loss

3 讨 论

冻融过程中土壤因吸收与释放太阳辐射热量而发生水热传输、水分相变、盐分积累等一系列复杂自然过程[19]，详细探求冻融土壤的水热分布特征及空间运移规律，对合理利用土壤水热资源，科学制定春播制度具有深远意义。本研究发现，冻融期内新、老绿洲农田土壤温度的日变化和季节变化与大气温度变化同步，尤其是表层土壤（0～20 cm）受太阳辐射的作用较强，与大气进行能量进行交换形成的周期性日变化较深层土壤明显。降温阶段老绿洲农田土壤温度高于新垦绿洲农田，升温阶段则低于新垦绿洲农田，且老绿洲农田消融历时（26 d）大于新垦绿洲农田（12 d）。一方面，由于砂粒对土壤热扩散性的贡献率高于粉粒和黏粒[20]，新垦绿洲农田砂粒含量较高，对大气温度变化较老绿洲农田敏感；另一方面，由于水的比热容较大，冻结时可延缓土壤温度下降[4]，融化时又可抑制土壤温度的升高[21]。因此，尽管新垦绿洲农田在0～60 cm土层砂粒含量高于老绿洲农田，但冬灌后由于老绿洲农田土壤含水量高于新垦绿洲农田（图3），因而整个剖面上土壤温度时空变化差异显著（图 5），并且老绿洲农田表现出冻结阶段保温及融化阶段抑制升温的生态效应优于新垦绿洲农田，这既能保持土壤水分，又能抑制剧烈升温，避免出现倒春寒使作物受冻害。再者，土壤温度梯度也会驱动土壤水分的迁移，但是随着土壤深度的增加，土壤与环境之间能量交换逐渐减弱[4]，可见季节性冻融土壤中的水分和温度存在较强相互的影响与制约关系。而冻融过程其水分变化深度范围与其土壤 0 ℃等温线变化区间相吻合再次证实了这一结论（图3，图 5）。

农田冬灌水只有很少一部分消耗于土壤蒸发，大部分以固态冰形式贮存于土壤中，翌年消融后可为作物提供良好的土壤水分条件，起到蓄水保墒作用[8,22]。本研究发现冻融前后新、老绿洲贮水量降幅表现出明显的差异，土壤完全融化后 0～200 cm土壤剖面贮水量分别降低3.8%和3.6%，新垦绿洲农田土壤贮水量低于老绿洲农田21.3%；研究还发现，新垦绿洲农田浅层（0～40 cm）土壤贮水量降低1.8%，老绿洲农田则降低8.7%，但该层新垦绿洲农田土壤贮水量低于老绿洲农田 16%，为保证春播作物正常出苗新垦绿洲农田需考虑补充灌溉。荒漠绿洲化进程中，开垦年限较大的老绿洲农田呈现出较高的黏粒含量和有机质含量[17,21]，而新开垦沙地农田土壤为沙土，有机质含量极低[13]，因为黏粒具有比表面积大、吸附性强的特点，利于水分的存储[24]，是影响土壤持水性的主要因素[25-26]。苏永中等[12]研究也认为，土壤细粒组分（黏粉粒）与土壤田间持水量、土壤有机质含量呈极显著正相关关系。本研究中，老绿洲农田土壤对水分子束缚力较大，吸附在土颗粒上不易冻结的强结合水较多，土壤贮水量显著高于新垦绿洲农田。

