农田土壤冻融过程的水土环境效应理论与实践研究

付 强,李庆林，李天霄，侯仁杰

(东北农业大学 a.水利与土木工程学院；b.农业部水资源高效利用重点实验室；c.黑龙江省寒区水资源与水利工程重点实验室，哈尔滨 150030)

0 引 言

冻土通常是指温度在0 ℃或0 ℃以下，含有冰晶体的各种岩石与土壤，按照土壤冻结状态的保持时间，常被分为短时冻土、季节性冻土以及多年冻土3类。在我国，季节性冻土分布较广，约占国土面积的54%[1]。黑龙江省属于典型季节性冻土区，具有丰富的黑土资源，是我国重要的商品粮基地，也是保证我国粮食安全的“压舱石”。由于受季节性冻融影响，东北区域也是涝渍灾害的频发区，由涝渍灾害所引发的黑土流失、土壤板结、烂根腐根等问题已成为影响旱作生长的重要农业灾害[2]。据相关报道，黑龙江省2013年因“春涝”所导致的受灾面积达到了5.29×106hm2，大田播种整体推迟了7 d左右[3]。基于黑土资源过度开发、土壤有机质下降、土壤结构变差、受侵蚀影响导致的田间水土流失等现实问题[2]，2020年3月，农业农村部、财政部联合印发《东北黑土地保护性耕作行动计划(2020—2025年)》，2021年《中共中央、国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》中也提出“实施国家黑土地保护工程，推广保护性耕作模式”的方针政策。

农田冻融土壤具有一定的复杂性，在冻融过程中常伴随着水热变换，能够直接影响土壤的理化特性，还对农田水文以及农田土壤的生态环境效应产生多元影响[4]。因此，深入地研究农田土壤冻融过程对土壤理化性质的影响，明确农田冻融土壤水、热、盐耦合运移机制，了解农田冻融土壤环境演变机理，总结探求出适宜季节性冻土区的农田土壤生境健康调控方案，对保护黑土地，维护东北寒区农田土壤的可持续性具有重要实践意义。

1 农田土壤冻融物理特性

农田土壤冻融过程引发的土壤物理性质变化主要受土壤水分相变的影响，具体表现为土壤团聚体、孔隙度、容重以及导水性在冻融前后产生的多元变化。

1.1 土壤团聚体

土壤团聚体是土壤的基本结构单元，在土壤胶结作用的影响下，能够调节土壤中的水肥气热、维持土壤疏松活化层的稳定、改变土壤酶的丰富度与活性，进而使土壤发挥出不同的功能[5]，其稳定性对土壤可持续利用具有较大的影响[6]。在冻融作用影响下，土壤水分相变引发的冰体膨胀会使土壤中的大颗粒团聚体受到挤压而破碎，导致土壤团聚体分布不均，这是降低土壤结构稳定性的主因[7]。此外，土壤的质地、初始含水率、土壤紧实度、冻融循环温度及次数等多方面因素共同决定了土壤团聚体的结构及稳定性[8]。刘绪军等[9]对表层土壤进行反复冻融，发现冻融作用不仅降低了表层土密度，而且也降低了土壤结构的稳定性，增加了春季土壤的侵蚀风险。Froese J C等[10]发现当土壤下层存在冻层或滞水时，在冻结过程中土壤团聚体会更分散。王恩姮等[11]的研究表明，季节性冻融可加剧黑土风干工作区土壤团聚体的分散、降低水稳性团聚体的破坏率。可见，冻融作用对于土壤团聚体的稳定效果并不相同。

1.2 土壤孔隙度与土壤容重

土层中的水分受土壤冻融循环作用发生相变，液态水转化成冰晶，体积膨胀产生推力使部分土壤颗粒破碎并促进土壤颗粒运动，而融化过程使土壤颗粒发生位置的迁移，增加了土壤颗粒随液态水运移的能力，因此冻融过程改变了土壤的孔隙度与容重[12]。此外，冻融导致的土壤孔隙度与容重的变化会改变土壤的内黏聚力，从而增加了土体失稳的风险，更易发生侵蚀[13]。土壤容重与土壤孔隙度受土壤的冻结次数、冻结温度以及土壤的初始含水率等指标共同影响。例如，姚甜甜等[14]证实了高含水率下土壤冻融循环后，容重及孔隙度变化幅度更大，且冻结温度越低，二者变化幅度也相应增加。肖俊波等[15]通过控制冻融循环次数与土壤的初始含水率两个因素，发现控制含水率相同时，随冻融循环次数的增多，土壤容重和孔隙度分别缓慢减小和增大，随即变化幅度逐渐降低；当控制冻融循环次数相同时，高含水率的土壤容重变幅更大。

