地表覆蓋對凍融期土壤水鹽分布特征的影響

李 慧 張旭賢 李志剛 單明明

（塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾843300）

新疆屬于季節(jié)性凍融地區(qū)，常年氣候干旱，降雨量稀少，蒸發(fā)強烈，水資源極其匱乏，限制新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。近些年，膜下滴灌技術(shù)的推廣，充分發(fā)揮其節(jié)水、增產(chǎn)、增效作用，已經(jīng)成為新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要的保證。但膜下滴灌技術(shù)只在作物生育期根系附近進行少量的灌水，無法將土壤中的鹽分排出農(nóng)田。作物生育期的結(jié)束以后，氣溫逐漸降低，土壤中水分和鹽分在凍融作用的影響下，會再次進行重分布。尤其在春季消融期間，蒸發(fā)較為強烈，土壤水分運移會促使鹽分表聚，容易引起干旱地區(qū)土壤次生鹽漬化［1］。在凍融期，為減少由蒸發(fā)作用所造成土壤水分的散失，抑制鹽分上移，目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常采用的方法就是在土壤表面進行地表覆蓋［2］。

相關(guān)研究表明［3-6］地表覆蓋減弱了大氣與土壤的熱交換，提高土壤溫度，降低土壤水分凍結(jié)深度，進而改變土壤水分和鹽分的遷移變化過程。劉子義［7］在我國對于凍融條件下土壤水鹽運移研究比較早，將土壤的凍融過程大致分為初凍階段、凍層發(fā)展階段、凍層穩(wěn)定階段和融凍結(jié)段四個階段，并認為凍結(jié)期土壤水分、鹽分的活動與地下水有關(guān)。虎膽·吐馬爾白［8］等人利用經(jīng)典統(tǒng)計學研究了棉田土壤在凍融期水分、鹽分隨時間、空間動態(tài)變異特征。陳軍鋒［9］等人研究了不同秸稈覆蓋量對凍融期土壤水分的變化影響，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋對耕作層儲水保墑效果顯著。單小琴［10］等人研究了季節(jié)性凍融期不同地表覆蓋措施對土壤溫度時空變化的影響，發(fā)現(xiàn)不同地表覆蓋對土壤增溫效果存在明顯差異。靳志鋒［11］等人探究積雪消融對土壤水分和鹽分的分布情況，發(fā)現(xiàn)消融期積雪對土壤水分調(diào)控以及保墑、抑鹽有著十分重要的作用。邢述彥［12］等研究在凍融期不同秸稈覆蓋厚度對土壤墑情的影響。張金珠［13］等人針對滴灌條件下不同深度秸稈覆蓋方式對鹽堿地土壤鹽分分布的調(diào)控進行了深入研究。

目前，關(guān)于在凍融期地表覆蓋的研究主要集中于積雪覆蓋下溫度和水分的方面，而對于凍融期地膜覆蓋和秸稈覆蓋下水分和鹽分的研究較少。本文以南疆滴灌棉田為研究對象，在凍融期設(shè)置不同地表覆蓋方式，通過監(jiān)測土壤水分和鹽分變化情況，揭示在凍融期土壤水分和鹽分在不同地表覆蓋模式下的變化規(guī)律，為春季棉田土壤保墑及防止土壤次生鹽漬化有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018 年10 月-2019 年4 月新疆阿拉爾市塔里木大學水利與建筑工程學院的試驗基地進行。試 驗 區(qū) 位 于79°23′30"E～81°43′27"E，40°20′25"N～40°47′38"N 之間，海拔高程1 011 m。該地區(qū)地處塔里木盆地北緣，屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，雨量稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強烈。年均日照時間為2 556. 3 h，極端最高氣溫35 ℃，極端最低氣溫-28 ℃。年均降水量為40. 1～82. 5 mm，年均蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm。該試驗區(qū)地下水位埋深3. 5 m，土壤質(zhì)地為砂壤土，0-100 cm 土壤平均容重1.45 g/cm3。

1.2 試驗方法

試驗地前茬作物為膜下滴灌棉花，試驗區(qū)設(shè)置了裸地（LD）、地膜覆膜（DM）和玉米秸稈覆蓋（JG）3種地表處理，每個處理兩次重復(fù)。其中地膜覆蓋采用黑色塑料膜覆蓋(厚度約為0. 1 mm 的聚乙烯材質(zhì))，并用土把周圍地膜壓實。秸稈覆蓋采用試驗區(qū)玉米秸稈，將玉米秸稈長度控制在3-5 cm 之間，然后均勻碾壓覆蓋于棉田地表。試驗采用人工土鉆取土，每個處理重復(fù)設(shè)置三個取樣點，取樣點深度分別為0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm 和100 cm。試驗階段為2018 年11 月3 日-2019 年3 月17 日。每次取樣后及時對每個土樣采用烘干法測出土壤的質(zhì)量含水率，然后將烘干土樣磨碎、過篩，按水土比5∶1(蒸餾水90 ml，干土18 g)制取土壤浸提液，利用電導率儀測定溶液的電導率EC值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋條件對凍融期土壤含水率的影響

