冻融土壤入渗特性及其影响因素研究进展

付 强，蒋睿奇

(东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

深化研究冻融期土壤入渗特性及其影响因素对于土壤养分管理及侵蚀控制具有重要意义。近年来，随着低温控制技术及野外实验技术的成熟与发展，冻融条件下土壤入渗特性、冻融期不同边界条件下土壤水热耦合运动规律及数值模型等相关研究得到了广泛关注。本文将从土壤自身性质和土壤系统边界条件变化两个角度对冻融土壤入渗特性及其影响因素方面的研究成果进行汇总和分析，以期为综合提高寒旱区水土资源利用效率及春季保墒抗旱提供理论及实践指导。

1 冻融土壤水分入渗机理

季节性冻融土壤与非冻土入渗机理上的关键区别在于其水分运动介质的组成，冻融土壤中冰水共同体的存在决定了其水分入渗的动态变化机制。冰对冻融土壤水分入渗通道的影响如图1所示，当土壤发生冻结时，水分受温度作用发生固化，冰晶可以起到胶结作用将原本分离的颗粒团聚在一起，堵塞土壤孔隙，阻碍水分入渗；温度升高引起土壤冰融化时，入渗水流通道仍保持土壤水分膨胀为冰时的状态，过水面积较大，入渗能力增强。

达西定律中描述土壤入渗能力与土壤水分状态间的关系为：

(1)

图1 冰对土壤水分入渗的影响

q冻

(2)

带入达西公式：

(3)

在此基础上，郑秀清[1]通过冻土与非冻土间土壤水势、湿润锋等因素的定量关系推导得出：未冻土的平均水势梯度绝对值小于冻结土壤，即：

(4)

(5)

式中：Ks为土壤饱和含水率，cm/d；θ为土壤液态含水率，cm3/cm3；θr为土壤残余含水率，cm3/cm3；θs为土壤饱和含水率，cm3/cm3；m为反映土壤水分特征曲线形状的参数。在土壤性质、环境温度等其他影响因素一致的情况下，土壤导水率仅与液态含水率相关。综上，在温度作用下土壤冰的形成是引起冻结土壤导水率降低和入渗能力减弱的根本原因。

2 土壤自身性质对冻融土壤入渗特性的影响

土壤是由固体、液体和气体组成的复杂多相分散体系，与周围环境间存在持续的能量交换与转化[3]。由气候及环境条件变化所引起的冻融作用会导致土壤发生一系列物理、化学和生物变化。随着土壤温度的变化，土壤水分会在液态与固态间转化，冻融土壤内部水分相变及其伴生现象必然引起土壤理化性质的改变，如土壤物理力学性能的变化[4]、土壤微生物活动[5]、土壤有机质的分解与转化等[6]，上述过程又会导致土壤结构和团聚体稳定性的变化，影响土壤水分入渗能力。这一系列动态过程及土壤入渗能力主要受土壤含水率[7]、容重和孔隙率[8]、质地[9]等因素影响。

2.1 含水率对冻融土壤入渗的影响

土壤含水率特别是初始含水率是影响土壤水分入渗及产流过程，改变土壤入渗速率的重要因素[10]。土壤初始含水率与平均入渗率呈负相关关系，且影响入渗时湿润锋的运移状态[11]。由于土壤颗粒大小和数量分布的不均匀性，土壤初始含水率对不同质地土壤的入渗能力的改变程度也不同。季节性冻融中存在的土壤水分相态变化现象，使冻融土壤水分入渗问题更具复杂性。土壤在环境温度作用下发生季节性冻融时，土壤中的水分以液态和固态同时存在于土壤孔隙中，作为水分入渗通道，土壤孔隙的状态受到土壤内部含冰量的直接影响。

