季节性冻融期覆砂对太谷农田土壤含水率时空变化的影响

冯慧君，赵浩然，郑秀清，陈军锋，苗春燕,2，薛 静

(1.太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024；2.山西省第一水文地质工程地质队，山西 太原 030024)

我国季节性冻土区主要分布在北纬30°以北的干旱、半干旱气候区，面积约为国土总面积的53.5%。这些地区水资源短缺，降水少而蒸发大，地表蒸发损失高达降水量的50%以上，干旱缺水制约着当地农业生产的发展[1-3]。近年来，为了减少地表无效蒸发损失、提高作物水分利用效率，农业生产中常采用地表覆盖的方法，常见的覆盖方式有：秸秆覆盖、地膜覆盖和砂砾石覆盖[4-7]。秸秆和地膜覆盖均可以调节土壤温度进而影响土壤的冻融过程，有效抑制土壤蒸发，提高作物的水分利用效率，起到聚墑效果，从而增加作物产量[8-13]。在我国宁夏、甘肃地区，当地农民采用土壤压砂的方式种植作物以减少土壤水分无效蒸发[14-15]。

山西省位于北纬34°36′～40°44′之间，属干旱半干旱气候区，为了缓解旱情通常以冬春灌溉或地表覆盖方式来满足越冬作物对水分的需求。研究冻融期地表覆盖对土壤水分的影响对合理制定灌溉制度有重要意义。目前，国内不少学者对冻融期秸秆覆盖下的土壤墒情进行了研究。例如：姚宝林等[16]对整个冻融期玉米秸秆覆盖下的土壤储水量进行定量分析，发现玉米秸秆覆盖下的土壤储水量与裸地相比增加了14.97%。Xing等[17]发现秸秆覆盖使得地表水分波动幅度减小，具有保水增墑效应。此外，在一定覆盖厚度下，储水保墑效果随秸秆覆盖厚度的增加而增加。研究表明覆盖厚度5 cm时耕作层的储水保墑效果最好[18]，覆盖厚度15 cm对整个土壤剖面的增墑效果最好，且增墑能力随着土壤深度的增加而降低[19]。

纵观现有研究成果，冻融期不同秸秆覆盖厚度下的土壤水分特征研究成果较多，而覆砂条件下的研究成果较少。为了探讨冻融期薄层砂覆盖对剖面土壤水分的影响，本文在前人的研究基础上对季节性冻融期不同覆砂条件下的土壤水分进行了野外试验，分析其土壤水分变化规律，以期为北方干旱半干旱季节性冻土区的农业发展提供有效的参考数据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2016年11月至2017年3月在太谷均衡实验站进行。实验站位于山西省晋中盆地汾河冲洪积平原区(112°30′～112°33′E，37°26′～37°27′N)，属大陆性半干旱季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季雨热同期，降水多集中在6—9月。试验期间太阳总辐射量为99.75 KJ·cm-2，12月份太阳辐射量最低(17.02 KJ·cm-2)，3月份太阳辐射量最高(35.55 KJ·cm-2)。试验期间1月份月平均气温最低，为-1.9℃。日内气温最低值-17℃，出现在1月19日。试验期间日平均气温和太阳辐射见图1a。

试验期间总降水量32.1 mm。12月份降水量最多，为11.8 mm。最大日降水量发生在12月20日，为5.8 mm，其余日降水量均低于5 mm。试验期间土壤最大冻结深度为35 cm，冻融历时约128 d。根据裸露土壤自然冻融过程，将整个冻融期划分为：不稳定冻结阶段(11月7日—12月26日)、稳定冻结阶段(12月27日—2月1日)和融化阶段(2月2日—3月15日)，冻深曲线见图1b。试验区耕作层厚度约20 cm，土壤干容重1.41 g·m-3。试验区土壤物理特性见表1。

图1 试验期间日平均气温、太阳辐射和冻深曲线Fig.1 The curves of average air temperature, solar radiation and frost depths in the test period