1.3 土壤导水特性

土壤的水力特性决定了土壤水分扩散规律，是土壤物理特性的重要评价体系，具体包含土壤饱和导水率、土壤非饱和导水率、土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率等指标[16]。其中，土壤饱和导水率尤为重要，它是决定土壤水分入渗速率和土壤水分再分布的主要因素[17]，也是在研究土壤水分运动过程模拟中所不可忽略的指标[18]。在土壤冻融过程中，由于孔隙冰的阻隔作用，使土壤水分运动参数的变化更为复杂[19]。樊贵盛等[20]发现，当冻层温度逐渐降低、冻层厚度增加时，土壤中形成的冰晶体与低温会改变水分的黏滞性，导致土壤导水率大幅减小。Watanabe K[21]通过试验观察到，在温度下降过程中，冻土的水力传导率下降速度较为缓慢。赵春雷等[22]研究发现，冻融循环对饱和导水率影响显著，尤其是0～10 cm土层饱和导水率下降最为明显。

2 农田冻融土壤水、热、盐耦合运移机制

2.1 冻融土壤与外环境的能量交换及温度响应

地表能量的收支平衡和结构在一定程度上决定了土体内部的温度状态，是土壤水、热、盐协同运移的核心驱动力[23]。土体内部与外环境的能量平衡可以表述为各种能量分量的代数和，其表达式为

EN=ER+EH+EL+EG+EP

(1)

式中:EN为净能量平衡；ER为净辐射通量；EH为感热通量；EL为相变潜热通量；EG为地表以下热通量;EP为降水带来的热通量。

土壤能量变化主要取决于大气环境的变化[24]，且浅层土壤的热量传递与各气象因子关系密切，冻土与大气间的热量存在相互交换的过程，在这一过程内涉及到土壤热导率、土壤温度变化梯度、潜热、地表温度等多个指标的相互作用[25]。在季节性冻土区，冬季随着降雪量的增加，积雪与作物残茬相结合在土壤表面形成了新的覆盖层，改变了土层对外界能量的吸收和散失量，使土表的能量迁移过程发生改变[26]。土壤与外界环境的能量交换过程及控制因素见图1。

图1 基于季节性冻融条件下的土壤水热运移

此外，由于外环境的不同，广大学者在对能量交换与平衡的研究中，分别考虑了积雪内部能量的迁移与平衡以及土层能量的迁移与平衡两个过程[27]。Sverdrup U H[28]首次将能量迁移理论应用于雪层研究中，并探讨了湍流热在大气与雪层中的迁移情况。Sokratov S A等[29]利用试验的手段模拟还原了不同温度梯度下雪中热、质运移过程，发现了水气输送与相变对雪层热量迁移的作用效果。Smith M W等[30]利用土壤热特性参数模拟出不同土层间的能量变化。

2.2 土壤水分状况及融雪水入渗

积雪对于干旱及半干旱地区是重要的水资源，能够有效补充土壤水分[31]。然而，冻融土壤水分运动因热量的迁移以及相关的水分相变而变得复杂[32]，它受热量和质量流的相变耦合以及其他条件共同影响[33]。目前研究集中于融雪水的入渗过程[34]以及优先流的影响[35]。在较早时期，大部分学者以其他溶质代替水作为渗透剂对冻结和未冻结土壤之间的水力传导度、渗透性和渗透率进行测定[36]。然而，这些研究忽略了土壤水与其他溶质之间的黏滞性以及表面张力的差异。随着土壤水分入渗研究的进一步发展，很多学者假定出一个理想边界条件，将土壤的水分运动的相关指标代入模型进行求解，并对土壤水分的动态变化过程进行了模拟。Tarnawski V R等[37]基于Campbell模型提出了基于土壤粒径分布和孔隙度的冻土导水率计算模型。关志成[38]对Sacramento模型、新安江模型、水箱模型等模型进行了改进，较好的模拟了长时间序列的春季融化期融雪径流的情况。

同时，也有学者围绕冻土的渗透能力影响因素展开探讨。Zuzel J F等[39]认为土壤的入渗特性与土壤类型有关，并得出冻结过程不会改变不同耕作措施下土壤的入渗特性。He H等[40]通过研究发现，0～10 cm 间冻土的孔隙率与0～30 cm的土壤初始含水率对春季土壤融雪水入渗具有重要影响。Demand D等[41]认为大孔隙率与冻深是影响冻土渗透的重要因素。

