地表覆盖对冻融期土壤水盐分布特征的影响

李 慧 张旭贤 李志刚 单明明

（塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔843300）

新疆属于季节性冻融地区，常年气候干旱，降雨量稀少，蒸发强烈，水资源极其匮乏，限制新疆农业经济发展。近些年，膜下滴灌技术的推广，充分发挥其节水、增产、增效作用，已经成为新疆农业可持续发展重要的保证。但膜下滴灌技术只在作物生育期根系附近进行少量的灌水，无法将土壤中的盐分排出农田。作物生育期的结束以后，气温逐渐降低，土壤中水分和盐分在冻融作用的影响下，会再次进行重分布。尤其在春季消融期间，蒸发较为强烈，土壤水分运移会促使盐分表聚，容易引起干旱地区土壤次生盐渍化［1］。在冻融期，为减少由蒸发作用所造成土壤水分的散失，抑制盐分上移，目前农业生产中常采用的方法就是在土壤表面进行地表覆盖［2］。

相关研究表明［3-6］地表覆盖减弱了大气与土壤的热交换，提高土壤温度，降低土壤水分冻结深度，进而改变土壤水分和盐分的迁移变化过程。刘子义［7］在我国对于冻融条件下土壤水盐运移研究比较早，将土壤的冻融过程大致分为初冻阶段、冻层发展阶段、冻层稳定阶段和融冻结段四个阶段，并认为冻结期土壤水分、盐分的活动与地下水有关。虎胆·吐马尔白［8］等人利用经典统计学研究了棉田土壤在冻融期水分、盐分随时间、空间动态变异特征。陈军锋［9］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［10］等人研究了季节性冻融期不同地表覆盖措施对土壤温度时空变化的影响，发现不同地表覆盖对土壤增温效果存在明显差异。靳志锋［11］等人探究积雪消融对土壤水分和盐分的分布情况，发现消融期积雪对土壤水分调控以及保墒、抑盐有着十分重要的作用。邢述彦［12］等研究在冻融期不同秸秆覆盖厚度对土壤墒情的影响。张金珠［13］等人针对滴灌条件下不同深度秸秆覆盖方式对盐碱地土壤盐分分布的调控进行了深入研究。

目前，关于在冻融期地表覆盖的研究主要集中于积雪覆盖下温度和水分的方面，而对于冻融期地膜覆盖和秸秆覆盖下水分和盐分的研究较少。本文以南疆滴灌棉田为研究对象，在冻融期设置不同地表覆盖方式，通过监测土壤水分和盐分变化情况，揭示在冻融期土壤水分和盐分在不同地表覆盖模式下的变化规律，为春季棉田土壤保墒及防止土壤次生盐渍化有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018 年10 月-2019 年4 月新疆阿拉尔市塔里木大学水利与建筑工程学院的试验基地进行。试 验 区 位 于79°23′30"E～81°43′27"E，40°20′25"N～40°47′38"N 之间，海拔高程1 011 m。该地区地处塔里木盆地北缘，属于暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，雨量稀少，冬季少雪，地表蒸发强烈。年均日照时间为2 556. 3 h，极端最高气温35 ℃，极端最低气温-28 ℃。年均降水量为40. 1～82. 5 mm，年均蒸发量1 876.6～2 558.9 mm。该试验区地下水位埋深3. 5 m，土壤质地为砂壤土，0-100 cm 土壤平均容重1.45 g/cm3。

1.2 试验方法

试验地前茬作物为膜下滴灌棉花，试验区设置了裸地（LD）、地膜覆膜（DM）和玉米秸秆覆盖（JG）3种地表处理，每个处理两次重复。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玉米秸秆，将玉米秸秆长度控制在3-5 cm 之间，然后均匀碾压覆盖于棉田地表。试验采用人工土钻取土，每个处理重复设置三个取样点，取样点深度分别为0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm 和100 cm。试验阶段为2018 年11 月3 日-2019 年3 月17 日。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，然后将烘干土样磨碎、过筛，按水土比5∶1(蒸馏水90 ml，干土18 g)制取土壤浸提液，利用电导率仪测定溶液的电导率EC值。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖条件对冻融期土壤含水率的影响