表1 试验区土壤物理特性

1.2 试验方案

试验在秋耕休闲地块进行。试验设置了无覆盖(LD)、粒径0.5～1.5 mm砂层覆盖(XS)和粒径1.5～2.0 mm砂层覆盖(CS)3种处理，覆盖厚度均为1 cm。试验期间土壤含水率采用人工土钻取土烘箱烘干法测量，监测时间为上午9:00，监测间隔5～7d。稳定冻结阶段监测频次较低，不稳定冻结阶段和融化阶段监测频次较高。监测深度：0、5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90 cm和100 cm。本次试验初始土壤含水率监测时间为11月22日。试验期间，所有气象数据采自实验站安装的自动气象站监测数据。

2 结果与分析

2.1 不同冻融阶段土壤剖面含水率的变化

本文主要研究剖面0～100 cm土壤含水率变化规律，重点研究水分相变区(0～40 cm)及土壤耕作层(0～20 cm)。3种处理土壤剖面初始含水率相同。初始时刻地表土壤含水率较低，约5.40%；20～50 cm范围内出现土壤水分高值区(19.66%～23.74%)；50～100 cm土壤含水率随土壤深度增加呈小幅度下降趋势。试验期间3种处理不同冻融阶段的剖面土壤含水率变化见图2，不同深度处的平均土壤含水率见表2。

不稳定冻结阶段，LD处理地表含水率较低(7.73%)。砂层覆盖切断土壤水分上升路径，上升水分聚集在地表附近。XS和CS处理地表含水率由初始时刻5.40%增加至17.37%和16.39%，约为LD处理的2.1～2.2倍。由图2a可知，3种处理0～20 cm土壤含水率随土壤深度增加呈先升高后降低趋势，20 cm附近出现极小值。这是因为该阶段地表附近出现冻层，表层土壤附近的未冻水含量减小导致土壤基质势降低，冻层下部未冻水在土壤基质势梯度作用下向冻层附近迁移，导致10～20 cm土壤含水率由下向上呈增加趋势。而0～10 cm土壤含水率受土壤蒸发影响由下至上呈减小趋势。由表2可知，XS和CS 处理0～20 cm平均土壤含水率为18.47%和18.54%，较LD处理高2.67%和2.74%；20～40 cm平均土壤含水率与LD处理的差值明显小于0～20 cm处；40～100 cm平均土壤含水率与LD处理的差值较小。经单因素方差分析可得除20～40 cm外，XS和CS处理0～100 cm土壤含水率与LD处理的存在显著性差异。综上所述，不稳定冻结阶段砂层覆盖对剖面0～20 cm有明显的储水效果，距离地表越近储水效果越好，地表处效果最佳。砂层的储水效果还与砂的粒径有关，粒径越小对水的吸附能力越强。因此，近地表处(约0～5 cm)XS处理储水效果略好于CS处理，其土壤含水率高于CS处理0.57%。

稳定冻结阶段，XS和CS处理地表含水率分别为21.79%和20.12%，为LD处理的1.7～1.8倍；0～20 cm平均土壤含水率分别为19.62%和19.89%，高于LD处理3.36%和3.63%。由图2b可以看出覆砂处理5～10 cm范围内出现土壤水分高值区，土壤含水率最大值可达24%；受冻层向下推进和土壤未冻水向冻层附近迁移的影响，XS和CS处理20～40 cm范围内出现土壤水分次高值区，平均土壤含水率分别为17.46%和17.69%，受水分迁移及土壤蒸发影响该值低于不稳定冻结阶段；40 cm以下3种处理的土壤含水率相差不大。经单因素方差分析可得除40～60 cm外，该阶段XS和CS处理0～100 cm土壤含水率仍与LD处理的存在显著性差异。综上所述，稳定冻结阶段砂层覆盖对剖面0～20 cm有明显储水效果，其规律与不稳定冻结阶段一致。该阶段近地表处(约0～5 cm)XS处理储水效果略好于CS处理，其土壤含水率高于CS处理1.36%。