凍融期土壤水分運移規(guī)律與土壤凍結(jié)狀態(tài)存在緊密聯(lián)系，不同地表覆蓋在改變土壤凍結(jié)狀態(tài)的同時也影響了土壤水分的分布狀況。圖1、2、3 為試驗期間LD、DM、JG 三種處理下土壤含水率在不同凍融階段的土壤剖面分布情況。

由圖1 可看出，不同地表覆蓋處理下土壤初始含水率及剖面分布規(guī)律大致相同。表層含水率略低，約為13%左右。淺層10-40 cm 處含水率隨著深度增加略微有所增加，平均含水率為16. 86%。在地表下50 cm處附近為土壤水分高值區(qū)（18.33%～21. 10%）；在土壤60-80 cm 處為土壤水分低值區(qū)，LD、DM、JG 處理含水率分別為16. 61%，11. 79%，12.70%，其中DM、JG 處理達到土壤水分整個剖面最低值。在土壤80 cm 以下含水率隨土深略微逐漸減小，各處理間無明顯差異。

圖1 不同覆蓋處理下初始土壤含水率（2018-11-03）

穩(wěn)定凍結(jié)階段如圖2，各處理土壤含水率趨勢較為相似。由于各處理淺層土壤水分受外界環(huán)境影響程度的不同，土壤含水率差異性較大。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%，說明地膜和秸稈覆蓋均能抑制土壤水分向大氣中逸散，限制了表層土壤水分的蒸發(fā)。尤其是地膜覆蓋具有一定的隔熱保溫作用，在阻隔土壤水分蒸發(fā)的同時提高土壤地溫，使得表層水分有所增加。在土壤深度10-50 cm 處含水率整體較高，且土壤水分波動明顯。這是因為非凍結(jié)帶中的水分主要向凍結(jié)帶運移，隨著土壤溫度的降低凍結(jié)帶含水率有所增加，使得10-50 cm 土體水分增多。LD 在50 cm 處達到剖面含水率最大值19. 34%；DM、JG 土壤水分高值區(qū)出現(xiàn)在30 cm 和40 cm 處，含水率分別為31. 72%和25. 78%。而土層50 cm 處以下，土壤含水率隨深度增加呈減小趨勢，各處理在深層土壤中均出現(xiàn)小范圍的水分高值區(qū)，LD 峰值出現(xiàn)在90 cm，JG、DM 峰值在80 cm。這是由于在季節(jié)性凍土地區(qū)，凍結(jié)期間隨著溫度變化土壤中的水分會發(fā)生固液氣三相變化，當外界大氣溫度逐漸降低，土壤水分會自上而下逐漸凍結(jié)，一部分液態(tài)水變?yōu)楣虘B(tài)冰。隨著土壤中的液態(tài)水分的逐漸減少，土壤基質(zhì)勢也在減小，在土壤基質(zhì)勢驅(qū)動力作用下，土壤中的液態(tài)水分會向凍結(jié)鋒面遷移。地膜和秸稈覆蓋措施提高了土壤溫度，同時LD、DM、JG 最大凍結(jié)深度為85 cm、75 cm 和75 cm，下層液態(tài)水會向上層凍結(jié)鋒匯聚，因此土壤深層LD含水率峰值均比JG、DM出現(xiàn)的位置要深。

