秋耕对季节性冻融土壤水热盐运移规律的影响

孙 开，王春霞，吴晨涛，王雅琴，贺天明

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832000；2.石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子832000）

0 引 言

北疆属于典型的季节冻土区，受季节性冻融过程的影响严重，且该地区常年降水稀少而蒸发量大，导致土壤水分散失和盐分表聚，严重地影响春季作物的播种甚至造成土壤次生盐碱化。另外，北疆长期通过秋季翻耕将棉根残茬旋出以便于春播覆膜，破坏了土壤结构[1]，增加了土壤水热资源和养分流失的风险，导致土壤质量下降和生态环境恶化[2]。因此，如何通过合理的秋耕处理模式解决冻土中水分和盐分的控制等问题，是一个值得深入探讨的科学问题。

冻土区天然的积雪覆盖条件，可以加强对土壤的保护作用[3,4]，且积雪融化产生的溶雪水是干旱区农田土壤水分的重要补给源[5]，同时还可以淋洗表层土壤盐分。LI[6]、郑洪兵[7]等研究发现，免耕会增加土壤硬度，有利于冻融土壤水热资源的保持，但不利于溶雪水入渗。地表覆盖可以在土壤和大气之间形成一个隔离层，有利于维持土壤温度的稳定、阻碍土壤水分蒸发散失和抑制土壤返盐[8-10]。侯贤清[11]，武淑娜[12]等发现，耕作覆盖可以提高土壤的蓄水能力，有利于作物生长发育和提高产量。谷晓博[13]、HU[14]等发现，垄沟措施可以改善土壤水热条件，有效地提高土壤水分利用效率和作物经济产量。目前，土壤耕作主要作为农艺节水措施用于作物生育期，在冻融期间的研究则相对较少，而秋耕处理对调控冻融土壤水热盐同样具有明显的优势。另外，土壤中水热盐的运移是相互影响的[15,16]，探讨不同秋耕处理下土壤水热盐运移的相互关系同样也是调控土壤墒情的重要途径，而目前关于此方面的报道相对较少。

因此，本研究基于北疆石河子灌区实际的农业生产情况，探讨不同秋耕处理模式下冻融土壤水热盐的时空变化规律和相互影响关系，旨在为合理利用灌区积雪资源、保持土壤墒情和防止土壤盐碱化提供理论支持和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年11月10日至2020年5月8日于石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室基地(85°57'49″E，44°19'28″N)进行，该地区为典型的季节性冻土区，自11月上旬土壤开始冻结，至4月中上旬土壤完全解冻，历史最大冻结深度为1.5 m。该地区属温带大陆性干旱气候，夏季短暂少雨而蒸发量大，冬季漫长且降雪丰富，多年平均降水量为207 mm，平均蒸发量为1 660 mm，无霜期为170 d，试验期内自11月上旬开始降雪，3月上旬积雪开始融化，直至3月下旬积雪完全消融，最大雪厚达到30 cm。试验区土壤质地为壤土，0～100 cm 土壤平均干容重为1.67 g/cm3，物理性黏粒含量（粒径小于0.01 mm）大于20%，土壤饱和含水量为28.8%，田间持水量为21.6%，地下水埋深9 m以下。

1.2 试验设计

试验田共分为15 个2 m×2 m 的微区。为了取土方便，相邻试验小区间隔40 cm，为防止土壤水测渗，每个试验小区四周挖深60 cm，并用PVC 塑胶板紧贴土壤内壁进行隔挡。该试验设置翻耕（FG）、免耕（MG）、垄沟（LG）、翻耕+秸秆覆盖（FJ）、翻耕+活性炭覆盖（FH）5种处理，各重复3次。翻耕处理是将0～28 cm 土层铲起、松碎并翻转入坑；免耕处理是将土壤保持原状；垄沟处理以北疆棉花的种植方式（膜下滴灌）为基础，在棉行、宽行交替挖沟、起垄，沟深20 cm 宽40 cm，垄高20 cm 宽60 cm，垄上形成产流区，沟内形成汇流区，进而达到冬季蓄雪增温，春季汇流保水的作用；秸秆覆盖是将棉杆切成长度为3～5 cm 短杆，均匀且密实铺设成15 cm 厚的覆盖层，覆盖量为2.5 kg/m2；称取与秸秆覆盖量相同的秸秆进行活性炭制备，活性炭是棉杆经过不充分燃烧后加水冷却形成的大孔隙颗粒状碳粒，收集后铺设为5 cm 厚的覆盖层。秸秆覆盖和活性炭覆盖均使用该试验区所生产的棉杆。