冻融期土壤水分运移规律与土壤冻结状态存在紧密联系，不同地表覆盖在改变土壤冻结状态的同时也影响了土壤水分的分布状况。图1、2、3 为试验期间LD、DM、JG 三种处理下土壤含水率在不同冻融阶段的土壤剖面分布情况。

由图1 可看出，不同地表覆盖处理下土壤初始含水率及剖面分布规律大致相同。表层含水率略低，约为13%左右。浅层10-40 cm 处含水率随着深度增加略微有所增加，平均含水率为16. 86%。在地表下50 cm处附近为土壤水分高值区（18.33%～21. 10%）；在土壤60-80 cm 处为土壤水分低值区，LD、DM、JG 处理含水率分别为16. 61%，11. 79%，12.70%，其中DM、JG 处理达到土壤水分整个剖面最低值。在土壤80 cm 以下含水率随土深略微逐渐减小，各处理间无明显差异。

图1 不同覆盖处理下初始土壤含水率（2018-11-03）

稳定冻结阶段如图2，各处理土壤含水率趋势较为相似。由于各处理浅层土壤水分受外界环境影响程度的不同，土壤含水率差异性较大。LD 地表含水率由初始含水率12.93%降至9.85%，而DM、JG 由始含水率14.86%、13.25%增至27.92%和15.86%，说明地膜和秸秆覆盖均能抑制土壤水分向大气中逸散，限制了表层土壤水分的蒸发。尤其是地膜覆盖具有一定的隔热保温作用，在阻隔土壤水分蒸发的同时提高土壤地温，使得表层水分有所增加。在土壤深度10-50 cm 处含水率整体较高，且土壤水分波动明显。这是因为非冻结带中的水分主要向冻结带运移，随着土壤温度的降低冻结带含水率有所增加，使得10-50 cm 土体水分增多。LD 在50 cm 处达到剖面含水率最大值19. 34%；DM、JG 土壤水分高值区出现在30 cm 和40 cm 处，含水率分别为31. 72%和25. 78%。而土层50 cm 处以下，土壤含水率随深度增加呈减小趋势，各处理在深层土壤中均出现小范围的水分高值区，LD 峰值出现在90 cm，JG、DM 峰值在80 cm。这是由于在季节性冻土地区，冻结期间随着温度变化土壤中的水分会发生固液气三相变化，当外界大气温度逐渐降低，土壤水分会自上而下逐渐冻结，一部分液态水变为固态冰。随着土壤中的液态水分的逐渐减少，土壤基质势也在减小，在土壤基质势驱动力作用下，土壤中的液态水分会向冻结锋面迁移。地膜和秸秆覆盖措施提高了土壤温度，同时LD、DM、JG 最大冻结深度为85 cm、75 cm 和75 cm，下层液态水会向上层冻结锋汇聚，因此土壤深层LD含水率峰值均比JG、DM出现的位置要深。

图2 不同覆盖处理下稳定冻结期土壤含水率（2019-01-24）

到融化期如图3，由于大气温度快速回升，土壤表层受蒸发作用明显，LD、JG地表含水率仅为8.20%和13.26%，DM 地表含水率为24.34%。由于裸地地表无覆盖措施，地表水分大量散失。地膜和秸秆覆盖下土壤温度较高，冻结土层在受上部太阳辐射和底部地热的影响，开始双向解冻。随着地表蒸发作用，上部消融的土壤水分向上运移，遇到表层较高温度的土壤，汽化并上升，地膜覆盖可以完全阻隔水分汽化冷凝返回土壤表层，而秸秆覆盖只能减少水汽的蒸发。对于下部的融水在土水势梯度的作用下向下传输，LD 在地表以下30-80 cm 处土壤含水率相比冻结期有所增加；DM、JG 变化趋势较为一致，且土壤含水率在剖面90 cm 处仍存在一个水分高值区，与冻结期相比，高值区位置向下移动。这是因为土壤温度回升以后，固态冻结锋水分逐渐融化，在重力作用下向下移动所致的结果。在整个融化阶段，土壤浅层水分整体呈JG 覆盖最高，DM 覆盖其次，LD 最小。这可能是由于秸秆覆盖较厚，温度是土壤水分的驱动力，根据对地温监测显示，秸秆覆盖浅层温度高于地膜覆盖。

