冰川冻土, 2020, 42(3): 986-995 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0071

冰冻圈水文与水资源

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

赵强,1,2, 吴从林2, 罗平安3, 王康1, 李红珍4, 黄介生,1

1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北 武汉 430072

2.长江勘测规划设计研究院, 湖北 武汉 430010

3.长江科学院, 湖北 武汉 430010

4.哈达河水库管理处, 黑龙江 鸡西 158100

Variation and influencing factors of soil temperature and moisture during freezing and thawing period in a seasonal freezing agricultural area in Northeast China

ZHAO Qiang,1,2, WU Conglin2, LUO Ping’an3, WANG Kang1, LI Hongzhen4, HUANG Jiesheng,1

1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China

2.Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan 430010,China

3.Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China

4.Hada River Reservoir Management Institute,Jixi 158100,Heilongjiang,China

通讯作者: 黄介生, 教授, 从事农田排水与水环境、 节水灌溉理论与技术研究. E-mail: 410998129@qq.com.

编委: 周成林

收稿日期: 2019-06-05   修回日期: 2019-11-12  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51379152.  51179203
“十二五”国家重大科技专项.  2012ZX07201-006

Received: 2019-06-05   Revised: 2019-11-12  

作者简介 About authors

赵强(1988-),男,江苏徐州人,工程师,2018年在武汉大学获博士学位,从事农业面源污染研究.E-mail:zhaoqiangwhu@163.com , E-mail:zhaoqiangwhu@163.com

摘要

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明: 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。

关键词: 冻融过程 ; 土壤温度 ; 土壤水分 ; 东北

Abstract

Northeast China is one of the most important grain producing area in China, which is also the most typical area affected by seasonal freezing and thawing. The freeze-thaw process affects the migration and transformation of water and nutrients in spring farmland by changing the soil evaporation capacity, infiltration capacity and the hydraulic connection between surface water and groundwater. Therefore, studying the variation and influencing factors of soil temperature and moisture during freezing and thawing period is of great significance for guiding water and fertilizer management in seasonal freeze-thaw agriculture areas. However, most of the studies on the effects of freeze-thaw process on soil water migration have just used soil column freezing test, which was carried out using homogeneous soil at the specified freezing and thawing temperature and frequency, and the water migration in the farmland soil could not be well reflected. In order to better understand the effect of freezing-thawing process on soil temperature and moisture variation in a seasonal freezing agricultural areas, six sampling were carried out using soil-drilling method in each sampling location before and during the freezing and thawing period to monitor soil moisture, and temperature probes were pre-embedded to monitor soil temperature. Results show that the surface soil temperature during freezing and thawing period was mainly affected by the thickness of snow, while the deep soil temperature was mainly affected by the initial soil moisture content. During the freezing period, the moisture content of the frozen soil layer almost increased, among which the shallow soil increased the most; and the slower the freezing rate, the lower the initial water content, and the higher the water content of the adjacent soil layer, the more the water content increased of the soil layer. During the thawing period, the soil moisture content of each underlying surface and soil layer was basically decreasing, and this phenomenon mainly occurred in the soil layer of 0 - 30 cm. The water was mainly loss was mainly lost by evaporation, and the frozen soil layer had an inhibitory effect on soil evaporation. The melting of the frozen soil layer was the main reason for the difference in soil moisture content between the underlying surfaces and that between different melting stages.

Keywords: freezing-thawing process ; soil temperature ; soil moisture ; Northeast China

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本文引用格式

赵强, 吴从林, 罗平安, 王康, 李红珍, 黄介生. 冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 986-995 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0071

ZHAO Qiang, WU Conglin, LUO Ping’an, WANG Kang, LI Hongzhen, HUANG Jiesheng. Variation and influencing factors of soil temperature and moisture during freezing and thawing period in a seasonal freezing agricultural area in Northeast China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 986-995 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0071

0 引言

土壤冻融作用是高纬度和高海拔地带性土壤热量动态变化的一种表现形式, 是土壤与大气季节或昼夜温差所致的反复“冻结-融化”过程1-2。该过程中土壤水分和温度的变化和分布特征对土壤水资源的有效利用有着重要的意义。