1.3 测定项目与方法

试验过程中的气象资料通过试验站小型气象站台和中国气象数据网（http://data.cma.cn/）获取，包含气温和降雪等。降雪前于试验田选择一平整地面埋设一量程为100 cm 的钢尺测量积雪厚度，每隔10 d 记录一次雪厚。冻结深度通过土钻钻孔观察并测量含有冰晶土层深度的方法确定，自试验开始每隔20 d 测定一次，冻结前期和融化期加密监测，每隔10 d监测一次。通过预先埋设的纽扣式温度记录仪来获取不同深度土层（10、25、40、60 cm）每小时的土壤温度。土壤含水率采用烘干法测定，土壤电导率按照1∶5 的土水比混合后过滤取悬浊液，用电导率仪测定其电导率EC值（见表1）。

表1 试验期土壤水盐监测情况Tab.1 Monitoring of soil water and salt during the test period

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019 软件进行数据整理，采用Origin 2018软件进行作图，采用SPSS 26.0软件进行偏相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同秋耕处理对土壤温度的影响

气温是土壤温度变化的主要影响因素，当气温低于0 ℃时，土壤水分开始冻结[17]。根据日最高气温（Tmax）和日最低气温（Tmin）可以将5 种处理的土壤冻融过程划分为3 个阶段：初冻期（Tmax＞0 ℃，Tmin＜0 ℃）、稳定冻结期（Tmax＜0 ℃，Tmin＜0 ℃）和融化期（Tmax＞0 ℃，Tmin＜0 ℃）。

不同秋耕处理对各冻融阶段土壤热状况的影响差异明显（见图1）。冻结期，相比于FG 处理，其余处理均减小了最大冻结深度，减小程度FJ＞FH＞LG＞MG。这说明FJ、FH、LG和MG 处理具有调控地气之间热交换过程的作用，阻碍了外界冷气入侵和土壤热量散失的双重过程，增强了土壤的保温能力。

融化期，冻结层双向消融，直至到达融通面而完全通融。相比于FG 处理，其余处理的融通面深度均减小，减小程度FJ＞FH＞LG＞MG，融通日期均滞后，滞后时间由大到小为FJ（11 d）、FH（9 d）、LG（5 d）、MG（2 d）。这说明免耕、地面覆盖和垄沟处理阻碍了土壤吸收外界热量，延缓了土壤的解冻过程。

整个冻融期，各处理不同土层土壤温度随时间均成先降后升的“U”形变化趋势，且随土层深度的增加到达最低温度的时间越来越滞后，温度变化幅度也越来越小。相比于FG 处理，MG、LG、FH、FJ处理10 cm 土层土壤温度变化幅度分别减小了2.74，3.13，5.84，8.43 ℃，维持土壤温度序列稳定的能力FJ＞FH＞LG＞MG。另外，FJ处理下25 cm 土层的温度变化幅度相比FG 处理仍然存在较大程度的降幅（7 ℃），这说明翻耕秸秆覆盖调控土壤温度的能力最好。

2.2 不同秋耕处理对冻融期土壤水分运移的影响

冻融期不同秋耕处理下土壤含水率的时空变化差异明显（见图2）。冻结期，土壤水分在温度势的作用下由未冻层向似冻层运移，似冻层是土壤水分由液态相变为固态的主要区域，进而形成土壤水分在似冻层蓄积的现象。初冻期，冻结深度较浅约为20 cm，0～20 cm土层是主要的含水率增加区域。FG、MG、LG、FH、FJ 处理下0～10 cm 土层含水率增幅分别为1.34%、2.72%、4.66%、3.70%、7.96%；10～20 cm 土层含水率增幅分别为0.92%、1.94%、2.56%、2.59%、4.63%。稳定冻结期，各处理0～20 cm 土层土壤含水率均小幅度升高，这说明仍然存在一小部分的土壤水分可以在冻土层中运移；20～60 cm土层含水率均明显升高；60～100 cm土层土壤含水率除个别时间小幅升降外，其余时间基本保持不变。由此可知，整个冻结期土壤水分是由下持续向上运移的，其中0～60 cm 土层是主要的含水率增加区域，60～100 cm 土层作为深层土壤水分向上传输的通道基本处于动态平衡的状态。整个冻结期，FG、MG、LG、FH、FJ 处理0～60 cm 土层平均含水率增幅分别为1.77%、2.45%、3.81%、4.79%、5.50%。