图3 不同覆盖处理下融化期土壤含水率（2019-03-17）

综上，JG 覆盖和DM 覆盖在一定程度上阻碍了外界环境与土壤之间的能量交换，改变原有土壤的自然冻融过程，进而影响冻融期土壤中水分的迁移转化规律。JG 和DM 均具有蓄水保墒作用，在不同冻融阶段JG 和DM 覆盖水分存在差异性，同时一定程度上相对于裸地处理也具有不同的垂向分布特征。

2.2 不同覆盖条件对冻融期土壤电导率的影响

在冻融期土壤水分发生重新分布，盐分也伴随水分发生了再分布，土壤中的水分既是盐分的溶剂，又是盐分运移的载体。图4、5、6 为不同地表覆盖处理下冻融期土壤电导率的变化图。

图4 不同覆盖处理下初始土壤电导率（2018-11-03）

由图4 可以看出，各处理土壤电导率在不同深度方向的变化趋势基本相同。表层电导率在整个剖面上最大，LD、DM、JG 处理电导率分别为1 882µS/cm，1 342µS/cm 和1 671µS/cm；在10-100 cm 土层，各处理电导率值相差不大，曲线基本与纵轴平行，且电导率较低，皆保持在250µS/cm 范围内。

在稳定冻结阶段（图5），各处理表层土壤电导率比初始状态均有所增加，LD、DM、JG 处理电导率分别由1 882µS/cm、1 342µS/cm、1 671µS/cm 增大至4 330µS/cm、1 963µS/cm 和3 757µS/cm。LD 与DM覆盖和JG 覆盖的土壤电导率相比，分别高出120.58%和15.25%，说明地表覆盖对土壤表层盐分具有一定抑制作用，从而导致地表盐分减少，DM 覆盖最为明显。在土壤浅层10-40 cm 范围内电导率的变化波动较大，DM、JG 表现尤为明显，都存在一个低盐区和一个高盐区。DM 和JG 低盐区分别出现在10 cm和20 cm 处，而两者高盐区均出现低盐区向下10 cm的位置。这是因为温度是土壤水分运移的驱动力，土壤水分运移间接影响着盐分运移，土壤中盐分主要吸附在土壤表面上或存留在土壤孔隙中。温度的变化使土壤中的水分发生固液气三相转化，当温度较低时，土壤中一部分液态水会固结成冰，在固相状态下，盐分在水中的溶解度降低，并且盐分运移受土壤水分运移的影响，运移速度和运移范围也减小。由于DM 和JG 覆盖使土壤保持较高地温，土壤水分在液相状态下，盐分在水中的溶解度增加，运移速度和运移范围也增大，大量盐分溶解于水中随着水分的运动开始弥散运移，因此DM 和JG 盐分在浅层范围变化波动较大。同时对比稳定冻结期土壤含水率情况，可以看出DM 和JG 在同一土层时含水率与电导率变化趋势刚好相反，虽然外界环境相同，但是土壤含水率的不同导致DM 和JG 两处理土壤电导率运移存在差异。对于50 cm 以下土壤电导率逐渐减小，基本变化幅度不大，且电导率维持较低数值。

