冻融期不同地表覆盖模式对土壤水分的影响

李 慧，靳志锋，岳胜如

(1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 83300；2.伊犁职业技术学院，新疆 伊宁 835000)

季节性冻融期土壤的冻结与融化取决于太阳辐射热量的变化和土壤对热量的吸收利用状况。当土壤温度降低到冻结温度以下时，土壤中的水分便开始冻结形成冻土。土壤的季节冻融特性主要受植被、积雪覆盖、水体、地形、含水率和盐分含量等因素影响[1,2]。相关研究表明[3-7]地面覆盖(秸秆覆盖和地膜覆盖)会改变土壤温度和水分的分布状况，可以抑制冻融期土壤浅层的水分蒸发，起到蓄水保墒、抑制盐分表聚的作用。杨金凤[8]等人针对不同覆盖条件下土壤冻融过程进行探究，发现冻结过程时间和深度受覆盖条件影响有所不同。姚宝林[9]等人研究发现灌水和地表覆盖可以抑制土壤温度的变幅，且影响程度随土壤深度的增加而减弱，其秸秆覆盖更有利于土壤储水。Sharratt[10]等人研究了不同地表处理条件下对土壤冻结过程变化影响。陈军锋[11]等人研究了不同秸秆覆盖量对冻融期土壤水分的变化影响，发现秸秆覆盖对耕作层储水保墒效果显著。单小琴[12]等人研究了季节性冻融期地表覆盖对土壤温度时空变化的影响，结果表明覆盖条件对土壤温度有不同程度的增温作用。付强[13]等人针对积雪覆盖条件下对土壤水分的空间分布进行了试验研究。

新疆属于季节性冻土地区，对其进行地表覆盖会影响土壤的冻结过程，进而影响土壤水分分布状况, 研究冻融过程中土壤水分动态变化具有重要意义。本文以冻融期不同覆盖条件下对土壤水分进行监测，分析冻融期土壤水分动态变化特征，对西北干旱地区冻融期覆盖措施管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年10月-2018年4月新疆阿拉尔市塔里木大学植物与科技学院的试验基地进行。试验区位于塔里木盆地，地理位置为79°21′34″E～81°45′07″E，40°16′45″～40°49′38″N。该地区属于季节性冻融地区，光照资源充沛，生长季节长，夏季炎热少雨，冬季严寒少雪，蒸发强烈。年日照时数为2 556.3 h，年平均气温10.8 ℃，极端最低气温为-28 ℃，极端最高气温为37 ℃。多年平均降水量52 mm，多年平均蒸发势高达2 300 mm。该试验区土壤为砂壤土，土壤平均容重1.46 g/cm3，地下水位埋深3 m左右。

1.2 试验方法

试验在种植作物为棉花的试验田进行，试验区共设置裸地、地膜覆盖和秸秆覆盖3种处理，每个处理2个重复。其中地膜覆盖采用黑色塑料膜覆盖( 厚度约为0.1 mm的聚乙烯材质)，并用土把周围地膜压实。秸秆覆盖采用试验区棉花秸秆，将棉花秸秆长度控制在3～5 cm之间，然后均匀碾压覆盖于棉田地表。试验采用土钻取土，每个处理设置3个重复，取样点深度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100 cm。从2017年11月12日开始监测，2018年3月6日监测完毕。取土时间分别为11月12日、12月3日、12月31日、2月6日和3月6日共5次。每次取样后及时对每个土样采用烘干法测出土壤的质量含水率。

2 结果与分析

在季节性冻土地区，冻融过程中土壤水分的动态变化会受外界环境气温、降雪以及地表覆盖等因素的影响，尤其是浅层土壤水分受外界环境及不同地表覆盖模式的影响较大，深层土壤水分受到的波动性较小。因此，在分析冻融期土壤水分动态变化按照浅层和深层分别进行。