圖2 不同覆蓋處理下穩(wěn)定凍結(jié)期土壤含水率（2019-01-24）

到融化期如圖3，由于大氣溫度快速回升，土壤表層受蒸發(fā)作用明顯，LD、JG地表含水率僅為8.20%和13.26%，DM 地表含水率為24.34%。由于裸地地表無覆蓋措施，地表水分大量散失。地膜和秸稈覆蓋下土壤溫度較高，凍結(jié)土層在受上部太陽輻射和底部地熱的影響，開始雙向解凍。隨著地表蒸發(fā)作用，上部消融的土壤水分向上運移，遇到表層較高溫度的土壤，汽化并上升，地膜覆蓋可以完全阻隔水分汽化冷凝返回土壤表層，而秸稈覆蓋只能減少水汽的蒸發(fā)。對于下部的融水在土水勢梯度的作用下向下傳輸，LD 在地表以下30-80 cm 處土壤含水率相比凍結(jié)期有所增加；DM、JG 變化趨勢較為一致，且土壤含水率在剖面90 cm 處仍存在一個水分高值區(qū)，與凍結(jié)期相比，高值區(qū)位置向下移動。這是因為土壤溫度回升以后，固態(tài)凍結(jié)鋒水分逐漸融化，在重力作用下向下移動所致的結(jié)果。在整個融化階段，土壤淺層水分整體呈JG 覆蓋最高，DM 覆蓋其次，LD 最小。這可能是由于秸稈覆蓋較厚，溫度是土壤水分的驅(qū)動力，根據(jù)對地溫監(jiān)測顯示，秸稈覆蓋淺層溫度高于地膜覆蓋。

圖3 不同覆蓋處理下融化期土壤含水率（2019-03-17）

綜上，JG 覆蓋和DM 覆蓋在一定程度上阻礙了外界環(huán)境與土壤之間的能量交換，改變原有土壤的自然凍融過程，進而影響凍融期土壤中水分的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。JG 和DM 均具有蓄水保墑作用，在不同凍融階段JG 和DM 覆蓋水分存在差異性，同時一定程度上相對于裸地處理也具有不同的垂向分布特征。

2.2 不同覆蓋條件對凍融期土壤電導率的影響

在凍融期土壤水分發(fā)生重新分布，鹽分也伴隨水分發(fā)生了再分布，土壤中的水分既是鹽分的溶劑，又是鹽分運移的載體。圖4、5、6 為不同地表覆蓋處理下凍融期土壤電導率的變化圖。

圖4 不同覆蓋處理下初始土壤電導率（2018-11-03）

由圖4 可以看出，各處理土壤電導率在不同深度方向的變化趨勢基本相同。表層電導率在整個剖面上最大，LD、DM、JG 處理電導率分別為1 882μS/cm，1 342μS/cm 和1 671μS/cm；在10-100 cm 土層，各處理電導率值相差不大，曲線基本與縱軸平行，且電導率較低，皆保持在250μS/cm 范圍內(nèi)。

在穩(wěn)定凍結(jié)階段（圖5），各處理表層土壤電導率比初始狀態(tài)均有所增加，LD、DM、JG 處理電導率分別由1 882μS/cm、1 342μS/cm、1 671μS/cm 增大至4 330μS/cm、1 963μS/cm 和3 757μS/cm。LD 與DM覆蓋和JG 覆蓋的土壤電導率相比，分別高出120.58%和15.25%，說明地表覆蓋對土壤表層鹽分具有一定抑制作用，從而導致地表鹽分減少，DM 覆蓋最為明顯。在土壤淺層10-40 cm 范圍內(nèi)電導率的變化波動較大，DM、JG 表現(xiàn)尤為明顯，都存在一個低鹽區(qū)和一個高鹽區(qū)。DM 和JG 低鹽區(qū)分別出現(xiàn)在10 cm和20 cm 處，而兩者高鹽區(qū)均出現(xiàn)低鹽區(qū)向下10 cm的位置。這是因為溫度是土壤水分運移的驅(qū)動力，土壤水分運移間接影響著鹽分運移，土壤中鹽分主要吸附在土壤表面上或存留在土壤孔隙中。溫度的變化使土壤中的水分發(fā)生固液氣三相轉(zhuǎn)化，當溫度較低時，土壤中一部分液態(tài)水會固結(jié)成冰，在固相狀態(tài)下，鹽分在水中的溶解度降低，并且鹽分運移受土壤水分運移的影響，運移速度和運移范圍也減小。由于DM 和JG 覆蓋使土壤保持較高地溫，土壤水分在液相狀態(tài)下，鹽分在水中的溶解度增加，運移速度和運移范圍也增大，大量鹽分溶解于水中隨著水分的運動開始彌散運移，因此DM 和JG 鹽分在淺層范圍變化波動較大。同時對比穩(wěn)定凍結(jié)期土壤含水率情況，可以看出DM 和JG 在同一土層時含水率與電導率變化趨勢剛好相反，雖然外界環(huán)境相同，但是土壤含水率的不同導致DM 和JG 兩處理土壤電導率運移存在差異。對于50 cm 以下土壤電導率逐漸減小，基本變化幅度不大，且電導率維持較低數(shù)值。

