凍結溫度對土壤理化性質的影響

凍結溫度對土壤理化性質的影響

季節(jié)性凍融期土壤溫度變化及與土壤水分遷移特征相關研究由于冷土壤水熱轉移過程的復雜性和邊界條件的多樣性，國內外科學家對冷土壤水熱轉移過程的轉化規(guī)律進行了大量研究。尚松浩等人在地下水淺埋條件下建立了冷土壤水熱轉移模型，并對冷土壤水分解水過程中的土壤飽和非飽和水流動進行了初步研究。近年來,中國一些研究者通過田間試驗研究了凍融期不同地表處理條件、不同凍融階段土壤剖面水熱的變化特征。在地下水淺埋區(qū),土壤的凍結與融化作用加劇了潛水與土壤水的轉化,而土壤的凍融狀況及凍融過程主要取決于土壤溫度,因此,研究地下水淺埋條件下土壤溫度的變化及土壤剖面水分遷移特征對于揭示凍融期潛水與土壤水的轉化規(guī)律具有重要意義。季節(jié)性凍融期土壤溫度的變化決定了凍土的物理、力學、水力性質以及土壤凍結和融化特征,影響冬春季節(jié)作物的播種、生長發(fā)育、土壤養(yǎng)分分布。氣溫和降水、冬春灌水、地表覆蓋、地下水位埋深等均影響土壤溫度,關于季節(jié)性凍融期土壤溫度方面的研究取得了一些重要的研究成果,鄭秀清等研究表明凍融期氣溫與土壤溫度的變化具有較好的相關性,苗春燕等研究了季節(jié)性凍融期不同地下水位埋深下土壤剖面溫度的變化特征,但均未考慮氣溫變化幅度對土壤溫度的影響。李瑞平等研究了凍融期氣溫與土壤剖面的水分遷移特征,但未考慮氣溫降幅對土壤水分遷移的影響。已有研究表明,土壤質地影響土壤水肥運動,土壤顆粒大小影響土壤的水熱參數,而土壤質地對凍結土壤溫度和水分遷移的影響還有待研究。為了揭示氣溫降幅和土壤質地對地下水淺埋區(qū)土壤溫度的變化和水分遷移的影響,采用室內土壤單向凍結試驗,研究了地下水位埋深為87.5cm3種不同氣溫降幅下砂壤土和粉質粘壤土土壤溫度的變化與水分遷移特征。1測試方法1.1空氣制冷系統(tǒng)室內土壤單向凍結試驗裝置主要由模擬池、空氣制冷系統(tǒng)、定水頭供水系統(tǒng)和土壤溫度場自動監(jiān)測系統(tǒng)組成,試驗裝置結構示意如圖1所示。模擬池池內規(guī)格(長×寬×高)為123cm×44cm×97.5cm,是由厚度為1cm的PVC塑料板制成的雙層保溫池?？諝庵评湓O備由HaierBC/BD-388A型冰柜(冷凍能力為31kg/d)改造為數控制冷裝置,模擬冬季氣溫的降低過程,溫控精度為0.01℃,最低制冷溫度為-36℃。定水頭供水系統(tǒng)由模擬池之外的容量瓶控制,模擬池底部鋪設厚度約2cm的石英砂,考慮土壤凍結后凍脹不超出模擬池頂,設定的地下水位埋深為87.5cm。土壤溫度場自動監(jiān)測系統(tǒng)由計算機、智能溫度傳感器及LTM-8303型溫度測量智能模塊組成,土壤溫度采用智能溫度傳感器實時監(jiān)測,數據由計算機自動采集,采集頻率為1次/min。1.2土壤測試試驗土樣取自太原市晉源區(qū)汾河西岸,2種土壤質地分別為砂壤土和粉質粘壤土,是太原盆地代表性土壤,其物理性質如表1所示。1.3凍結方案設計根據原狀土的天然容重和天然含水率,將砂壤土和粉質粘壤土分別均勻充填于模擬池中,并在垂向上埋設智能溫度傳感器,分別獨立供水直至剖面水分穩(wěn)定。按如下3種氣溫降幅方案進行了土壤單向凍結試驗,起始冷凍氣溫均為-5℃:(1)小幅降溫凍結方案:在制冷設備氣溫為-5℃的凍結作用下,當土壤剖面溫度穩(wěn)定時(凍結第7天),將氣溫降低3℃,經過6次變溫降至-23℃,土壤剖面溫度穩(wěn)定時停止凍結。(2)中幅降溫凍結方案:當土壤剖面溫度穩(wěn)定時(凍結第7天),將氣溫降低5℃,經過5次變溫降至-30℃,土壤剖面溫度穩(wěn)定時停止凍結。