冻融期土壤温度主要受气象条件、 土壤性质和地表覆盖条件的综合影响。崔乐乐等3对黑河中游农田荒漠过渡带土壤冻融过程水热动态研究发现, 冻融期土壤温度随气温剧烈变化, 变幅随土壤深度的增加而减小, 3种土壤温度变幅由剧烈到平缓的顺序为: 荒漠>农田>防护林。胡伟等4对东北典型黑土冻融期水热过程研究发现, 土壤温度在各冻融阶段均表现为裸地>草地>传统耕地, 解冻期>始冻期>完全冻结期。边晴云等5、 姚闯等6对黄河源冻土水热变化过程研究发现, 积雪可减少土壤吸收辐射能量, 减少地表感热通量, 在土壤完全冻结期与消融期增大地表潜热通量, 在完全冻结期, 减少土壤向大气的热输送, 在消融期, 减少大气向土壤的热输送。

在冻结过程中, 影响水分迁移的因素主要可以分为两类: (1)影响冻结前土壤含水率的因素, 张辉7研究表明冻结过程中未冻土向冻土中水分的迁移量随初始含水率的增加而增加, 而郭占荣等8、 荆继红等9和吴谋松等10均发现冻结过程中不同潜水埋深条件下土壤水与潜水的转化关系有显著差异。(2)影响冻结锋面推进速率即影响水分补给持续时间的因素11, 比如, 地表积雪、 秸秆、 地膜等覆盖, 均可以减缓土壤冻结速率, 进而延长水分补给持续时间, 使得土壤冻结后水分增加量显著上升12-14。一般来说, 自然状态下土壤冻结过程为单一方向冻结, 而融化过程则由表层和深层双向融化, 因此融化过程中水分迁移也相对复杂15-16, 表层冻土融化层接收融雪和降雨水分, 在冻土层的顶托下形成饱和或过饱和含水层17; 而底层冻土的融化则可以补给地下水18。此外, 冻融作用还通过对土壤蒸发能力19-20、 入渗能力21-22、 地表水和地下水水力联系的影响23, 进一步影响冻融期农田的土壤水分状况24-25。因此, 研究冻融过程对农田土壤水分迁移过程的影响, 对于指导农业区耕作及水肥管理有着重要的意义。

目前对冻土水分、 温度变化规律的研究多集中在室内, 采用均质土及指定的冻融温度、 频率开展26, 或针对高山、 高寒、 荒漠等区域积雪覆盖影响以及水热耦合关系进行研究35-6, 所得规律是否适用于中纬度农田土壤还有待于进一步研究。为此, 本文选取受季节性冻融影响显著的东北农业区——黑顶子河流域, 对其气象条件以及冻融期玉米田和水稻田土壤水分和温度进行观测, 研究冻融期农田土壤水分和温度的变化规律及影响因素。本文所关注的问题主要有以下几个: (1)冻融过程中影响土壤温度的主要因素; (2)冻融过程中土壤水分的主要变化区域; (3)冻融过程中冻土层在土壤水分迁移中的作用; (4)冻融过程中水分迁移的主要影响因素。研究结果可为东北季节性冻融农田春季合理安排播种期, 预测作物生长发育, 调整农业生产结构提供理论指导和科学依据。

1 研究区概况和观测方法

1.1 研究区概况

黑顶子河流域位于吉林省长春市双阳区内(125°34′27″~125°42′22″ E, 43°22′48″~43°29′37″ N), 是松花江的三级支流, 流域面积为75.25 km2图1), 属于温寒带半湿润大陆性季风区气候, 年平均气温4.8 ℃, 最高 22 ℃, 最低气温-17 ℃, 多年平均降水量624.7 mm, 多年平均水面蒸发量1 381.4 mm。封冻期一般为11月中旬至次年3月上旬, 期间平均温度和降水量分别为-10.5 ℃和31.8 mm, 历史最大冻土深度为158 cm; 融化期一般从3月上旬至4月底, 平均气温和降水量分别为5.25 ℃和40.7 mm。研究区域内土地利用类型主要分为四种, 玉米田、 水稻田、 林地和农村居住区, 分别占流域面积的69.1%、 12.5%、 14.0%和4.4%。根据双阳县土壤普查数据, 流域内土壤主要为黑钙土、 草甸土、 白浆土和暗棕土等。研究区域内, 冬季无作物种植及耕作措施, 水稻田在作物生长期有长时间的灌溉。