圖5 不同覆蓋處理下穩(wěn)定凍結(jié)期土壤電導率（2019-01-24）

由圖6可知，各處理在融化期土壤電導率均有明顯變化，但是相比之下，LD土壤電導率在剖面的變化波動比DM 和JG 大，并存在兩個電導率高值區(qū)分別在30 cm 和70 cm 處。JG 處理在淺層土壤電導率也存在明顯波動，而DM 處理電導率隨土層深度逐漸減小，較為穩(wěn)定。由于水分是鹽分運移的載體，春季氣溫回暖速度較快，土壤蒸發(fā)強烈，因此，淺層的土壤鹽分在融化期出現(xiàn)較大變化，尤其是裸地在無覆蓋措施下，淺層鹽分變化較為劇烈。相比之下，LD 與DM和JG對比，在土壤融化期后至播種之間的這段時間更容易造成春季土壤次生鹽漬化的發(fā)生。

圖6 不同覆蓋處理下融化期土壤電導率（2019-03-17）

綜上所述，地表覆蓋改變土壤溫度，土壤溫度是水分運移的驅(qū)動力，同時水分又是鹽分的載體，進而改變了土壤的自然凍融過程鹽分變化規(guī)律。DM 覆蓋和JG覆蓋均具有保墑抑鹽分的作用，DM覆蓋效果最好，JG覆蓋次之，LD最差。

3 討論

地表覆蓋對土壤的凍結(jié)、融化作用以及土壤水熱的動態(tài)變化具有重要的影響［14］。有研究認為，在整個凍融階段，地膜覆蓋和秸稈覆蓋在表層明顯增加土壤墑情，且地膜覆蓋保墑效果優(yōu)于秸稈覆蓋［15］。本研究發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)階段，地膜覆蓋保墑效果最好，秸稈覆蓋其次，裸地最差，這與前人研究結(jié)果相似。但對于融化階段，土壤上層水分整體呈秸稈最高，地膜次之，裸地最小。這可能是與秸稈覆蓋厚度有關(guān)系，秸稈覆蓋較厚，土壤地溫較高，水分在蒸發(fā)作用下，向上層土壤運移較快。同時凍融期水分在土壤中的運移受土壤質(zhì)地、土壤分層和土壤水分空間變異性等各種因素的影響，對凍融土壤水分運移的作用機理，有待進一步研究。

在季節(jié)性凍土地區(qū)，地表覆蓋減弱土壤與外界環(huán)境的熱交換，相對于裸地具有較好的保溫效果，從而有效調(diào)控土壤水鹽運移幅度，其影響程度隨土壤深度的增加而減弱［16］，這一點與本研究結(jié)果基本一致?；谟邢薜臄?shù)據(jù)對不同地表覆蓋土壤進行分析，由于凍融土壤水鹽運移問題本身的復(fù)雜性和周圍環(huán)境影響因素的不確定性，需要進行長期試驗與監(jiān)測，以保證試驗結(jié)果的準確性。

4 結(jié)論

凍融期土壤水分和鹽分運移的主要受到土壤凍結(jié)狀況和土壤蒸發(fā)的影響，地表覆蓋對于土壤凍結(jié)狀態(tài)和土壤蒸發(fā)具有重要的影響，這使得不同凍融階段土壤水分和鹽分動態(tài)變化與裸地具有較大區(qū)別。通過對季節(jié)性凍土地區(qū)三種不同地表處理的土壤水分和鹽分動態(tài)變化特征的分析，得出如下結(jié)論：

（1）不同地表覆蓋處理凍融期土層含水率變化特征：在土壤凍結(jié)階段，地表覆蓋對土壤具有保溫隔熱作用，LD 處理更容易受外界環(huán)境因素的影響。表層土壤含水率較初始含水率LD 明顯減少，JG 和DM有所增加。對各處理淺層土壤含水率明顯高于深層，隨著土層深度的增加，50 cm 以下土壤含水率變化不明顯。在整個土壤剖面上，各處理均存在兩個高值水分區(qū)，LD 比JG 和DM 高值水分區(qū)深10 cm，且整體土壤含水率總體呈現(xiàn)LD＜JG＜DM。在融化階段，各處理表層土壤含水率均有所下降，LD水分減少最為明顯。對于土壤淺層水分整體呈JG最高，DM其次，LD最小。

（2）對于各處理在凍融期土層電導率變化特征：在整個凍融期，淺層土壤電導率整體高于深層土壤，且波動明顯。在穩(wěn)定凍結(jié)階段，LD 表層電導率較JG和DM增加顯著，對于各處理淺層10-40 cm土壤電導率均比初始狀態(tài)增幅明顯，且波動幅度較大。在融化期間，LD土壤電導率在淺層剖面的變化波動最大，JG覆蓋次之，DM覆蓋最穩(wěn)定。