2.3 冻融土壤盐分协同运移过程

土壤的冻融过程影响着土体内部水分的迁移转化，当温度低于0 ℃时，地表形成冻结锋面，并且在势能差的驱动作用下，土壤中液态水携带盐离子向冻结锋面附近迁移[42]。土体中可交换状态的氮、磷等主要无机元素也极易随着土壤液态水的迁移在土壤中发生运移。Shanley J B等[43]发现当土壤水达到饱和状态后，土壤中的孔隙将被固态冰所填充，在融化期易形成壤中流，增加了矿物质元素流失的潜在风险。

为了掌握土壤中的水、热、盐的动态变化过程，Harlen R L[44]在忽略冻结土壤中冰与水之间的相互作用的基础上，率先建立了水热耦合模型，其求解过程为

(2)

(3)

式中：D(θl)为土壤水扩散系数，m2·s-1；K(θ)为土壤水导水系数，m·s-1；ρB为冰密度，kg·m-3；ρl为水密度，kg·m-3；θl为体积含水率，%；θB为体积含冰率，%；CS为土壤体积热容量，J·(m3·℃)-1；λ为土壤导热系数，W·(m3·℃)-1；Lf为相变潜热，J·kg-1；T为温度，℃；t为时间，s。

在Harlen R L所建立的水热耦合模型的基础上，黄兴法等[45]对上述模型进行改进，并利用试验数据实现了土壤水、热、盐分运移过程的初步模拟。李瑞平等[46]运用改进的SHAW模型模拟了冻融期重度盐渍化土壤累积蒸发量与土壤盐分的变化，探明了不同盐渍程度土壤水分运移以及盐分变化的规律。Hou R等[47-48]通过多种试验方法，阐明了寒区土壤水、热、盐迁移、扩散及相互机制。Wang X等[49]利用HYDRUS模型模拟了土壤水、热、盐的运移过程，为土壤水盐管理和灌区可持续发展提供了科学依据。

3 农田冻融土壤环境演变机理

在季节性冻土区，外界环境变化所引起的土壤冻融交替现象不仅能改变土壤的水文循环过程，也能影响土壤微生物和酶的数量与活性，催生土壤发生一定的化学变化，是寒区农田土壤碳、氮、磷等营养元素转化的重要驱动力[50]，通过查阅相关文献，绘制出农田土壤冻融过程生态环境效应及其伴生过程见图2。

图2 农田土壤冻融过程生态环境效应及其伴生过程

3.1 土壤氮素矿化

此外，冻融循环通过影响土壤结构，能够改变氮素的附着能力，使部分氮素随水分迁移，引发氮素淋溶过程[56]。Fu Q等[57]的研究表明，冻融循环促进了氮素淋溶过程，加剧了氮素淋溶流失现象，并随着冻融循环过程的发生，淋溶损失累积量呈现先增大后减少并趋于稳定的趋势。封保根等[58]研究发现，冻融循环通过改变土壤理化性质增加了氮素的淋失量；从氮循环对温室气体的贡献来看， N2O在温室气体中占比明显，而农田生态系统的N2O排放量较高，施肥土壤约为未施肥土壤的2.7倍[59]。Chen Z等[60]综合考虑冻融作用下N2O排放的影响因素，借助结构方程模型总结分析出作物非生长季N2O气体排放规律及与其他指标的响应关系，证实了春季融化期N2O排放对全年的氮素平衡具有较强的贡献。

3.2 土壤碳素循环

作为最大的碳库，土壤对陆地上的碳循环起着重要的作用[61]。在冻融作用影响下，土体颗粒裂解，增进了土壤可溶性有机碳与土壤微生物的接触，促进了土壤有机质的矿化和分解[62]。王娇月等[63]选取多年冻土区的泥炭土，研究了冻融作用对土壤碳素矿化的影响，发现冻融循环显著降低了各层土壤的矿化程度，对深层土壤矿化抑制作用明显，显著增加了土壤可溶性有机碳含量和CH4的排放量。刘淑霞等[64]以田间监测与室内模拟相结合的方法，发现随冻结温度及冻融频次的增加，土壤可溶性有机碳能够稳固上升。