2.1 冻融阶段不同地表覆盖模式下土壤浅层水分变化

土壤水分的动态变化采用土壤剖面含水率随时间的变化来表示，如图1所示，浅层土壤含水率随着冻融期的进程，变化幅度较为明显。在裸地对照处理下，表层0 cm土壤含水率变幅最大，土壤含水率变幅高达14.80%。随着土层深度的增加，含水率变幅基本依次减小，在10，20，30，40 cm土层含水率变化幅度分别为13.66%，13.72%，13.38%，8.83%，这主要是表层土壤受到外界气象因素影响较大，表层土壤水分波动较大。根据土壤含水率在时间上变化可以看出，土壤含水率呈现先减小后增加的趋势。同时，表层0 cm土壤含水率随时间变化最为明显，尤其在2月6日含水率增加显著。这是因为1月29日连续降雪，有部分积雪融化在表层入渗，造成0 cm和10 cm土层含水率增加较快。

图1 浅层土壤含水率变化图Fig.1 The figure of changes of shallow soil moisture

在地膜覆盖条件下，各土层土壤含水率随时间变化基本与裸地相似，但整体变化幅度小于裸地。地膜覆盖后阻隔了土壤水分向大气中逸散, 限制了表层土壤水分的蒸发；而另一方面, 由于地膜具有保温隔热作用影响冻融过程，在冻融条件下，温度是导致土壤水分迁移的驱动力。根据浅层土壤含水率变幅来看，表层土壤含水率变幅为4.13%，而土层10 cm土壤含水率变化最大。整体趋势随土层深度增减，含水率变化幅度逐渐减小，在10，20，30，40 cm土层含水率变化幅度为6.18%，4.00%，3.03%，2.63%。

秸秆覆盖条件下，浅层土壤含水率变化幅度处于地膜和裸地之间，各土层变化幅度随土壤深度增加而减小，且土壤含水率均有略微提高。秸秆覆盖有效地阻隔了土壤对太阳辐射热量的直接吸收, 减弱了土壤与外界的水热交换。降雪对裸地影响较大, 而对秸秆覆盖地块, 降雪起到加强保温作用。表层0 cm处含水率数值高达为6.46%，而10，20，30，40 cm土层含水率变化幅度为5.95%，5.98%，5.41%，4.78%。

2.2 冻融阶段不同地表覆盖模式下土壤深层水分变化

对比图1和图2可知，裸地深层土壤含水率的整体变化幅度相对浅层显著减小，随时间变化趋势层先减小后增加，这与浅层含水率时间变化趋势基本一致。裸地处理条件下，50 cm 土层处土壤含水率波动较大，变化幅度为8.01%。而下层土壤含水率曲线较为平稳，且变幅逐渐减小，在60、70、80、90、100 cm处的土壤含水率的变化幅度分别为4.19%、3.84%、3.98%、3.07%和1.31%，这是主要是下层土壤受到外界气温和积雪影响较小。

图2 深层土壤含水率变化图Fig.2 The figure of changes of deep soil moisture

地膜覆盖条件下，在整个冻融期深层土壤含水率总体高于浅层，且变化幅度较小，基本处于持平状态，在50，60、70、80、90、100 cm处的土壤含水率的变化幅度分别为2.46%、2.59%、2.54%、2.25%、2.01%和2.29%。同时，随土层深度增加土壤含水率有所提高，50 cm和60 cm处含水率变化范围在17.31%～19.36%和19.13%～21.08%，到达100 cm处含水率高达23.05%～25.79%。这是由于在冻结期土壤水分会在温度梯度下运移至冻结带，使冻结带区域土壤含水量较大。到了融化时期，冻结带水分逐渐融化，水分在受重力作用下不断下移，致使70 cm处以下土壤水分略有增加。

秸秆覆盖条件下，深层土壤含水率随着土层深度的增加，土壤含水率有所提高，并且其变化幅度基本持平。由于秸秆覆盖加降雪影响，起到增温保墒作用，深层土壤含水率变化平缓，在50、60、70、80、90、100 cm处的土壤含水率的变化幅度分别为3.48%、3.53%、3.58%、3.40%、3.92%和3.65%。