融化阶段，地表冻层融化使得近地表土壤液态含水率增加，加快土壤水分蒸发。经过前两个阶段的蒸发，3种处理0～100 cm土壤含水率较不稳定冻结阶段明显减小。LD处理地表存在干土层，平均含水率较上一阶段减小至5.80%。XS和CS处理地表平均土壤含水率分别为16.74%和15.40%，约为LD处理的2.7～2.9倍，较上一阶段减少5.05%和4.72%；XS和CS处理0～20 cm平均土壤含水率约为LD处理的1.1～1.2倍，较上一阶段减少1.40%和2.99%；其20～40 cm平均土壤含水率与LD处理(15.99%)的差值较稳定冻结阶段减小，说明冻层融化后XS和CS处理20～40 cm土壤水分向上部或下部迁移量较大；40 cm以下3种处理平均土壤含水率约14%～16%，与上一阶段相比减小了1%～2%。该阶段LD处理土壤聚墑区范围出现在30 cm附近，土壤含水率最高值也出现在30 cm附近(约17%)。由图2c可以看出LD处理5 cm附近土壤水分较高，这可能与该阶段降水入渗有关。经单因素方差分析可得3种处理60～100 cm平均土壤含水率间不存在显著差异。该结果与前两个阶段不同，说明经过一个冻融期土壤水分迁移并蒸发，砂层覆盖对60～100 cm土壤含水率影响逐渐减小。该阶段近地表处(约0～5 cm)XS处理储水效果略好于CS处理，其土壤含水率高于CS处理2.39%。

土壤深度Soil depth/cm不稳定冻结阶段Unstable freezing stageLDXSCS稳定冻结阶段Stable freezing stageLDXSCS融化阶段Thawing stageLDXSCS0～2015.80b 18.47 a 18.54a 16.26c 19.62b 19.89a 15.29c18.22a 16.90b 20～4019.79a19.25b 19.94a 16.59c 17.46b 17.69a 15.99b 16.43a16.11b 40～6017.79b 17.26c 18.30a 16.00b 16.41a 15.95b14.11c 14.68a 14.30b 60～10016.94 a 16.65b 16.97b 16.39a 16.56b 16.72b 15.94a 16.16a 16.16a

注：表中相同阶段同行数值后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note: The different letters after the value of same stage in the same line mean significant difference between treatments (P<0.05).

2.2 冻融期不同深度处土壤水分动态变化

冻融期间土壤含水率受融雪水入渗、未冻水迁移及蒸发等多种因素影响。试验期间3种处理地表土壤含水率见图3。3种处理不同深度土壤水分变化特征用变异系数Cv和极差Ka表示，见表3。

图3 冻融期地表土壤含水率变化图Fig.3 Surface water content during the freezing-thawing period

由图3可知，冻融期覆砂处理地表土壤含水率与LD处理的变化趋势基本一致。3种处理地表含水率受降水影响较大，通常在降水后出现峰值。较为明显的峰值有17-01-19和17-02-26两处，由气象数据可知这两个日期前均发生降水事件，降水量分别为2.9 mm和6.6 mm。整个冻融期LD处理地表含水率处于较低水平，发生降水后地表含水率骤增，随土壤蒸发又降低至较低水平。LD处理地表受外界气象变化影响较大，降水降落到地表或水分从地表蒸发直接引起土壤含水率变化，整个冻融期地表土壤含水率Cv值最大(0.66)，变化幅度为24.52%。XS和CS处理地表土壤含水率与LD处理相比均处于较高水平。砂层覆盖削弱外界气象变化对地表的影响，融雪水入渗或降雨入渗须通过砂层，地表土壤水分须以水汽方式通过砂层蒸发到大气中，土壤含水率变化幅度小于LD处理，分别为20.10%和20.09%。冻融期XS和CS处理地表土壤含水率Cv值小于LD处理(0.27)，说明地表砂层覆盖可以平抑地表土壤含水率变化幅度。

表3 冻融期土壤含水率统计分析结果

注：Cv表示变异系数；Ka表示极差。

Note:Cvmeans variable coefficient of sample andKameans sample range.

