冻融期不同秸秆覆盖厚度下土壤水分差异性分析

吴春东，刘天祥

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

季节性冻土约占国土面积的一半以上，是我国耕地资源的主要组成部分，且多数分布在干旱、半干旱的粮食产区[1]。随着农业水资源需求的日益增加，如何高效的提高农业水资源利用率势在必行。有研究表明，土壤经历冻融作用可以有效抑制土壤热量散失，提高土壤墒情，可以有效提高水资源利用率，促进农作物生长[2]。同时，为了减少土壤水分的无效蒸发，提高土壤水分利用效率，农业上常采用秸秆覆盖的方法。许多研究表明，秸秆覆盖可以有效抑制土壤水分无效蒸发，蓄水保墒[3]，降低土壤容重，改善土壤结构，抑制地表返盐[4]，改变土壤冻结和融化状况，还可以增加土壤养分，提高作物产量等[5-6]。付强等[7]研究了冻融期不同秸秆覆盖厚度对土壤水分运移的影响程度；赵强等[8]研究了季节性冻融过程对农田土壤水分的影响；魏一朝等[9]研究了不同秸秆覆盖厚度下季节性冻融土壤的水热运移规律模拟研究。纵观现有研究成果，冻融期不同覆盖下土壤水分的变化规律研究较多，针对冻融期秸秆覆盖下的土壤水分差异性的研究并不多。为了探讨不同秸秆覆盖厚度对土壤不同剖面水分差异性的影响，对冻融期不同秸秆覆盖厚度下的土壤水分进行了野外试验，对不同剖面的土壤水分差异性进行了分析，旨在确定冻融期最佳的覆盖方式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018 年11 月至2019 年 4 月在哈尔滨市东北农业大学节水灌溉试验场进行（45°44′24″N，126°43′7″E）。试验场主要作物为玉米。哈尔滨市位于黑龙江省南部，土壤类型较多，其中黑土是数量最多的土壤类型，适合作物生长。哈尔滨属中温带大陆性季风气候，冬长夏短，11 月至次年3 月份为冬季，漫长且寒冷干燥，一般在10 月中旬温度降到0 ℃以下，极端最低气温可达-42 ℃，偶尔出现暴雪天气。6～8 月份为夏季，气候温热湿润多雨，最高气温可达38 ℃，全年平均气温约为2～4 ℃。多年平均降雨量约为525 mm，年平均降雪量约为63 mm。一年中降水主要集中在6～9 月，占全年降水量的70%以上。试验区土壤的平均质量含水率为22%，土壤平均密度为1.57 g·cm-3。

1.2 试验设计

根据正交试验设计原理，将试验区划分为4 个处理，包括 5 cm 整秸秆覆盖（覆盖量为 6 000 kg·hm-2，记为 J05），10 cm 整秸秆覆盖（覆盖量为 12 000 kg·hm-2，记为 J10），15 cm 整秸秆覆盖（覆盖量为 18 000 kg·hm-2，记为J15），并以裸地（记为LD）作为对照处理。秸秆来源于2018 年秋收后的整秸秆，经过自然风干后，均匀覆盖于其他处理组，其中，5、10、15 cm 分别为单层、双层、三层秸秆覆盖，各覆盖层之间采用纵横交错排列方式。试验区各处理长×宽均为10 m×10 m，各处理之间需做好垂直铺塑防渗，目的是减少各处理之间的相互影响。试验期内除裸地处理外，其余处理对降雪不进行清理。

1.3 测定指标

（1）土壤冻深的观测

在整个试验区安装一台LQX-DT 型冻土器，从进入初冻期始至融化期末，采用定期观测（每天早8点）的方式对土壤冻深进行记录。

（2）土壤含水率的观测

在试验区的每个处理上埋置一根中子仪测管，应用IAG-Ⅱ中子仪测量土壤总含水率，包括液态和固态含水率，每七天测量一次，如遇降雪则加密观测。对土壤测定的剖面深度（土层深度）为：3、5、8、10、12、15、20、40、60、100、140 cm 和 180 cm。同时，在每个处理上安装土壤水分传感器（浅层和深层）自动记录土壤含水率，定期导出数据，便于数据校核。

（3）气相指标的测定

在试样区安装一台锦州阳光PC-3 型自动气象站测定气相指标，主要包括：大气温度、环境湿度、风速、蒸发量、风向、太阳净辐射等。

1.4 研究方法

为了反映不同处理之间土壤含水率变化的差异，应用土壤水分差异系数，即同一处理不同剖面深度试验期内土壤水分序列的方差的平均数，来表征不同处理条件下土壤水分的波动程度。如果差异系数大，则表示该处理下土壤水分的波动比较大，相反，则波动比较小。反映差异系数的公式如下[10]：