图1

图1   土壤监测点布置

Fig.1   Arrangement of the points for monitoring soil temperature and moisture


1.2 田间观测方法

2014 - 2015年冻融期, 分别在土壤冻结前(2014年11月11 - 12日)、冻结期(2015年3月3 - 4日, 2015年3月16 - 17日)和融化期(2015年3月26 - 27日, 2015年4月6 - 7日, 2015年4月17 - 18日)在水稻田(P1和P2)和玉米田(M1和M2)用洛阳铲进行了6次取样。为增加取样的代表性, 其中P1和P2分别位于中游和下游主河道附近水稻田内, M1和M2分别位于两条支流河道旁玉米田内, 其中M1位于坡上, M2位于坡脚, 在取样过程中观测其冻结和融化深度, 所取土样编号放入自封袋内, 运回实验室后用烘干法测量其土壤含水率。在P2和M2取样点附近埋入温度探头, 监测土壤温度的变化, 探头所在土层分别为5、 10、 15、 20、 30、 40、 50、 70、 90和110 cm, 观测频率为每小时1次, 取样点如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 冻融期土壤温度的变化规律及影响因素分析

图2为2014 - 2015年冻结-融化期玉米田(M2)和水稻田(P2)不同土层温度随时间变化的趋势图, 我们近似的认为当土壤温度稳定处于0 ℃以下时, 土壤进入冻结状态, 表1为不同土层进入冻结阶段(温度降到0 ℃以下)和融化阶段(温度升到0 ℃以上)的时间统计表。由图2表1可知, 玉米田和水稻田0 ~ 5 cm土壤温度在11月14日均已降到0 ℃以下, 玉米田15 cm以上土层进入冻结期时间略提前于水稻田, 这主要是因为刚进入冻结期时, 地表积雪层较薄(图3), 玉米田和水稻田受大气温度影响程度相近, 玉米田土壤初始含水率小于水稻田, 土体容积热容量小, 相同的负积温下, 土壤温度降低更多; 12月4日之后, 冻结深度达到20 cm(表1), 相应的累积降水量达到了10 mm, 此后持续增加(图3), 降水以积雪的形式在地表累积, 且玉米田M2温度探头设置点位于迎风坡的坡脚, 玉米田为垄作, 降雪后因风吹雪的原因相较于空旷地带的水稻田会形成更厚的积雪, 较厚的雪层可以起到隔温层的作用, 削弱大气温度对土壤温度的影响, 因此玉米田20 ~ 50 cm土壤温度下降速率和幅度逐渐滞后于水稻田, 表层温度只有-7.8 ℃, 高于水稻田(-9.2 ℃); 玉米田深层土壤(>70 cm)温度降低幅度比水稻田大, 冻结锋面侵入的土层更深, 超过了110 cm, 而水稻田则只有105 cm左右。

图2

图2   2014 - 2015年冻融期M2和P2不同土层温度变化

Fig.2   Temperature variations at different soil layers in M2 (a) and P2 (b) fields during the thawing period of 2014 - 2015


表1   不同土层进入冻结阶段(温度降到0 ℃以下)和融化阶段(温度升到0 ℃以上)的时间统计(mm-dd)

Table 1  Time of different soil layers entering the freezing (<0 ℃) and thawing (>0 ℃) periods (mm-dd)