郑秀清等[12]较早开展了冻土入渗特性方面的研究，通过大量田间单点入渗试验，发现了含水率升高引起的土壤导水率降低是冻土入渗能力减弱的直接原因，验证了季节性冻融期土壤含水率对冻融土壤入渗特性的显著影响，具体表现为土壤入渗能力随土壤含水率的升高而减小，累计入渗量随土壤含水率的变化符合幂函数规律。在土壤水受冻结作用，体积膨胀形成冰的过程中，水分受水势梯度影响向冻结锋面运动并形成冰晶透镜体，导致土壤入渗能力呈指数规律衰减，而在融化时，土壤孔隙中的冰变为水，大孔隙未能及时恢复成冻结前的细小孔隙，使土壤入渗能力重新增强。另外，冻结期土壤含水率的不同也将导致冻结深度和冻结层数的差异，对入渗能力产生不同程度影响[13]。在土壤进入冻结期前较低的初始含水率可以导致冻融期活跃的水分运动和强入渗能力，因为土壤含水率大小决定土壤水势状态，在冻融循环条件下，土壤入渗速率随土壤水势的升高，呈上升趋势[14]。初始含水率对入渗能力的影响随入渗过程的深入逐渐减弱至可以忽视，土壤累计入渗量与初始含水率总体上呈负相关关系[15]。

2.2 土壤容重及孔隙率对冻融土壤入渗的影响

容重是重要的土壤基本物理性质，与土壤的透气性、入渗性能、持水能力、溶质迁移特征以及土壤的抗侵蚀能力密切相关[16]。土壤容重本质上通过改变大孔隙与传导孔隙来影响水分在土体内部的流动过程，土壤容重的增加破坏了土壤团聚结构、改变了土壤中大孔隙的数量和尺寸、使土壤更加密实，水分渗透性能减弱[17]。土壤容重越大，对土壤水的减渗作用越明显，表征土壤入渗能力的稳定入渗率和累积入渗量越小[18]。

总体上，土壤容重的变化对季节性冻融土壤入渗能力的影响与非冻土类似，土壤容重的减小会增加土壤的过水断面面积，导致入渗能力的增强。但冻融循环对土壤容重和孔隙的大小及分布存在相当显著的影响，其实质是土壤内部水分体积在温度作用下发生变化。一般情况下，土壤容重随冻融循环次数增加呈减小趋势，孔隙率则与冻融循环次数呈正相关，且变化幅度逐渐减小，最后达到基本稳定[19]。在相近的冻融温差下，土壤含水率越高，冻融过程中水分相态变化越剧烈、容重及孔隙度的变化幅度越大[20]。冻融作用对不同容重土壤的影响存在差异，在使容重较小的土壤变得紧密的同时也可以让大容重土壤变得疏松[21]。土壤中的缝隙、植物的根茎和动物巢穴等大孔隙为入渗作用提供了有效通道，导致了土壤水入渗后的特殊分布。在冻结过程中，大孔隙的存在会阻碍冻层的形成，阻碍效果受大孔隙的数量及尺寸影响，而在融化期，水流通过冻层中的大孔隙进入到下层未冻土[22]。

2.3 土壤有机质含量对冻融土壤入渗的影响

作为土壤有机质的主体，土壤腐殖质性质较稳定，不易受到微生物分解，是一种高度氧化的复杂有机物质，其组成与结构变化显著影响土壤性质和养分的运移[23]。土壤有机质中的多糖是一种重要的有机胶结物质，对土壤微团聚体的形成和维持土粒结构稳定性具有重要作用[24]。多糖与腐殖质的存在明显增加了土壤的黏结能力、促进了团粒结构的形成。土壤团聚体的大小和数量，决定了土壤孔隙的状况，优良的孔隙度和大孔隙的存在对于土壤入渗过程存在促进作用。土壤有机质具有较高的保水性，有利于水稳性团聚体的形成。稳定的团聚体结构使土壤颗粒保持松软状态而不再结成硬块，优化了土壤结构，进而提升土壤入渗能力。另外，由于腐殖质表面积大、疏松多孔且带有极性亲水基团，导致有机质的吸水能力明显高于土壤中的其他物质。随着水流的下渗，有机质含量的升高会引起土壤孔隙稳定性的增强，导致更大的实际过水面积和入渗能力。入渗开始前，土壤初始含水率接近的情况下，土壤水的基质吸力和水势梯度与有机质含量正相关，同时土壤有机质的疏松多孔性能，也可直接改善土壤的入渗能力。较高的有机质含量会引起腐殖质胶结能力的升高，催化土壤团粒结构的产生，团粒结构数量的增加提高了其在水中的稳定性。另外，有机质含量的升高会改善孔隙条件，提高土壤的通气透水性，对于有机质含量不足的土壤，其结构性和稳定性弱，团粒结构在水中易分散，进而减小土壤孔隙、堵塞水流入渗，减弱土壤入渗能力[25]。