式中：λi为第i 种处理的土壤水分差异系数

Tijk为第i 种处理j 土壤深度第k 日的土壤含水率

i 取裸地、5、10、15 cm 整秸秆覆盖

j 取 3、5、8、10、12、15、20、40、100、140、180

k 取2018-11—2019-4 期间测量的土壤水分（共24 d）

2 试验结果与分析

2.1 不同秸秆覆盖下表层土壤含水率差异性分析

太阳辐射是地球表层能量的主要来源，因此对土壤温度的影响较为重要，随着太阳辐射量的变化，土壤温度发生改变，进而影响土壤的冻融状态。针对北方高寒区土壤发生冻结和融化两大理化过程，进入冻结期，土壤水分形态发生变化，主要表现为由液态含水率向固态含水率转化，进入融化期，则表现为固态含水率向液态含水率转化。在含水率转化的同时，还伴随着含水率向冻结锋面的迁移过程[11]，因此在冻融期不同剖面土壤含水率的变化是一个复杂的过程，表层土壤 3、5、8、10、12、15 cm 剖面深度在 4种不同处理下土壤含水率随时间变化过程如图1 所示，根据1.4 中土壤水分差异系数公式，得出不同秸秆覆盖厚度下不同剖面深度下的土壤水分差异系数，计算结果如表1 所示。

表1 不同处理下表层土壤含水率差异系数Table 1 Difference coefficient of surface soil moisture content under different treatments

图1 表层土壤不同处理下土壤含水率差异分析Fig.1 Analysis of difference of soil moisture content under different treatments of topsoil

由图1 可知，在冻结初期，四种处理表层土壤总含水率，随着剖面深度的增加，整体均呈现出增加的趋势，各处理含水率的变化幅度分别是：LD 处理为23.30%～31.74%；J05 处理为 25.44%～31.35%；J10 处理为：25.06%～32.61%；J15 处理为 23.35%～31.03%。进入稳定冻结期（以2019-01-18 为例），各处理各剖面土壤含水率变化量如表2 所示，LD 处理在表层3 cm 剖面处含水率变化量为负值，主要是因为LD处理无覆盖导致土壤水分无效蒸发，LD 处理其他剖面含水率变化量均为正值，且随着剖面深度的增加呈先增加后降低的趋势；其他三种覆盖处理，除J05处理12 cm 剖面以及J10 处理15 cm 剖面含水率变化量出现降低外，均随着剖面深度的增加呈增加趋势，J10 处理相比LD 处理含水率变化量差值最大，其次为J15 处理，差值最小为J05 处理。进入融化期，积雪融化并下渗，各处理各剖面含水率都呈增加-降低-稳定的趋势。

表2 进入稳定冻结期后表层各剖面土壤含水率变化量Table 2 The change of soil moisture content in each surface section after entering the stable freezing period

由图1 和表1 可知，表层范围内，LD 处理含水率变化幅度整体均低于有秸秆覆盖处理，LD 处理含水率最大之差为14.02%，出现在8 cm 剖面上；有秸秆覆盖处理组最大含水率之差为16.32%，出现在J10 处理的12 cm 剖面上；LD 处理的最小含水率之差为11%，出现在3 cm 剖面上；有秸秆覆盖处理组最小含水率之差为12.86%，出现在J05 处理的3 cm剖面上。有秸秆覆盖处理组与LD 相比较，最大含水率之差比LD 高出2.3%，最小含水率之差比LD 高出1.86%。可见，冻融期间，有秸秆覆盖处理可以增加土壤含水率的波动幅度，因此提高土壤含水率。其原因是裸地有秸秆覆盖之后，秸秆作为土壤与大气之间的中间介质，使蒸发界面变为秸秆覆盖-大气界面，改变了地气之间的能量交换，对于表层的土壤水分，直到达到秸秆覆盖-大气界面才能得到蒸发需要的能量，但是由于秸秆与土壤之间间隙较大，并不连接，致使表层土壤水分较难达到此蒸发界面，从而减缓水分蒸发速率，因此起到了保水的作用[12]。进入稳定冻结期，有秸秆覆盖处理，能够促使含水率向冻结封面的迁移，使含水率变化量高于LD 处理。进入融化期后，由于秸秆覆盖的影响，减弱了土壤水分的无效蒸发[13-15]，因此对土壤水分起到了保护的作用[16-21]。

