凍結(jié)條件下土壤含水量遷移規(guī)律的研究

凍結(jié)條件下土壤含水量遷移規(guī)律的研究

目前，我國對非晶態(tài)土壤特性的研究相對廣泛、深入。因為研究凍融條件下土壤中水分運移特性和水鹽遷移規(guī)律具有極為重要的農(nóng)業(yè)意義。1凍結(jié)帶下土水勢變化的變化過程隨著凍結(jié)帶下部水分在凍結(jié)勢作用下不斷上移補給上部凍結(jié)帶,土壤中原有土水勢平衡遭到破壞,補給帶的總土水勢降低,這樣下部相鄰?fù)寥缹又兴珠_始上移,就形成新的動態(tài)平衡,于是在凍結(jié)帶便形成了水分積聚的結(jié)果。在低溫氣候條件下,土壤溫度隨氣溫的降低而不斷下降,當溫度在某一定值上短暫停留時,為了建立起新的土水勢平衡,水分不斷向凍結(jié)帶遷移。當氣溫繼續(xù)下降時,土壤不同層位的溫度隨之下降,此時在凍結(jié)帶下部土壤與凍結(jié)帶土壤之間就產(chǎn)生了新的土水勢差,該土水勢差的存在將導(dǎo)致水分急速向上遷移而形成下部非凍結(jié)帶的土壤含水量減少。經(jīng)過一段時間的水分遷移后,由于剖面下部水分不斷向上補給,非凍結(jié)帶的含水量又開始增大,如此循環(huán)往復(fù),溫度不斷下降,凍結(jié)帶厚度不斷增加,凍結(jié)帶隨之不斷發(fā)展,凍結(jié)帶下部土壤含水量呈現(xiàn)出大—小—大—小的較為規(guī)律的變動現(xiàn)象。隨著凍結(jié)帶不斷向下發(fā)展,凍結(jié)帶內(nèi)不同層位的土壤含水量依次增大。也就是說,冬季田間土壤在凍結(jié)過程中水分進行著較為顯著的遷移變化,隨著氣溫的不斷下降,凍結(jié)深度逐漸增大,凍結(jié)土壤各層含水量基本都有上升,凍結(jié)帶含水量增大變化較為明顯;凍結(jié)帶下部含水量變化整體較小。2不同覆蓋條件對土壤保水性能的影響冬季表層土壤的凍結(jié)與融化以及在二者之間出現(xiàn)的凍融循環(huán),歸根結(jié)底是由于溫度變化引起的。溫度降低的速度和低溫持續(xù)時間的長短,都會對土壤中水分與鹽分的遷移產(chǎn)生顯著的影響。從宏觀上來講,溫度下降越快,土壤的凍結(jié)速度也就越快。在此情況下,凍結(jié)鋒面伸展速度和水分重新分布速度之差的絕對值會越來越小。反之,當溫度下降較慢時,土壤中的水分有足夠的時間進行遷移,水分就會產(chǎn)生顯著的再分配現(xiàn)象。溫度下降的快慢使水分的遷移與聚集呈現(xiàn)出快與慢、多與少的區(qū)別。當然,影響田間土壤含水量在凍結(jié)條件下水分運動的因素不僅僅是溫度,還包括地表處理條件(地表有無覆蓋層,如地膜等)、土體構(gòu)造(與土壤翻耕與否有關(guān))以及不同時間灌水對土壤保墑性能的影響等。首先,地表的不同處理條件對水分的影響也很重要。地表覆蓋可使土壤地表蒸發(fā)量為零,因而整個冬季覆膜地表層在凍結(jié)過程中土壤水分不受蒸發(fā)、降雨等自然氣候條件的影響,水分的運動變化與未覆膜地相比要平緩和有規(guī)律得多,而且覆膜可起到保溫作用,使覆膜地不同土層埋深的土壤溫度高于未覆膜地,地膜的覆蓋也使覆膜地對氣溫變化的反應(yīng)較慢,使前者凍深發(fā)展速度低于后者。由于凍深發(fā)展較慢,覆膜地水分向凍結(jié)帶遷移的時間比未覆膜地更充分,凍結(jié)帶水分含量與未凍結(jié)帶相比,差別更大,所以當?shù)乇碛械啬じ采w層保溫作用時,未覆膜地地溫低于覆膜地地溫,因而前者水分遷移的速度及數(shù)量會小于后者。凍深發(fā)展速度前者大于后者,且在凍深發(fā)展速度相同的情況下,溫度梯度大的土壤其水分遷移、聚集量也大。其次,土體的構(gòu)造對水分的遷移也有不可忽視的影響。在同一氣候條件下,由于土壤溫度下降的快慢不同,導(dǎo)致水分在土壤中遷移、積聚的時間不同,因此,會出現(xiàn)秋耕覆膜地凍結(jié)帶水分積聚現(xiàn)象遠比未耕覆膜地顯著。土體構(gòu)造不同使土壤有不同的保墑性能,秋耕地地表疏松層的存在使土壤毛細作用大大減弱,降低了土壤表層蒸發(fā)作用的影響。第三,不同時間灌水,土壤含水量是不同的,水分在土壤中的遷移和分布有所不同,這一現(xiàn)象形成的原因較為復(fù)雜。3土壤鹽分遷移機理土壤凍結(jié)會引起凍結(jié)帶土水勢降低,水分由未凍結(jié)帶相對較高土水勢處向凍結(jié)帶較低土水勢處遷移,而且在水分的遷移過程中,土壤中溶解于水分中的鹽分也隨著水分的移動而進行著比較復(fù)雜的遷移運動。