冻融期地表以下土壤含水率受外界气象变化影响逐渐减弱。LD处理0～20 cm平均土壤含水率变化幅度和Cv值与地表处相比明显减小，分别为10.65%和0.14。砂层覆盖对0～20 cm土壤含水率变化幅度有平抑作用，XS和CS处理土壤含水率变幅分别为9.60%和9.95%，Cv值为0.10和0.12，与地表处相比明显减小。随着土壤深度增加，土壤含水率变化幅度逐渐减小，LD处理20～40 cm土壤含水率变化幅度和Cv值分别为7.97%和0.13，均大于覆砂处理。CS处理Cv值最小，这是因为冻融期砂层粒径不同对土壤蒸发的影响不同，通过实测土壤蒸发量可得XS处理土壤蒸发速率大于CS处理，土壤含水率受蒸发影响较大。稳定冻结阶段末冻层深度达到最大并保持不变约10d左右，冻层下部40～60 cm未冻水在基质势梯度作用下向上迁移，冻层融化时冻层内部土壤水分在土水势作用下向下迁移，因此冻融期3种处理40～60 cm土壤含水率Ka值大于20～40 cm处的，仍表现为LD处理最大。冻融期3种处理60～100 cm土壤含水率变化规律同40～60 cm处一致。通过对比冻融期3种处理不同深度处土壤含水率动态变化，发现随着土壤深度增加土壤含水率变化幅度呈减小趋势。

3 讨 论

试验期间地表覆盖层阻碍地气界面间的水热交换，下层水分迁移上升储存在地表附近，使得近地表出现水分高值区。覆砂处理土壤剖面的储水效果与土壤深度有关，越接近地表其储水效果越好。此结果与冻融期秸秆覆盖和地膜覆盖对近地表有储水效果一致，可见砂层覆盖对土壤的储水效果与秸秆或地膜覆盖一致[16-17]。通过分析可得地表处储水效果最佳；覆砂处理0～40 cm储水效果优于LD处理；40 cm以下3种处理土壤含水率相差不大。冻融期土壤水分相变破坏了土水系统原有的动态平衡，未冻水在土水势梯度作用下由未冻区向冻结区迁移，冻结区土壤水分不断增加，形成水分高值区。因此，冻融期地表覆盖处理其土壤剖面会出现两个水分高值区：近地表和冻结区，该结果与邢述彦等[17]的研究成果一致。本次试验条件为薄层砂覆盖，同时使用微型蒸发器监测覆砂条件下的土壤蒸发量。试验过程中未监测土壤剖面未冻水迁移转化情况，无法定量描述冻结期土壤不同深度处未冻水含量变化。除此之外，薄层砂覆盖对土壤耕作层水分影响较为明显，耕作层以下3种处理含水率相差不大。在今后的研究过程中可以考虑不同砂层覆盖厚度对剖面土壤未冻水和总含水率的影响。

4 结 论

1)冻融期砂层覆盖影响土壤剖面水分分布。砂层覆盖切断了下层水分的上升路径，上升水分聚集在地表附近，近地表出现水分高值区。不稳定冻结阶段覆砂处理地表含水率约16.39%～17.37%，稳定冻结阶段约20.12%～21.79%，融化阶段约15.40%～16.74%。

2)冻融期3种处理土壤未冻水在基质势梯度作用下向冻层附近迁移并冻结成冰，在冻层范围内(20～40 cm)形成水分高值区。不稳定冻结阶段3种处理20～40 cm平均土壤含水率约19.25%～19.94%，稳定冻结阶段约16.59%～17.69%，融化阶段约15.99%～16.43%。

3)砂层覆盖对近地表的储水效果与土壤深度有关。地表储水效果最佳，平均土壤含水量较LD处理高8.45%～10.94%，随着土壤深度增加储水效果逐渐减弱。覆砂对剖面0～40 cm有明显的储水效果，平均土壤含水率较LD处理高0.86%～2.37%，40 cm以下3种处理土壤含水率相差较小，平均土壤含水率差值为0.09%～0.40%。砂层覆盖对近地表的储水效果还与砂层粒径有关，砂粒径越小对近地表储水效果越好。XS处理0～5 cm储水效果最佳，其土壤含水率高于CS处理0.57% ～2.39%。

4)3种处理地表土壤含水率受降雨入渗和蒸发等因素影响较大，整个冻融期其变化幅度最大。地表砂层覆盖可以平抑地表土壤含水率变化，覆砂处理地表土壤含水率变幅较LD处理低约4.42%。