综上，由于冻融期间土壤受到外部环境影响, 加之地膜、秸秆覆盖后改变了土壤地温状况，进而影响到土壤含水率的变化特征。随着冻融期的推进，在冻结期浅层土壤水分逐渐下降且变幅较大，深层土壤水分变化较小。这是因为土壤含水率受到温度变化影响，浅层土壤逐渐冻结，水分在温度梯度作用下向冻结带运移，使浅层含水率降低。到了融化期时，气温逐渐升高，裸地浅层积雪融化，土壤含水率有所增加，而地膜和秸秆覆盖降雪只起到保温作用，土壤含水率基本持平。深层土壤水分略有增加，这是由于冻结期积聚于冻层中的水分融化，并在土水势梯度作用下向下迁移，使得深层土壤水分增加。

2.3 不同地表覆盖模式下各土层含水率的变异性

按照经典统计学的理论分析，一般对变异系数CV值的评估[14]，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。为了分析不同覆盖模式各土层含水率变异性，对整个冻融期数据进行了统计学分析，见表1。

表1 不同地表覆盖模式下土壤含水率变异性Tab.1 Soil moisture content change of different soil surface mulching method

通过对冻融期含水率数据分析结果可知，在整个冻融期间，土壤经历冻结和融化两大物理过程。各土层含水率变异系数呈现浅层变异系数高于深层，且基本随土层深度增加而减小。浅层含水率变异性呈中等变异性，深层土壤含水率处于中等变异性或弱变异性。裸地处理下，表层变异最大，且20 cm以上土层离散程度较大，变异系数均高于0.5以上。这是由于土壤在冻融期经历冻融循环时，上层土壤受外界气象因素较大，始终处于交替冻融状态，同时，有少量积雪融化使得表层含水率随时间离散程度较大。地膜覆盖处理变异系数基本整体小于裸地处理，且含水率离散程度在0～10 cm处较大，这因为覆膜后土层受外界影响较小，整体含水率变化幅度减小，同时，覆膜后土壤温度变化梯度减小，对土层冻结深度影响也减弱，因此地膜覆盖土层变异系数范围减小。秸秆覆盖处理下，浅层变异系数处于裸地和地膜覆盖之间，且20 cm以上土层变异系数大于0.2，这是由于秸秆覆盖虽具有一定保温隔热的作用，但仍受到一定的蒸发和融雪影响，使得这层土壤水分离散程度较大。

3 结 语

通过对季节性冻土地区3种不同地表处理的土壤水分动态变化特征的分析，得出如下结论。

(1)在冻融期，浅层土壤水分变化幅度较大，随土层深度增加含水率变化幅度逐渐降低。裸地变化幅度最大在表层和20 cm土层处，地膜覆盖和秸秆覆盖变幅最大在表层和10 cm土层处。这表明土壤表层覆盖后，土壤温度相比有所升高，土壤含水率变化范围逐渐缩小。冻融期间3个处理条件下含水率变幅表现为：裸地>秸秆覆盖>地膜覆盖。随冻融期的时间推进，3个处理土壤含水率变化趋势基本一致，土壤含水率均呈先减小后增加趋势，尤其是裸地浅层表现较为明显。

(2)整个冻融期深层土壤含水率总体高于浅层，且土壤含水率变化幅度均小于浅层土壤，各层土壤变化幅度较小。裸地50 cm和60 cm土层含水率变化幅度较大，随深度增加呈阶梯形下降，而地膜覆盖和秸秆覆盖各层土壤变化幅度差异较小。

(3)根据冻融期各土层含水率变异系数分析，各土层含水率变异系数呈现浅层变异系数高于深层，浅层含水率变异性呈中等变异性，深层土壤含水率变异性处于中等变异性或弱变异性。