凍土中水分和鹽分遷移機理的研究包括遷移的驅(qū)動力和遷移過程的研究。在土壤凍融過程中,存在著水分和鹽分的2次遷移過程,形成了特殊的水鹽運動規(guī)律。土壤鹽分的運動非常復(fù)雜,而土壤中的水分既是鹽分的溶劑,又是鹽分運移的載體,因此凍融過程中的水分運動在很大程度上決定著鹽分遷移的方向和數(shù)量。在表層土壤凍結(jié)的過程中,溫度是導(dǎo)致土壤中水分遷移的主要因素,土壤凍結(jié)引起凍結(jié)帶土水勢降低,導(dǎo)致水分不斷向凍層遷移,隨著水分向凍層聚集,凍層以下土層中的鹽分同步向上運移,整個凍層的土壤含鹽量明顯增加。在融化過程中,隨著地表蒸發(fā)逐漸強烈,使凍結(jié)過程中累積于凍結(jié)層中的鹽分轉(zhuǎn)而向地表強烈聚集,使表層的鹽分含量急劇上升。3.1土壤水分的自然屬性關(guān)于凍土中水分遷移驅(qū)動力的一種普遍提法叫做吸著力,即一系列分子作用力的總和。為了確定驅(qū)動力的數(shù)值,曾提出過毛細力、結(jié)晶力、蒸汽狀態(tài)水的位移、趨向凍結(jié)鋒面的液壓降低等14種假說。自然條件下,水分遷移取決于力學的、物理學的和物理化學因素的總和,所以上述每一種假說只能代表某種特定條件下水分遷移的驅(qū)動力。20世紀30年代以來,國外把能量觀點逐步引入這個領(lǐng)域,用于解釋土壤的持水性并進行土壤水分動態(tài)研究。土壤中任何一個給定位置上的水分都受到許多力的作用,包括處于潛水位以上水的重量、在非飽和土中水與固體顆粒的相互作用、土壤中溶質(zhì)的存在以及高程等等,因為這些力有不同的作用方向,很難找出它們對水分遷移的綜合效應(yīng),所以引進土壤水的勢能概念后,水分遷移就從數(shù)量和方向給出了水分遷移的原動力。20世紀60年代初期,國際土壤學會提出了土壤水分勢能的劃分及其定義。土壤水的總勢等于由壓力、重力、溫度、溶質(zhì)、電力等構(gòu)成的分勢的總和,其中任何一種分勢梯度都可引起水分遷移。實驗已經(jīng)肯定,由于凍土中有未凍水存在并把冰和土壤顆粒分割開來,因此凍土中液相水遷移的薄膜假說得到了大多數(shù)學者的承認。土顆粒外圍的未凍水層是不對稱的,暖面最厚,冷面最薄,這種不對稱性導(dǎo)致了一個不平衡的滲透壓力,于是所產(chǎn)生的液流提供可冰透晶體生長所需求的水分。蒸汽運輸不是凍土中水分遷移的主要方式,在非飽和凍土中,只有在相互聯(lián)系的空隙中被冰堵塞時,蒸汽運輸才起作用。3.2凍結(jié)土面的水球物理性質(zhì)表現(xiàn)為受壓迫的菌面為硬脆菌面遷移過程的研究又包括相轉(zhuǎn)換動力學、冰點降低、遷移量、遷移系數(shù)等方面的研究。但造成土壤中水分遷移的微觀機理有3種:氫鍵吸附能,飽和水氣壓差,毛管薄膜機制。(1)氫鍵吸附能。在凍結(jié)作用下,包氣帶凍土層內(nèi)的水分凍結(jié)成冰,冰的氫鍵達到最完善的程度,隨著凍結(jié)程度的增加,凍層加厚,冰的氫鍵產(chǎn)生的吸附能就越強,吸附的水分也越多。(2)飽和氣壓差。在凍結(jié)作用下,包氣帶凍土層與下部直到潛水面之間產(chǎn)生較大溫度梯度,由此造成飽和水氣壓差的差異。飽和水氣壓差受溫度、水質(zhì)、水的狀態(tài)和液面的影響。在同一溫度下水面的飽和水氣壓高于冰面和空氣的飽和水氣壓,毛管水凹液面的曲率小的大于曲率大的飽和水氣壓,當水滴凍結(jié)成冰晶使孔徑縮小,增加毛管水凹液面的曲率使下部毛管水不斷汽化向凍土層內(nèi)轉(zhuǎn)移。(3)毛管薄膜機制。由于凍結(jié)鋒面冰晶具有穩(wěn)定完善的氫鍵,對水比對土粒有更大的吸附能,會吸附凍結(jié)鋒面下毛管水和薄膜水。另外,也因土粒與水分子之間的引力和所含可溶鹽分的影響,使凍結(jié)溫度降低,發(fā)生凍結(jié)滯后作用,所以凍結(jié)鋒面的溫度常低于0℃。凍結(jié)鋒面后存在一個持續(xù)過渡地段——凍結(jié)緣,使部分水汽在此帶以毛管薄膜機制向上部凍土層轉(zhuǎn)移。正是在以上這些機理的作用下,當發(fā)生凍融情況時,土壤表層一定范圍內(nèi)的水分會發(fā)生遷移,而且水分中所溶解的鹽分也隨之發(fā)生遷移。4地下水開角度控制了土壤鹽分含量,導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的變遷長期以來在農(nóng)、林業(yè)生產(chǎn)中早已利用凍結(jié)滯水,如頂冰凌造林、播種冬小麥等,以及增加凍結(jié)滯水量的措施,都達到了提高成活率、產(chǎn)量的目的。同時,在地下水埋藏淺且礦化