对于不同覆盖厚度来看，J05 处理的土壤含水率变化幅度最小，且各剖面的含水率变化量都低于其他两处理，J15 处理除了15 cm 剖面的含水率变化量高于J10 处理外，其他剖面都低于J10 处理，进一步说明秸秆覆盖可以改变表层土壤各剖面含水率的波动程度，有效提高冻融期土壤水分，其中以10 cm 秸秆覆盖厚度保水性最好，其次为15 cm 覆盖厚度，最后为5 cm 覆盖厚度。

四种处理中，LD 土壤含水率差异系数最小，其值为11.17，J10 处理土壤含水率差异系数最大，其值为19.50，三种覆盖处理与裸地相比差异系数之差较大，然而三种覆盖处理之间的含水率差异系数之差较小，说明有秸秆覆盖处理与LD 处理相比，能够明显增加土壤水分的波动程度，但是不同覆盖处理组相互之间对含水率的波动程度影响相对较小。LD 处理各剖面的含水率方差均低于其他处理，说明LD 处理各剖面的含水率波动幅度均低于有覆盖处理，J15处理在3 cm 剖面和15 cm 剖面含水率差异系数略低于J05 处理，其他剖面均高于J05 处理。J10 处理各剖面含水率方差均高于其他处理，进一步说明J10 处理保水性最好。在三种覆盖处理中，λ10最大，其次为λ15，λ5最小，其中，λ10－λ15=2.33，λ15－λ5=0.84，λ10－λ5=3.17，说明虽然秸秆覆盖厚度是以5 cm 为倍数增加，但是土壤含水率差异系数并未呈现规律性的变化，同时对于土壤含水率的波动幅度的影响也并非呈单调趋势。三种覆盖处理中，保水性的效果依次为J10＞J15＞J05。

2.2 不同秸秆覆盖下深层土壤含水率差异性分析

图2 为深层土壤 20、40、60、100、140、180 cm 剖面深度不同秸秆覆盖厚度下土壤含水率随时间变化过程，表3 为不同处理不同剖面深度的土壤水分差异系数。

表3 不同处理下深层土壤含水率差异系数Table 3 Difference coefficient of deep soil moisture content under different treatments

图2 深层土壤不同处理下土壤含水率差异分析Fig.2 Analysis on the difference of soil moisture content under different treatments in deep soil

由图2 可知：深层土壤与表层土壤的含水率变化规律有所不同。在冻结初期，四种处理土壤总含水率随着剖面深度的增加，呈现出增加-降低-增加的趋势。各处理的含水率变化幅度分别是：LD 处理为32.94%～38.24%，J05 处理为 33.09%～38.26%，J10 处理为 32.09%～39.51%，J15 处理为 32.06%～38.79%。与表层土壤相比，各剖面含水率增加明显。进入稳定冻结期后（以2019-01-18 为例），四种处理不同剖面土壤含水率变化量如表4 所示。

表4 进入稳定冻结期后深层各剖面土壤含水率变化量Table 4 Variation of soil moisture content in each deep section after entering the stable freezing period

由表4 可知：四种处理随着剖面深度的增加，土壤含水率变化量整体均呈先增加后降低的趋势，其中，20、40 cm 剖面含水率变化量最大，增加的最多，因此20～40 cm 剖面为土壤聚墒区，100 cm 及以下剖面含水率变化幅度较小，说明秸秆覆盖处理对于100 cm以下剖面土壤的保水效果不显著。不同覆盖处理与LD 处理相比，J10 处理含水率变化幅度最大，其次为J15 处理，最后为J05 处理，说明10 cm 秸秆覆盖为最佳覆盖方式，对土壤的保水效果最好。

由图3 和表3 可知，深层范围内，LD 处理除180 cm 剖面外，其他剖面含水率变化幅度均低于其他覆盖处理。LD 含水率最大之差为10.11%，出现在40 cm 剖面上；有秸秆覆盖的处理组含水率最大之差为13.26%，出现在J10 处理的20 cm 剖面上；LD 处理的含水率最小之差为3.21%，出现在140 cm 剖面上；有秸秆覆盖的处理组含水率最小之差为4.39%，出现在J10 处理的180 cm 剖面上。与表层相比，土壤含水率的最大与最小之差均降低，进一步说明秸秆覆盖可以提高冻融期土壤水分，但是随着剖面深度的增加，提高效果减弱。