事实上，土壤碳素循环过程也与土壤酶和微生物的活性密切相关，冻融循环过程导致的温度变化能够使部分土壤酶的活性发生变化，同时改变土壤微生物的代谢情况，进而影响土壤中微生物量碳氮的含量[65]。Ivarson K C等[66]通过研究表明，当土壤温度降低至-14 ℃时，能够激发一些水解酶的活性，促进低分子量有机质类型土壤的进一步分解矿化。李娜等[67]通过冻融模拟试验发现，冻融作用导致的温度变化从一定程度上抑制土壤微生物呼吸以及酶的分解作用，影响了土壤中有机碳的积累。Scheu S等[68]认为表层土壤有机碳成分越高，微生物可利用的底物则越多，相对深层土壤更易释放CO2气体。同时，在冻融条件下，表层土壤的甲烷氧化菌仍能发挥一定作用，实现对CH4气体的吸收[69]。

3.3 土壤磷素转化

土壤磷素是一种重要的营养素，能够影响作物早期的抗逆性和提高农产品的品质，在植物的生长代谢过程中不可缺少[70-71]。研究发现，温度对土壤磷素的迁移转化影响显著，在较高温度下随着土壤微生物活性的增加，溶解态有机磷也会有所增长[72]。而在冻融作用影响下，能够促进中等活性有效磷素逐步向中等稳定性有效磷素转化[73]，另外能够促进磷素的释放，使土壤微生物的呼吸作用增强[74]。Freppaz M等[75]通过冻融模拟试验对比了不同类型土壤在多次冻融循环后土壤磷素的变化，发现冻融循环能够使土壤总溶解磷的含量增加。钱多等[76]通过室内冻融模拟试验得到了冻结作用减弱了土壤对磷的吸附能力。也有学者讨论了磷在自然界中由植物体向土壤中的转移效果。Fitzhugh等[77]通过实验方法计算出在冻融循环影响下，天然林木向土壤中转移流失的磷可达15～32 mol·(hm2·a)-1。

3.4 土壤微生物响应

在土壤冻融过程中，由冻融循环所引起的水分、温度、通气性及营养物质的变化，改变着土壤微生物量与微生物活性[78-79]。土壤微生物的活性是土壤形成与发育、土壤碳氮元素矿化以及有机质分解的重要指示因子[80]。例如，Larsen K S等[81]的研究表明冻结作用能够使土壤微生物活性降低，使土壤中C∶N比值改变，并呈现降低的趋势。朴和春等[82]指出冻融作用增加了土壤中有机质的含量，促进了土壤微生物的脱氮化作用。刘正辉等[83]发现季节性冻融能够改变土壤中氨氧化微生物的群落特征，进而影响土壤中的氮素循环过程。周晓庆[84]在研究中指出，自养硝化细菌受冻融影响较大，并且这种影响效果是不可逆的，经历第二次冬季循环，细菌数量减幅较多，真菌群落则大幅增多，即多次冻融后微生物群落向以真菌群落为主的方向转变。

4 基于农田土壤冻融过程的土壤改良实践研究

生物炭(Biochar) 作为生物质高温热解产物，被作为土壤改良剂广泛应用。它最早发现于亚马逊流域，以森林大火或是火耕燃烧动物骨骼、粪便、植物废弃物所形成的“黑土壤”的形式出现[85]。由于其取材广泛，并且功能丰富，逐渐应用于土壤科学、农林科学以及环境科学的研究之中[86]。

4.1 生物炭对土壤物理特性调控机理

生物炭具有较大的孔隙度和比表面积，在施入土壤后，能够形成“炭—土”复合体，对农田土壤的容重、孔隙度、热特性参数以及持水能力均能产生一定的影响[87-88]。Zhao J K等[89]研究了生物炭施用对土壤热特性参数的影响，发现随着生物炭施用量的增加，土壤的导热率和热扩散率逐渐降低，比热容逐渐增大。Hseu Z Y等[90]在人工模拟降雨的试验条件下，发现生物炭能够优化土壤结构，减少35%～90%的土壤侵蚀量。Sun Z等[91]研究发现施用较少的生物炭，可改善土壤的结构组成。赵航[87]通过野外田间试验，发现生物炭的施用显著增加了土壤总孔隙度和直径>0.25 mm的团聚体含量，减小了土壤中粉、黏粒部分的含量，显著降低了土壤极微孔径所占比例，进而提高了土壤的保水性。