(3)大幅降溫凍結方案:當土壤剖面溫度穩(wěn)定時(凍結第7天),將氣溫降低7℃,經過4次變溫降至-33℃,當土壤剖面溫度穩(wěn)定時停止凍結。3種氣溫降幅凍結試驗方案如表2所示。土壤水分采用人工取土、稱重烘干法測定,取樣點深度分別為0、5、15、25、35、45、55、65、75和85cm。土壤溫度監(jiān)測點設置情況如表3所示。2結果分析2.1土壤溫度變化特征2.1.1蘇-砂土土壤溫度的變化由于土壤凍結過程中不斷釋放潛熱,所以冷凍氣溫呈波動式下降,較冰柜空載調試的氣溫低(圖2)。小幅降溫凍結時,土壤凍結過程緩慢,潛熱釋放對冷凍氣溫的影響較小,試驗結束時冷凍氣溫達到調試的-23.0℃;中幅降溫和大幅降溫條件下,試驗結束時氣溫分別較調試的低5.0℃和5.3℃?？梢?氣溫降幅越大,潛熱釋放對氣溫的影響越顯著。由于土壤導熱系數遠小于空氣導熱系數,所以地表土壤溫度變幅小于空氣的溫度變幅(圖2)。凍結前,在土壤毛細作用下,剖面土壤水分穩(wěn)定后粉質粘壤土和砂壤土地表土壤含水率分別為15.6%和17.5%,由于砂壤土的干容重和土壤含水率均較大,根據徐學祖等試驗研究可知,砂壤土的導熱系數大于粉質粘壤土。在凍結氣溫作用下,砂壤土凍結速率較快,其地表溫度低于粉質粘壤土。隨著氣溫降幅的增加,粉質粘壤土與砂壤土的地表溫差隨著凍結歷時在不斷增大。小幅降溫凍結下,試驗結束時砂壤土地表溫度較粉質粘壤土低0.88℃,中幅降溫和大幅降溫凍結下砂壤土地表溫度較粉質粘壤土分別低2.06℃和2.81℃?？梢?氣溫降幅越大,粉質粘壤土與砂壤土的地表溫差越大。2.1.2不同凍結條件下砂、粉質粘土等溫線變化土壤顆粒大小、干容重、含水率均影響土壤的導熱系數,砂壤土和粉質粘壤土干容重基本相近,但土粒大小和含水率不同。在地下水位埋深為87.5cm條件下,砂壤土和粉質粘壤土剖面初始含水率相差較小,所以土壤質地成為決定土壤剖面導熱系數的主要因素,砂壤土顆粒直徑相對較大,其總孔隙度較粉質粘壤土小,所以砂壤土導熱系數較粉質粘壤土的大。因此,無論在何種氣溫降幅凍結方案下,砂壤土剖面溫度降速較快,由圖3可見,砂壤土和粉質粘壤土的0℃等溫線在凍結第42天分別達到33cm和28cm。土壤剖面溫度等溫線在垂向上的疏密程度反映了垂向土壤溫度梯度的大小,隨著土壤溫度的不斷降低,10~20cm土壤溫度在垂向上變化較小,表明該層水分相變?yōu)楸?是堅硬密實的凍層分布位置。由圖3b可以看出,40~50cm土壤溫度等值線在冷凍10d后幾乎與橫軸平行,說明在小幅降溫凍結下,粉質粘壤土0~40cm土壤的溫度變化較為劇烈。圖4為不同凍結方案下12cm和37cm深度處的土壤溫度變化曲線。由圖4可見,砂壤土溫度低于粉質粘壤土,在小幅降溫凍結條件下,試驗結束時粉質粘壤土12cm和37cm土層處的土壤溫度較砂壤土溫度分別高1.69℃和1.94℃;在中幅降溫凍結條件下,粉質粘壤土較砂壤土溫度分別高0.38℃和0.94℃;在大幅降溫凍結條件下,粉質粘壤土較砂壤土溫度分別高0.69℃和0.72℃?？梢?無論何種凍結方案,由于土壤剖面熱傳導特性的差異,粉質粘壤土與砂壤土的溫差隨著土壤深度的增加而增大。2.1.3土壤溫度日變化特征根據土壤剖面溫度變化特征,土壤凍結過程中土壤剖面溫度變化可劃分為3個階段,即快速降溫階段(剖面土壤溫度日降幅大于3℃),慢速降溫階段(剖面土壤溫度日降幅為0.5~3℃)和穩(wěn)定降溫階段(剖面土壤溫度日降幅小于0.5℃)。不同深度土壤溫度變化趨勢基本一致,在快速降溫階段,曲線斜率近乎垂直,土壤溫度在冷凍氣溫作用下快速下降。在地下水淺埋條件下,隨著土壤深度的增加,土壤含水率增加,使得土壤熱容量的增大,從而使土壤溫度變幅減小。