从不同秸秆覆盖厚度来看，从20 cm 到100 cm剖面，J10 处理的土壤含水率变化幅度最大，J15 处理除100 cm 剖面低于J05 处理外，其他剖面都高于J05 处理，再次说明与LD 相比，J10 处理保水性最好，其次为J15 处理，最后为J05 处理。从100 cm 到180 cm 剖面，三种处理的含水率变化量都比较小，且相互之间差异不显著，说明秸秆覆盖对深层100 cm以下剖面土壤含水率的影响较弱。

四种处理中，LD 深层土壤含水率差异系数最小，其值为5.33，J10 处理深层土壤含水率差异系数最大，其值为6.53。同表层土壤相比较，各处理深层土壤含水率差异系数要远小于表层。与表层土壤相同，在深层土壤中，三种有秸秆覆盖处理中λ10最大，其次为λ15，λ05最小。说明虽然秸秆覆盖厚度是以5 cm 为倍数增加，但是土壤含水率差异系数并未呈现规律性的变化，同时对于土壤含水率的波动幅度的影响也并非呈单调趋势。

3 裸地土壤冻融过程讨论

在整个冻融期，土壤经历冻结和融化两大理化过程[22-23]，其主要过程如表5 所示。

表5 裸地土壤冻结与融化过程Table 5 Freezing and thawing process of bare soil

在季节性冻融期，土壤经历冻融是一个非常复杂的理化过程。土壤在冻融过程中，伴随着水分的运移和热量的传输。水分的运移主要包括两部分，即液态水和水汽的运移。当土壤温度降低到水的凝固点时，由表层至底层土壤水分由液态向固态转化。在初始冻结阶段，由于气温在0 ℃左右波动，气温昼夜温差较大，因此出现夜冻昼融现象，表现为不稳定冻结阶段。随着温度的降低，使土壤固态水增多，同时降低了土壤的基质势，使土壤基质势存在梯度，在该梯度作用下，没有冻结的液态水逐渐向已经冻结的冻结锋面运移，所以固态水锋面处的土壤含水率增加，变化幅度较大，表现为快速冻结阶段。土壤最大冻结速率可达3 cm·d-1，土壤最大冻深达到117 cm。随着温度的升高，土壤开始进入双向融化阶段，表层已融化的水分受重力作用由表层向深层运移，同时，由于深层土壤温度相对较高，温度由深层像表层传递，使深层像表层融化，最终土壤上下冻结锋面相交，土壤融通，使固态水锋面又出现了高值区。

冻结期水分的运移也包括汽态水的运移。汽态水的运移是由水汽密度差引起，而水汽密度差主要由土壤温度和土壤基质势决定。在土壤冻结过程中，虽然各剖面土壤温度相对较低，但是土壤基质势的绝对数值相对却很大，所以在两种影响因素共同的作用下导致水汽密度较小。因此，由汽态水分运移产生的水分通量可以忽略不计。土壤液态水与固态水的转化是热量的释放与吸收过程，因此土壤冻融过程中的水热运移呈现不同的规律。不仅土壤内部存在水分和温度之间的转移，同时也包括土壤与大气以及各种覆盖物之间的转移等。

4 结论

（1）秸秆覆盖可以改变表层土壤各剖面以及深层土壤20～60 cm 剖面含水率的波动幅度，有效提高冻融期土壤水分，对深层100 cm 以下剖面土壤含水率影响较弱。无论是表层土壤，还是深层土壤，10 cm整秸秆覆盖处理相比裸地处理含水率变化量差值最大，其次为15 cm 整秸秆覆盖处理，其值最小为5 cm整秸秆覆盖处理。其中以10 cm 秸秆覆盖厚度保水性最好，其次为15 cm 覆盖厚度，最后为5 cm 覆盖厚度。

（2）无论是表层土壤，还是深层土壤，裸地处理的土壤含水率差异系数均较小，且各处理深层土壤含率差异系数要远小于表层；三种覆盖处理下，10 cm 整秸秆覆盖处理的土壤含水率差异系数最大，其次为15 cm 整秸秆覆盖处理，最小为5 cm 整秸秆覆盖处理。

（3）无论是表层土壤，还是深层土壤，虽然秸秆覆盖厚度是以5 cm 为倍数增加的，但是土壤含水率差异系数并未呈现规律性的变化，同时对于土壤含水率的波动幅度的影响也并非呈单调趋势。