融化期土壤含水率变化主要受融雪水入渗和地表蒸发的影响。融雪水入渗补充土壤水分，其中0～30 cm 土层含水率变化明显，FG、MG、LG、FH、FJ 处理0～30 cm 土层平均含水率增幅分别为22.69%、19.17%、30.57%、26.21%、21.26%，由此可知，垄沟和活性炭覆盖可以促进融雪水入渗，而免耕和秸秆覆盖一定程度上阻碍了融雪水入渗。整个融化期FG 处理0～100 cm 土层含水率增幅均为负值，说明融化期地表蒸发作用贯穿整个试验土层。整个融化期FG、MG、LG、FH、FJ处理0～100 cm 土层平均含水率增幅分别为-8.25%、-6.10%、2.67%、2.29%、4.00%，垄沟、秸秆覆盖和活性炭覆盖减弱了地表蒸发作用的影响，降低了土壤水分的蒸发散失量。

整个冻融期间，0～60 cm 土层含水率变化明显，60～100 cm 土层含水率处于较稳定的动态平衡状态。冻融期前后，FG、MG、LG、FH、FJ 处理0～60 cm 土层平均含水率增幅分别为-10.08%、-7.15%、7.80%、8.03%、11.13%，FG、MG 处理保水效果差，而FJ、FH 和LG 处理均展现了良好的保水能力，保水能力FJ＞FH＞LG。这一方面是因为地面覆盖和垄沟蓄积的较厚积雪均增强了冻结期土壤的保温能力，延缓了土壤的冻结速度，使未冻层土壤水分有充分的时间向似冻层运移和蓄积；另一方面是因为，地面覆盖阻碍了土壤水分向外蒸发散失，垄沟缩短了地面接收太阳直射的时间，减小了融化期土壤水分的蒸发散失量。

2.3 不同秋耕处理对冻融期土壤盐分运移的影响

冻融期不同秋耕处理下土壤电导率的时空变化差异明显（见图3）。初冻期，各处理0～20 cm 土层土壤电导率与含水率变化相符，20～100 cm 土层除个别土层电导率升高外，其余土层均呈降低的趋势。稳定冻结期，在温度梯度和土壤水分运移的双重影响下，盐分随水分由下向上运移至似冻层，使各土层土壤盐分发生不同程度的增减变化。整个冻结期0～60 cm土层是主要的电导率升高区域，其中0～20 cm 土层电导率增加幅度最为明显，随土层深度增加电导率的增加幅度降低，60～100 cm 土层作为深层土壤盐分向上补给的运输通道一直处于相对动态平衡的状态，这与土壤含水率变化幅度基本保持一致，进一步证明了“盐随水走”，土壤水分是土壤盐分运移的载体，盐分随水分由下向上运移的规律。FH 处理0～20 cm 土层电导率变化幅度要小于其他处理，这是因为活性炭的大孔隙和吸附性，可以吸附部分浅层土壤盐分，一定程度的减弱了冻结期浅层土壤的积盐程度。整个冻结期，FG、MG、LG、FH、FJ 处理0～60 cm 土层电导率平均增幅分别为4.36%、5.38%、8.65%、4.91%、11.86%，FJ 和LG 对减少盐分累积表现出了显著的负效应。这是因为秸秆覆盖和垄沟蓄积的较厚积雪使未冻层土壤水分有充分时间向似冻层运移的同时，也使盐分有充足的时间在似冻结层累积。

融化期，融雪水入渗对5 种秋耕处理0～30 cm 土层的盐分淋洗效果明显，FG、MG、LG、FH、FJ 处理0～30 cm 土层电导率平均增幅分别为-14.44%、 -10.43%、 -21.16%、 -19.67%、-27.31%。随着气温持续上升，地表蒸发作用渐强，土壤开始返盐。整个融化期，各处理0～30 cm 土层电导率呈现较大幅度的升高，30～60 cm 土层电导率则呈现不同程度的升降变化，而60～100 cm 土层则处于相对稳定的动态平衡状态。这说明各土层土壤盐分是相互补给的，但受地表蒸发作用影响总体呈现由下向上运移的规律。而LG、FH、FJ 处理0～60 cm 土层电导率平均增幅分别为-3.10%、-4.32%、-6.30%，抑制了融化期土壤返盐。这是因为LG、FH、FJ 3 种处理一方面促进了融雪水入渗的洗盐过程，另一方面又减弱了地表蒸发抑制了土壤返盐上移，从而降低了盐分在耕作层的累积。