土壤质地（颗粒组成）决定了土壤的持水性能，并影响土壤水分迁移、再分布以及在土壤中的滞留时间[6]。本研究发现，新、老绿洲农田土壤水分时空分布特征及深层渗漏损失量具有显著性差异。冻融期内新垦绿洲农田在0～100 cm土层内水分变化较为明显，而老绿洲农田则在0～60 cm变化明显；并且冬灌定额为160 mm时导致新垦绿洲农田深层渗漏量是老绿洲农田的4.1倍，老绿洲农田对冬灌引起的深层渗漏具有更有效的抑制作用。杨荣[27]研究发现，冬灌后（灌水定额为150 mm）边缘绿洲新垦沙地农田140～160 cm和240～300 cm土层土壤含水量显著增加，而旱耕人为土农田（老绿洲农田）0～100 cm土层土壤含水量增加较为明显，100～200 cm土层则变化较小；研究还发现随着冬灌灌水量的增大，新垦绿洲农田较老绿洲农田易发生深层渗漏和NO3–-N淋溶，引起地下水硝态氮污染，进一步印证了冬灌对于新垦绿洲农田“蓄水保墒”作用效果并不明显。另外，根据水量平衡方程可粗略估算出该研究区域沙土农田玉米生育期内灌溉水通过深层渗漏损失量近 50%，而沙壤土深层渗漏损失量在15%左右[12]（玉米的蒸散量为591～670 mm）。

此外，近10 a来，该区域连续种植玉米，普遍采用漫灌方式，玉米农田施氮量在250～400 kg/hm2之间[28]，且由于新垦沙地农田土壤肥力低，保水保肥性能差，为干旱区绿洲灌溉耗水和化肥施用最大的区域。而冬灌定额为150～200 mm之间的大田漫灌容易引起深层渗漏[27]，并极有可能将土壤中残留的硝态氮通过深层渗漏淋溶至地下水，诱发地下水硝酸盐污染，对农业生态环境和人类健康造成一定危害。因此，建议新垦沙地农田减少冬灌定额或免冬灌以此保证灌溉水资源的优化利用并减少农田氮素的淋失。

综上所述，黑河中游荒漠绿洲过渡带不同开垦年限的农田土壤水热变化对季节性冻融过程有不同的响应。新垦绿洲农田有近50 a的耕种历史，耕作层土壤有机质和养分含量有一定的积累，但土壤砂粒含量高、有机质含量低、持水性能差是其主要特征，而老绿洲农田由于长期的农业耕作导致土壤结构与肥力水平逐渐改善，其“蓄水保墒”的生态效应优于新垦绿洲农田。此外，冬灌定额为150～200 mm之间的大田漫灌对于新垦绿洲农田而言，容易发生深层渗漏及农田土壤氮淋溶损失，造成水资源浪费和地下水硝酸盐污染。因此，针对土壤质地差异实施动态的冬灌策略以及改善土壤结构、培肥土壤是干旱区水土资源开发、生态与环境保护与协调的有效途径，并将成为今后的研究重点。

4 结 论

1）翌年土壤完全融化后，0～200 cm 及浅层（0～40 cm）土壤剖面老绿洲农田土壤贮水量均高于新垦绿洲农田，为保证春播作物正常出苗新垦绿洲农田需考虑补充灌溉。

2）在干旱荒漠绿洲区，冻融期新垦绿洲农田最大冻结深度（105 cm）高于老绿洲农田（74 cm），新垦绿洲农田冻结深度对大气温度变化较老绿洲农田敏感；降温阶段老绿洲农田土壤温度高于新垦绿洲农田，升温阶段低于新垦绿洲农田，老绿洲农田冻结阶段保温及融化阶段抑制升温的生态效应优于新垦绿洲农田；老绿洲农田消融历时（26 d）大于新垦绿洲农田（12 d），新垦绿洲农田消融历时短不利于春季土壤水分的保持。

3）冬灌灌水量为160 mm时导致新垦绿洲农田深层渗漏量是老绿洲农田的4.1倍，老绿洲农田具有比新垦绿洲农田更高的持水性能，对冬灌引起的深层渗漏具有更有效的抑制作用。

开垦年限较长的老绿洲农田其“蓄水保墒”和抑制深层渗漏的生态效应优于开垦年限较短的新垦绿洲农田，针对荒漠绿洲过渡带土壤质地差异应该实施动态的冬灌策略以保证灌溉水资源优化利用。

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