冻融阶段取样点5 cm10 cm15 cm20 cm30 cm40 cm50 cm70 cm90 cm110 cm
冻结阶段玉米田11-1411-1411-1812-0412-0812-1012-2112-3101-2102-17
水稻田11-1411-1511-1912-0312-0612-0912-1701-0901-20-
融化阶段玉米田03-1603-1703-1903-2203-3004-0104-0204-0503-2902-28
水稻田03-1603-1603-1803-3004-01-----

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图3

图3   2014 - 2015年冻结期负累积温度和累积降雪(雨)量

Fig.3   Cumulative negative temperature and cumulative precipitation during the freezing period of 2014 - 2015


玉米田和水稻田均在2015年3月16日进入融化期, 由于玉米田表层有积雪, 水稻田则很少, 因此水稻田0 ~ 15 cm土层融化速度略快于玉米田, 但是20 cm以下土层玉米田融化速度则远大于水稻田; 因水稻温度探头4月3日被损坏, 未观测到水稻田40 ~ 70 cm融化时间, 因此无法对比这些土层二者融化速率。

以上结果表明, 积雪在冻结期有保温作用, 使得土壤温度偏高, 这与边晴云等5在黄河源区的研究结果一致, 但融化期并未观测到边晴云等5发现的“保凉”作用, 这主要是因为一方面本文研究区域积雪厚度较薄, 消融速度较快, 另一方面是因为水稻田和玉米田土壤之间水分差异对温度的影响大于积雪的影响。此外, 玉米田冻结锋面侵入深度较深也说明了深层土壤受地表温度影响较小, 受初始含水率的影响更大。

表2为冻融期大气温度与不同土层温度之间采用线性拟合的决定系数和斜率统计表, 表中玉米田表层土壤温度与大气温度之间线性拟合决定系数和斜率均小于水稻田, 说明水稻田表层土壤温度与大气温度相关性更好, 受大气温度影响更大, 这主要是因为水稻田积雪厚度比玉米田薄, 进一步验证了上述观点。

表2   冻融期大气温度与不同土层温度之间相关性

Table 2  Relationships between air and soil temperature at different layers during the freezing and thawing period

5 cm10 cm15 cm20 cm30 cm
玉米田R20.660.600.530.420.28
斜率0.310.270.230.180.13
水稻田R20.740.680.530.450.30
斜率0.370.310.220.180.14

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2.2 冻融期土壤水分迁移规律及影响因素分析

图4为2014 - 2015年冻结期不同下垫面土壤含水率剖面及不同冻结阶段相对冻结前土壤剖面含水率变化量及变化幅度图。由图4可知, 在进入冻结期之前(11月11日或11月12日), 各取样点土壤含水率剖面有着显著的差异: 其一, 总体来说土壤含水率关系为坡上玉米田(M1)<坡脚玉米田(M2)<水稻田(P2); 其二, 玉米田含水率剖面波动大, 表层土壤含水率(0 ~ 40 cm)呈现由小到大再减小, 从60 cm开始呈现逐渐增加的变化趋势, 含水率最大的土层一般出现在1.5 m以下的土层, 而水稻田则出现在0 ~ 10 cm, 且表层土壤含水率(0 ~ 40 cm)呈现先减小再增加的趋势, 60 cm以下土层含水率基本一致。以上规律主要由不同种植制度和灌溉制度引起, 在研究区玉米田集中在坡地(不灌溉), 水稻田直至9月下旬都维持灌溉水层存在27-28, 因而玉米田土壤含水率整体小于水稻田; 此外, 玉米根系吸水集中在0 ~ 50 cm, 且整个生育期存在着由浅变深, 再由深变浅的规律(拔节期0 ~ 20 cm, 开花期20 ~ 50 cm, 成熟期0 ~ 20 cm)29, 加之表层土壤在收获后的蒸发作用, 导致玉米田表层土壤含水率剖面变化较大, 而水稻田由于其灌溉及淋洗作用, 表层土壤含水率高, 深层稳定。

图4

图4   2014 - 2015年冻结期M1玉米田, M2玉米田和P2水稻田土壤含水率剖面图及不同冻结阶段相对冻结前土壤剖面含水率变化量(柱状图)和变化幅度图(线+正方形)