在土壤有机质影响土壤水分入渗的同时，冻融循环作用对土壤有机质同样存在着复杂且深刻的影响。张海欧等[26]研究发现，将冻融循环周期设置为48 h时，有机质的含量会随着冻融循环次数的增加呈现先增加后减少的趋势，与冻融前相比，有机质含量有所增加。另外，冻融循环的发生频率及持续时间对土壤微生物存在着破坏及选择作用，影响冻融期土壤有机质的分解、转化[27]。冻融作用对土壤有机碳和动植物残留物矿化分解过程具有加速作用，分异土壤有机碳的固定与活化，促进其运移。土壤团聚体中不同形态的有机碳在冻融作用下会不同程度的暴露出来并进行重新分配，造成冻融初期土壤活性有机碳含量的增加[28]。冻融过程中伴随土壤水分的运动与聚集，土壤有机碳溶于水后在土壤内部发生运移及再分配。土壤有机质对冻融土壤入渗能力的影响表现为：有机质含量越大的土壤，土壤入渗能力越强，且有机质含量会在冻融期动态变化，经历季节性冻融作用后，土壤有机质含量会增加。

3 不同边界条件对冻融土壤入渗的影响

土壤系统内部的水分运动与土壤系统的边界条件密切相关，上下边界的水热状况直接影响土壤入渗能力。我国华北及西北季节性冻土区大面积种植冬小麦等作物，通常采用地膜或作物秸秆覆盖措施人工调控土壤与作物间水分条件，长历时的稳定积雪覆盖则广泛存在于我国东北高寒地区[29]。研究不同边界条件下冻融土壤入渗特性对于农田储水保墒具有实际意义。

3.1 地膜、秸秆覆盖对冻融土壤入渗的影响

在冻融期的不同阶段覆膜对土壤入渗特性的影响存在差异，冻结前期与中期，覆膜地的累计入渗量高于裸地，稳定入渗率则低于裸地，而在冻结末期和融化期则表现出相反规律[30]。

秸秆作为冬季农田覆盖的一种，具有成本低，环保等优点，陈军锋等[31]通过田间对比试验，发现秸秆覆盖可以明显推迟土壤冻结时间，减小冻结深度。秸秆减弱了土壤与大气间的热交换，随着冻结期土壤冻层的形成与发展土壤入渗能力逐渐减弱，融化期由于秸秆覆盖的存在减弱了土壤对太阳辐射的吸收，导致土壤温度回升缓慢，入渗能力增速较小。

秸秆与地膜在冻结前期都具有良好的减缓土壤水冻结的作用，使土壤保持相对较高的入渗量及稳渗率[32]。但秸秆覆盖的效果受秸秆覆盖厚度、形式等因素影响明显[33]，不同材料覆盖对入渗能力影响的定量研究有待进一步开展。

3.2 积雪覆盖对冻融土壤入渗的影响

稳定积雪层的存在对冻结期土壤产生了良好的缓冲、绝热和保墒作用，积雪密度是影响其覆盖效果的最关键因素，而随着融化期温度的升高，融雪水又会直接补给土壤水分[34]。冻土中的融雪水入渗作为一种多孔介质传热传质现象，除与地形地貌相关外，主要受到土壤水热特性、土壤性质、融雪水释放速率和雪水当量的影响[35]。大量野外及室内试验表明，融雪过程中的入渗量与积雪水当量直接相关，而与融化期土壤冻结水含量成反比[36]，雪水当量通常可由试验测量或遥感估算方法得到。融雪水入渗是寒区重要的水文过程，融雪水在积雪层、土壤冻结层和融化层，以及不同的融化时期呈现不同的入渗特征[37]，且入渗能力在融化初期的反复冻融过程中，表现不同。当雪层中的融雪水积累超过积雪的最大持水能力时，融雪水开始向表层土壤入渗，此时土壤往往处于昼融夜冻状态，表层反复形成的土壤冰会减弱入渗能力，部分融雪水会聚集于冰层之上，伴随温度继续升高，融雪水受重力作用垂直向下运动，累计入渗量和入渗速率开始增大[38]。积雪融化后期，积雪覆盖作用减弱，强蒸发作用带走了大部分表层融雪水，土壤入渗能力逐步达到甚至超过冻结之前。