12cm處土壤溫度在凍結第3天時降速趨緩,進入慢速降溫階段。37cm處土壤水分未發(fā)生相變,在溫度梯度作用下,土壤溫度不斷降低,呈現穩(wěn)定降溫特征,土壤降溫持續(xù)時間較12cm處長。在大幅降溫凍結條件下,剖面土壤溫度在第37天達到穩(wěn)定降溫階段;而小幅降溫凍結條件下,剖面土壤溫度在第31天呈現穩(wěn)定降溫特征,3種凍結方案下土壤剖面溫度變化階段劃分如表4所示。2.2土壤含水量的遷移特征2.2.1不同溫濕度條件下土壤水分運動特征3種凍結方案的土壤剖面含水率凍結始末變化對比如圖5所示。由圖可知,地下水淺埋條件下土壤凍結作用使剖面水分發(fā)生明顯的遷移。土壤溫度制約著土壤剖面水分的遷移,在冷凍氣溫作用下,土壤溫度逐漸降低,當溫度降低到土壤凍結溫度時,部分液態(tài)水相變成冰,土水勢降低,由此產生的土水勢梯度使土壤剖面水分由高土水勢向低土水勢遷移。當凍結開始后,第5~6天砂壤土表層溫度為-0.62~-0.5℃,表層1cm土壤凍結,而粉質粘壤土表層溫度為-0.25~0℃,土壤尚未凍結。在實施降溫第7天后,如果氣溫降幅較大(Δ=7℃),0~10cm土層土壤快速凍結,土壤水分呈原位凍結特征,孔隙較快地被凍結的水分充填,水分可以運動的有效孔隙度降低,所以水分向地表冷端遷移水量較少。由圖5可見,在大幅降溫凍結下,0~10cm土壤含水率反而最小;而小幅降溫凍結下,0~10cm土壤含水率最大,砂壤土0~10cm土壤含水率較中幅降溫和大幅降溫凍結下高1.5%和7.3%,粉質粘壤土0~10cm土壤含水率較中幅降溫和大幅降溫凍結下高2.3%和2.7%。在小幅降溫慢速凍結條件下,土壤由地表向下緩慢凍結,水分原位凍結較慢,水分源源不斷地向凍結處遷移,所以向地表冷端遷移水量較多,土壤剖面水分主要在10~20cm聚集。在大幅降溫凍結下,土壤剖面含水率變化較大,砂壤土水分聚集在20~30cm,粉質粘壤土水分主要聚集在20~40cm,聚墑區(qū)的含水率較小幅降溫凍結高5.3%~8.7%;盡管表層土壤凍結較快,但在較大的土壤溫度梯度作用下,剖面水分遷移較快,潛水流入土壤剖面的水量較大,因此土壤剖面含水率總體較高。2.2.2凍結作用下砂土和粉質粘土含水率分布特征在凍結過程中,如果土壤剖面顆粒較粗,則相對較大的孔隙便于水分遷移,水分會在較短的時間內在凍結鋒面處聚集,反之,凍結鋒面不斷向下發(fā)展,水分在較深的位置聚集。由圖5可知,凍結作用下水分在砂壤土中聚集的深度較粉質粘壤土淺,砂壤土水分主要聚集在10~30cm,而粉質粘壤土水分主要聚集在10~40cm。由于砂壤土孔隙直徑相對較大,水力傳導系數較大,有利于水分遷移,凍結鋒面處含水率較粉質粘壤土大。在小幅降溫凍結下,砂壤土和粉質粘壤土剖面含水率峰值分別為33.7%和29.5%;大幅降溫凍結下,砂壤土和粉質粘壤土剖面含水率最大值分別為39.0%和38.2%。3土壤溫度和凍結作用(1)氣溫降幅越大,粉質粘壤土與砂壤土的地表溫差越大,小幅降溫、中幅降溫和大幅降溫凍結條件下砂壤土地表溫度較粉質粘壤土分別低0.88、2.06和2.81℃。(2)砂壤土剖面溫度降速較快,土壤溫度較粉質粘壤土溫度低。隨著土壤深度的增加,土壤剖面溫度變幅減小。12cm處土壤溫度在凍結第3天降速趨緩,進入慢速降溫階段;37cm處土壤溫度呈現穩(wěn)定降溫特征,降溫持續(xù)時間較12cm處長。小幅降溫、中幅降溫和大幅降溫凍結條件下,剖面土壤溫度分別在第31、33和37天時達到穩(wěn)定降溫階段。(3)小幅降溫凍結下,剖面水分向上部土層遷移量較大,大幅降溫凍結下,0~10cm土壤快速凍結,土壤水分呈原位凍結特征,水分運動的有效孔隙度降低。小幅降溫凍結下砂壤土和