土壤凍融對(duì)凍融土壤水分的影響

土壤凍融對(duì)凍融土壤水分的影響

在土壤冷凍過(guò)程中，土壤中的水被轉(zhuǎn)移并重新排列，這是土壤冰凍作用的一個(gè)核心問(wèn)題（徐學(xué)祖，1982）。目前,大量研究多是針對(duì)土壤凍結(jié)過(guò)程中水分遷移機(jī)制和由于土壤凍融發(fā)生的物理地質(zhì)災(zāi)害等。但對(duì)由于凍融作用改變土壤墑情,甚至通過(guò)創(chuàng)造一定條件主動(dòng)利用凍融作用使土壤水分增加的研究,尚不多見(jiàn)。本文試圖就西北地區(qū)儲(chǔ)水灌溉后發(fā)生的季節(jié)性土壤凍融作用對(duì)土壤水分的影響和在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的意義作一初步討論。1試驗(yàn)區(qū)地下水位現(xiàn)狀本項(xiàng)研究于1995～1996年冬季在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行。該站位于河西走廊中部張掖城南9km,海拔為1570m,地下水位埋深100m左右。試驗(yàn)區(qū)土壤屬輕壤土,0～200cm平均土壤容重為1.38g/cm3,田間最大容積含水量為31.68%,土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.59%～1.68%,pH為8.7～8.8。試驗(yàn)期間(11月至次年3月)平均氣溫為-5.5℃,潛在蒸發(fā)量為340.4mm,降水量為9.2mm。2土壤溫度、土壤水分、總含水率的觀測(cè)該項(xiàng)試驗(yàn)為小區(qū)試驗(yàn),涉及灌溉時(shí)間、灌溉定額和地面覆蓋處理3個(gè)因素。其中,灌溉時(shí)間包括4個(gè)水平,分別為9月20日,10月5日,10月15日和11月5日;灌溉定額包括3個(gè)水平,分別為40m3/畝,60m3/畝和100m3/畝;地面覆蓋處理含3個(gè)水平,分別為露地、秸桿覆蓋(小麥秸桿覆蓋厚度為2cm)和地膜覆蓋。試驗(yàn)設(shè)計(jì)按對(duì)比式排列,共有16個(gè)試驗(yàn)處理小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為5m×6m。加上其它非試驗(yàn)用地和保護(hù)區(qū),約占地2畝。采用常規(guī)氣象觀測(cè)的曲管和直管溫度計(jì),選擇其中一個(gè)小區(qū)(露地)進(jìn)行土壤溫度觀測(cè)。觀測(cè)深度分別為0cm,5cm,10cm,15cm,20cm,40cm,80cm和180cm,觀測(cè)時(shí)間為8時(shí),14時(shí)和20時(shí)。每一個(gè)小區(qū)每次選擇2～3個(gè)采樣點(diǎn),剖面深度2m,分12個(gè)層次,從10cm,20cm,30cm,40cm,60cm,80cm,100cm,120cm,140cm,160cm,180cm和200cm采樣。用烘干法測(cè)定土壤水分含量。土壤容積含水率的計(jì)算采用下式:式中:θv為土壤容積含水率;Ww為土壤中水分的重量;Ws為烘干土重;Rd為相應(yīng)深度的土壤容重。3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1凍結(jié)現(xiàn)象隨季節(jié)的變化根據(jù)土壤溫度的觀測(cè)結(jié)果,用內(nèi)插法確定土壤剖面中負(fù)溫出現(xiàn)的深度。如圖1所示,從10月23日開(kāi)始,在表土層開(kāi)始出現(xiàn)凍結(jié),主要表現(xiàn)為晝?nèi)谝箖?這一現(xiàn)象伴隨著整個(gè)土壤凍融季節(jié),影響深度在0～5cm。連續(xù)凍結(jié)層出現(xiàn)在11月19日,隨著天氣降溫過(guò)程的繼續(xù),凍結(jié)層逐漸增厚,至次年2月3～4日達(dá)到最深(約94cm)。