3.3 地下水埋深对冻融土壤入渗的影响

地下水的存在明显改变了土壤系统的下边界条件，尤其在地下水埋深较浅地区，土壤水与地下水间的转化与联系十分密切。地下水与地表水间的交互作用受到季节性冻土入渗性能变化的影响，在春季解冻期，下层土壤仍保持冻结，阻挡水分下渗。土壤融化后会增加孔隙尺寸，形成大孔隙，通过大孔隙的土壤优势有助于地表水快速入渗补给地下水，提高了土壤的入渗能力[39]。当土壤发生季节性冻融时，土壤冻结引起地下水位向上补给土壤水，导致地下水位下降；土壤融化后土壤水分入渗作用又会抬高地下水位[40]。樊贵盛等研究发现，对于地下水埋深在2 m以内的土壤，其入渗特性受地下水埋深影响较为明显，地下水埋深主要通过改变土壤含水量来影响冻融土壤水分入渗。伴随水分在冻融土壤中的运动，当地下水埋深减小，土壤含水率上升，冻结引起的土壤水分固化影响了入渗水流的过水通道，减弱了土壤对水分的传导作用，引起了入渗能力的降低，相变水量越少入渗力越强[41]。

4 结语与展望

4.1 结 语

现有研究发现，在冻融期多种影响因素共同作用下，冻土入渗性能的降低会导致融化期融雪水和降雨入渗量的减小，多余的水分往往会形成地表径流导致土壤侵蚀。季节性冻土水分入渗能力的变化影响春季农田水肥的再分配以及冻层下土壤微生物的活动。了解冻融土壤中的水分入渗在时空上的差异变化，根据入渗规律区别调控不同区域、不同种类土壤的水分状态对预防土壤侵蚀和管理土壤水肥具有重要意义。

虽然关于土壤自身性质对水分入渗的影响已有较多成果，但大多在生育期针对非冻土展开，且主要运用试验区多点多层密集取样的研究方法，此类方法虽然可以定性解释土壤性质与入渗能力间的关系，但由于土壤性质存在较大的时空变异性、入渗性能影响因素较多和研究条件易受气候因素干扰等原因，定量研究土壤水分入渗问题仍存在较多挑战。随着低温试验技术与材料科学的成熟与发展，采用人工方法配制典型土样后在室内进行低温模拟试验将逐渐成为研究的热点，此类方法可以精确控制单一变量，有效排除其他因素对土壤入渗试验结果的影响，降低了试验随机误差。

现有入渗模型大多为生育期土壤水分入渗服务，但冻融土壤中通常同时存在液态水与固态冰，利用生育期土壤水分入渗、产流模型来模拟冻融土壤水分入渗过程存在先天不足。从理论上完善冻融土壤水分入渗机理，精确控制影响因素以定量分析其对入渗过程的影响，探索各种因素对冻融土壤入渗影响的普遍规律，综合考虑冻融土壤导水率与土壤含冰量及温度之间的定量关系是建立冻融土壤入渗模型的基础及关键问题。基础性、长期性的冻融土壤入渗实验研究仍然比较薄弱，原位土壤入渗数据积累不足是制约当前研究发展的重要因素。

4.2 展 望

随着试验仪器设备制造水平和数据分析技术的深入发展，能够直接测量冻融期土壤含冰量和总含水率的新技术、新材料在冻融土壤入渗特性研究方面将得到更广泛的应用。土壤水动力学、气象学、农业生态学等学科的交叉与进一步发展，将会促进多学科、多领域的综合研究，对冻融土壤水分入渗的深入研究也提出了更高的要求。盐碱土中的微咸水入渗与积雪覆盖、作物秸秆覆盖、生物炭覆盖等不同边界条件下非均质剖面的入渗正在逐渐成为研究重点。以雨水或融雪水、地表水、土壤水、作物水的转化过程为基础的土壤水分入渗动态模拟模型以及能够全方位体现冻融土壤水热耦合运动时空变异特性和入渗特性的模型将得到广泛关注。建立基于特定土壤质地、种类的冻土渗透性能评价指标体系，探究根据生产实际需要合理控制土壤渗透性能的方法，也将是后续研究的热点。以冻融期土壤水热运动相关研究为重心的作物产前及产后节水将会成为农业全产业链节水的重要支撑环节。