4.2 生物炭对土壤水文循环的影响

农田土壤的水文循环涉及到土壤的蒸发与入渗过程。岑睿[92]的研究表明，生物炭对不易下渗的河套灌区典型土壤的入渗能力改善效果较为理想，能够使地表土壤入渗速率增幅45.45%～56.82%，累积入渗量增幅37.6%～44.6%，并能更为持久地延缓土壤水分蒸发损失，延缓土壤含水率下降到田间持水量的时间。Wang T等[93]的研究结果证实了随着生物炭粒径和添加量的增加，对土壤蒸发的抑制作用增强，降低了土壤水分蒸发散失比率。李帅霖等[94]以黏粒占比较多的樓土为研究对象，证实了不同生物炭施加量对土壤湿润锋运移的影响，发现当生物炭施用量为1%～2%时，减缓了湿润锋运移的速度，而生物炭施用量达到4%时，能够促进湿润锋向下运移。Fu Q等[95]探究了冻融期间生物炭对土壤导水效果的影响，证实了生物炭的施用能够促进冻融前后的水分循环，提高作物在春季的抗旱能力。

4.3 生物炭对土壤环境的改良效果

农田土壤环境复杂多变，受不同的覆被条件影响，土壤的水分蒸发、热量散失、养分协调以及盐分供应均存在一定的差异[96]。生物炭作为一种土壤改良剂，在改善土壤结构、调节土壤pH值、维持土壤水分含量、减少土壤养分淋溶、提高作物胁迫能力等方面的优势已经得到了证实[97]。Gao Y等[98]在研究中发现，生物炭可以降低土壤的导热系数，从而提高冻融土壤的保温效果，使冻融期间土壤温度增加1.8～5.7 ℃。Li Q等[99]在冻融前后分别向土壤中施加了生物炭，证实了生物炭的施用能够在播种前为作物生长提供良好的积温并有效改善土壤墒情，并在作物生育期能够促进作物的生长。Hou R等[100]通过试验研究发现,在冻融条件下，施加生物炭可以加速土壤氮素的矿化速率；采用秸秆与生物炭联合调控的方法能够提高农田土壤碳、氮含量，降低CH4和N2O的排放通量，减弱它们对土壤水、热、碳和氮的响应[101]。Fu Q等[57]通过冻融模拟试验得到生物炭的施用能够提高冻融土壤无机氮的养分有效性的结论。

5 关键科学问题及未来发展趋势

根据上文叙述总结，农田土壤冻融过程的水土环境效应理论与实践研究理论体系见图3。在季节性冻土区，冻融过程是影响土壤理化性质的主要驱动力，围绕农田土壤冻融过程的土体团粒结构、土壤孔隙、土壤通气性以及土壤水力特性的变化已开展了大量探讨，并且发现在冻胀力的作用下会对土体产生结构性损伤。但大部分的研究仍停留在探求单一因素对土壤结构造成的影响效果上，由多因素协同造成的土体结构损伤的研究较为欠缺，并且控制单一因素的研究难以满足现实中的复杂变化的环境条件。因此，应增强对影响冻融土壤结构稳定性的主控因子的筛选，构建出寒区土壤理化特性变异过程的多因素耦合协同效应研究体系。

图3 农田土壤冻融过程的水土环境效应理论与实践研究理论体系

目前对农田土壤水、热、盐运移过程已开展大量研究，并且实现了对理想边界条件下的土壤水、热、盐运移过程的数值模拟。然而，考虑到寒区特殊的边界条件，有关春季融雪水入渗过程以及融雪水入渗引发的土壤盐分运动的讨论仍不够深入。考虑到自然环境的复杂性，冻融模拟试验中所得到的融雪水迁移转化以及溶质运移结果在自然环境中还存在偏差，今后研究仍应以田间试验为主，并从物理成因和机制的角度探索不同因素间的内在联系，以增强成果的实用价值。

冻融作用对农田土壤碳、氮、磷等养分元素迁移转化的研究大多停留在分析比较冻融前后各元素无机盐离子含量的数值变化上，对于相关机理的探讨也以推测为主，未能对某一元素进行精准定量地讨论分析，对主要参与反应的土壤酶以及土壤微生物的种类及其作用机制尚不明确。今后应引入更多的技术手段用于分析受冻融作用影响下的土壤养分迁移转化过程，明确影响土壤养分循环过程的主要影响因子，通过对影响因子的控制从而使可被作物直接利用的养分长久地贮存在土壤中。

随着黑土保护战略的提出，利用外源生物质材料对季节性冻土区农田土壤进行综合调控也已成为新的研究热点。虽然很多学者利用生物炭在非冻结区域实现了土壤结构及土壤环境的优化改良，但考虑到季节性冻土区粮食生产的战略地位，如何利用休耕期有针对性地对土壤的理化特性进行优化，对土壤有机质及其他养分元素进行合理补充，减少水土侵蚀现象的发生，有针对性地制定出土壤优化改良技术手册，将成为下一步研究的重点。