图5 不同覆盖处理下稳定冻结期土壤电导率（2019-01-24）

由图6可知，各处理在融化期土壤电导率均有明显变化，但是相比之下，LD土壤电导率在剖面的变化波动比DM 和JG 大，并存在两个电导率高值区分别在30 cm 和70 cm 处。JG 处理在浅层土壤电导率也存在明显波动，而DM 处理电导率随土层深度逐渐减小，较为稳定。由于水分是盐分运移的载体，春季气温回暖速度较快，土壤蒸发强烈，因此，浅层的土壤盐分在融化期出现较大变化，尤其是裸地在无覆盖措施下，浅层盐分变化较为剧烈。相比之下，LD 与DM和JG对比，在土壤融化期后至播种之间的这段时间更容易造成春季土壤次生盐渍化的发生。

图6 不同覆盖处理下融化期土壤电导率（2019-03-17）

综上所述，地表覆盖改变土壤温度，土壤温度是水分运移的驱动力，同时水分又是盐分的载体，进而改变了土壤的自然冻融过程盐分变化规律。DM 覆盖和JG覆盖均具有保墒抑盐分的作用，DM覆盖效果最好，JG覆盖次之，LD最差。

3 讨论

地表覆盖对土壤的冻结、融化作用以及土壤水热的动态变化具有重要的影响［14］。有研究认为，在整个冻融阶段，地膜覆盖和秸秆覆盖在表层明显增加土壤墒情，且地膜覆盖保墒效果优于秸秆覆盖［15］。本研究发现，在冻结阶段，地膜覆盖保墒效果最好，秸秆覆盖其次，裸地最差，这与前人研究结果相似。但对于融化阶段，土壤上层水分整体呈秸秆最高，地膜次之，裸地最小。这可能是与秸秆覆盖厚度有关系，秸秆覆盖较厚，土壤地温较高，水分在蒸发作用下，向上层土壤运移较快。同时冻融期水分在土壤中的运移受土壤质地、土壤分层和土壤水分空间变异性等各种因素的影响，对冻融土壤水分运移的作用机理，有待进一步研究。

在季节性冻土地区，地表覆盖减弱土壤与外界环境的热交换，相对于裸地具有较好的保温效果，从而有效调控土壤水盐运移幅度，其影响程度随土壤深度的增加而减弱［16］，这一点与本研究结果基本一致。基于有限的数据对不同地表覆盖土壤进行分析，由于冻融土壤水盐运移问题本身的复杂性和周围环境影响因素的不确定性，需要进行长期试验与监测，以保证试验结果的准确性。

4 结论

冻融期土壤水分和盐分运移的主要受到土壤冻结状况和土壤蒸发的影响，地表覆盖对于土壤冻结状态和土壤蒸发具有重要的影响，这使得不同冻融阶段土壤水分和盐分动态变化与裸地具有较大区别。通过对季节性冻土地区三种不同地表处理的土壤水分和盐分动态变化特征的分析，得出如下结论：

（1）不同地表覆盖处理冻融期土层含水率变化特征：在土壤冻结阶段，地表覆盖对土壤具有保温隔热作用，LD 处理更容易受外界环境因素的影响。表层土壤含水率较初始含水率LD 明显减少，JG 和DM有所增加。对各处理浅层土壤含水率明显高于深层，随着土层深度的增加，50 cm 以下土壤含水率变化不明显。在整个土壤剖面上，各处理均存在两个高值水分区，LD 比JG 和DM 高值水分区深10 cm，且整体土壤含水率总体呈现LD＜JG＜DM。在融化阶段，各处理表层土壤含水率均有所下降，LD水分减少最为明显。对于土壤浅层水分整体呈JG最高，DM其次，LD最小。

（2）对于各处理在冻融期土层电导率变化特征：在整个冻融期，浅层土壤电导率整体高于深层土壤，且波动明显。在稳定冻结阶段，LD 表层电导率较JG和DM增加显著，对于各处理浅层10-40 cm土壤电导率均比初始状态增幅明显，且波动幅度较大。在融化期间，LD土壤电导率在浅层剖面的变化波动最大，JG覆盖次之，DM覆盖最稳定。