整个冻融期，土壤含盐量随着土层深度增加呈降低趋势，土壤含盐量随时间呈“积盐—洗盐—返盐”的变化趋势。FG、MG、LG、FH、FJ 处理0～60 cm 土层电导率平均增幅分别为12.80%、9.41%、5.26%、1.39%、3.28%，传统的翻耕处理不利于耕作层的降盐，翻耕活性炭覆盖相比翻耕处理0～60 cm 土层电导率平均增幅降低了12.41%，对耕作层降盐效果最好，其次是翻耕秸秆覆盖、垄沟和免耕处理，分别降低了9.52%、7.54%和3.39%。

2.4 不同秋耕处理下冻融土壤水热盐相关性分析

由前文分析可知，各处理土壤水热盐运移是相互影响的，且在0～60 cm 土层的变化差异明显。为了进一步分析不同秋耕处理下冻融期土壤水热盐的时空变化规律和相互关系，于各冻融阶段选取不同的典型特征日，并对耕作层（0～60 cm）的土壤温度（T）、含水率（θ）和电导率（E）的垂向变化进行偏相关性分析，结果见表2。

表2 不同秋耕处理下土壤温度、含水率、电导率偏相关系数Tab.2 Partial correlation coefficients of soil temperature，water content and electrical conductivity under different autumn tillage treatments

各处理不同冻融阶段土壤温度、含水率和电导率之间的偏相关性存在较大差异。初冻期MG、FH 和FJ处理T和θ之间呈极显著的负相关关系，LG处理T和θ之间呈显著的负相关关系，而FG 处理无明显的线性关系；各处理T与E之间的负相关关系明显，而θ与E之间除MG 处理成显著的正相关关系外其余处理均无明显的线性关系。这说明初冻期不同秋耕处理主要对土壤含水率造成的影响差异性较大。稳定冻结期各处理T与θ、T与E之间均呈显著或极显著的负相关关系，θ与E均呈显著或极显著的正相关关系，这说明稳定冻结期各处理使冻融土壤水热盐运移的相互影响趋于一致。融化期MG、FG和LG 之间土壤水热盐之间无显著的线性关系，而FH 和FJ 处理T与θ、T与E和θ与E之间均呈现显著或极显著的正相关关系，这说明地表覆盖的存在可以明显减弱外界对土壤温度、含水率和电导率的影响。

3 结 论

（1）不同秋耕处理对土壤温度的调控能力不同，随土层深度的增加，各处理对土壤温度的调控能力逐渐趋于一致。与FG 处理相比，其余处理均延缓了土壤的冻结、融化过程，对维持整个冻融期土壤温度序列稳定的能力为FJ＞FH＞LG＞MG。

（2）整个冻融期，耕作层0～60 cm 土层含水率变化幅度明显，60～100 cm 土层含水率基本保持稳定。LG、FH、FJ 处理有利于冻结期土壤水分上移，促进了融化期融雪水入渗并减弱了地表蒸发的影响，耕作层0～60 cm 土层的平均含水率变化幅度分别为7.80%、8.03%、11.13%，增强了土壤的蓄水能力。FG 和MG 处理受外界影响较大，0～60 cm 土层平均含水量增幅分别为-10.08%和-7.15%，保水效果差。

（3）土壤盐分随时间呈“积盐-洗盐-返盐”的变化过程，随土层深度增加电导率变化幅度逐渐趋于稳定。整个冻融期间，MG、LG、FH、FJ 处理相比FG 处理0～60 cm 土层电导率平均增幅分别降低了12.41%、9.52%、7.54%、3.39%，有效抑制了耕作层土壤盐分的累积。

（4）初冻期土壤温度、含水率和电导率之间的偏相关性存在较大差异且无一致的规律；稳定冻结期，各处理对冻融土壤水热盐运移的影响趋于一致，各处理土壤温度与土壤含水率和电导率之间呈显著或极显著的负相关关系，土壤含水率和电导率呈显著或极显著的正相关关系；融化期，MG、FG、LG 处理的土壤温度、含水率和电导率受外界影响较大，3 者之间均无明显的线性关系，而FH 和FJ 处理明显减弱了外界对土壤温度、含水率和电导率的影响，3者之间均呈现显著或极显著的正相关关系。