隨后,土壤開(kāi)始解凍,解凍過(guò)程從地表和地下深處兩個(gè)方向進(jìn)行,至3月下旬土壤解凍完成,但土壤表層的晝?nèi)谝箖鲆恢背掷m(xù)到4月上旬。3.2灌溉對(duì)土壤水分的影響由于凍結(jié)作用,在正凍土凍結(jié)緣的水勢(shì)梯度導(dǎo)致非凍結(jié)土中的水分向凍結(jié)土體遷移,使土壤融解以后,土壤水分含量顯著提高。從圖2可以看出,土壤水分的增加主要發(fā)生在100cm以上部位,這也是土壤凍融作用的部位。由于地表蒸發(fā)作用的影響,在土壤表層(20cm以上)凍后含水量較凍前小,但在灌溉后的地面覆蓋處理抑制了表土層的水分蒸發(fā),尤其是地膜覆蓋處理凍后含水量顯著高于凍前(圖2中編號(hào)3,6,9)。在100cm以下部位,由于凍融作用引起的水分遷移和水分下滲,土壤水分含量有不同程度的下降。灌溉定額對(duì)凍融前后土壤水分的增加無(wú)明顯的作用。從灌溉時(shí)間來(lái)看,在10月上旬灌溉,更有利于凍融作用增加土壤水分,如果加入地膜覆蓋處理,則灌溉時(shí)間提前到9月下旬仍可使土壤水分有較大幅度提高,這可能與灌溉水入滲到合適的深度有關(guān)。一般來(lái)講,在西北地區(qū)春小麥于3月下旬播種,至4月底或5月初灌第一水。在這期間,春小麥正好處于發(fā)芽至三葉期,作物所需要的水分主要來(lái)自于土壤表層40cm以上部位。如表1所示為凍融前后土壤表層(0～40cm)的水分儲(chǔ)量變化。隨灌溉時(shí)間的變化,土壤水分儲(chǔ)量的增加表現(xiàn)出較為明顯的差異,在9月20日和10月5日灌溉,土壤剖面0～40cm水分儲(chǔ)量平均增加11.94mm和10.61mm。同時(shí),及時(shí)地進(jìn)行地面覆蓋保墑,更有利于土壤水分儲(chǔ)量的增加,尤其是地膜覆蓋表現(xiàn)更為顯著。不同灌溉定額處理對(duì)土壤水分增加卻無(wú)多大差別。農(nóng)田土壤適宜的水分含量決定于作物生長(zhǎng)的需求。陳玉民等(1995)認(rèn)為,小麥發(fā)芽期間最佳土壤含水量為田間持水量的80%。李守謙等(1993)認(rèn)為,春小麥出苗至拔節(jié)期土壤適宜的水分下限為田間持水量的70%～75%。根據(jù)試驗(yàn),3月18日(播種前)所有處理平均土壤水分含量為田間持水量的85.2%,最高為93.8%(地膜覆蓋處理),最低為78.2%(露地)。至4月21日分別為74.2%,81.7%和69.7%?？梢哉J(rèn)為,所有處理均能滿足小麥發(fā)芽和生長(zhǎng)的需求。后期的冬小麥出苗率調(diào)查結(jié)果顯示,基本苗平均為29.4×104株/畝,地膜覆蓋處理達(dá)到30.8×104株/畝。經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),在5%顯著度水平明顯高于露地處理(28.5×104株/畝),其它處理之間無(wú)顯著性差異。4適時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)水灌溉在西北地區(qū),氣候條件客觀上決定了每年冬季土壤的季節(jié)性凍融過(guò)程。在地下水埋藏較淺的地區(qū),地下水對(duì)凍結(jié)土層具有明顯的入流補(bǔ)給(高維躍等,1989)。但在地下水位埋藏較深的地區(qū),土壤凍融期間水分的補(bǔ)給主要來(lái)自于凍結(jié)層下部的土壤剖面,也就是說(shuō),凍結(jié)前土壤水分的剖面分布狀況是其主要影響因素。因此,適時(shí)進(jìn)行秋冬儲(chǔ)水灌溉,將儲(chǔ)水灌溉的時(shí)間提前至9月下旬至10月中旬,可以充分利用土壤凍融作用對(duì)土壤剖面水分的再分布,使土壤在融解后保持較好的墑情,滿足春小麥生長(zhǎng)的需要。另外,灌溉定額可以由目前的超過(guò)100m3/畝降低至60m3/畝,在灌溉后實(shí)施保墑措施的條件