Fig.4   Water content at different soil layers in M1, M2 and P2 fields during the freezing period of 2014 - 2015; the change of soil water content compared with the soil water content before the freezing period


3月3日取样已接近冻结期后期, 受温度梯度和积雪融化的影响, 与11月11日土壤含水率剖面相比, 水稻田水分增加主要集中在表层30 cm土层, 其中增幅最大的土层为10 ~ 20 cm, 达到了60%; 玉米田除极少数土层外, 几乎整个取样剖面含水率均呈上升趋势, 其中0 ~ 10 cm土壤含水率增幅最大, 超过了20%。3月17日取样土壤含水率增加量与幅度与3月3日类似, 只是随着冻结锋面的进一步下侵, 使得土壤水分进一步向上迁移。这两次取样之间, 有一次温升, 导致地表部分积雪融化, 使得M1和M2玉米田0 ~ 10 cm土层含水率分别增加了40.14%和51.01%, 但是10 cm以下土层含水率增幅较小, 说明冻结层很好地阻隔了水分的入渗。此外, 无论是玉米田还是水稻田, 冻结前土壤含水率小, 且相邻土层含水率大的土层在冻结过程中水分增加量更多, 反之则小。

整体来看, 3月3日取样M1、 M2玉米田和P2水稻田冻结层含水率比冻结前平均增加量分别为2.01%、 1.17%和1.98%, 平均增加幅度分别为15.82%、 6.96%和6.87%, 3月17日取样有类似的关系, 三个取样点含水率平均增量分别为2.60%、 2.46%和0.88%, 增加幅度分别为16.69%、 15.32%和3.85%, 即: M1玉米田冻结前土壤含水率最低, 冻结后冻土层水分增加量和增加幅度却均最大, 相应的P2水稻田冻结前土壤含水率最高, 冻结后冻土层水分增加量幅度却最低, 原因可能主要有三个: (1)由图4(a)和4(b)可知, M1玉米田3月3日冻深为98 cm, 在三个取样点中最低, 说明其冻结速率最慢, 延长了水分补给持续时间, 使得土壤冻结后水分增加量更显著, 这与杜琦12、 魏丹等13和杨金凤等14的研究结果一致; (2)M1玉米田表层土壤初始含水率最小, 冻结后土壤内冰晶量相对较少, 对土壤的入渗能力影响相对较小, 因此可以吸收更多的降雨和融雪水; (3)M1玉米田土壤含水率剖面之间差异更大, 水势差异更大, 因此对温度势引起的水势梯度有加强的作用, 使得其表层以下土壤水分迁移速率和迁移量相对其他取样点更大。

2.3 冻土融化期土壤水分迁移规律及影响因素分析

图5为各取样点冻土融化期不同融化阶段土壤含水率剖面及不同融化阶段土壤剖面含水率变化量和变化幅度图, 图6为融化期不同阶段各下垫面土壤含水率均值及其差异系数统计图。由图5可知, 在融化初始阶段(3月17 - 27日), 玉米田0 ~ 10 cm水分急剧减少(28.14% ~ 39.78%), 水稻田的水分损失主要集中在0 ~ 20 cm(P1)和0~30 cm(P2), 深层土壤含水率变化幅度较小, 且多为减小趋势, 损失的水分并未向下迁移, 且各下垫面表层土壤(0 ~ 20 cm)含水率变化量的变异系数较小(图6), 即影响因素比较单一。

图5

图5   2014 - 2015年融化期不同阶段M1玉米田、 M2玉米田、 P1水稻田、 P2水稻田土壤含水率剖面图及土壤剖面含水率变化量(柱状图)和变化幅度图(线+正方形)

Fig.5   Water content at different soil layers in M1, M2, P1 and P2 fields at different thawing stages of 2014 - 2015; the change of soil water content compared with the soil water content of the prior thawing stage


图6

图6   融化期不同阶段各下垫面土壤含水率均值及其变异系数

Fig.6   Mean values and variable coefficients of soil moisture at different underlying surfaces in each thawing stage


2015年3月27日 - 4月7日之间有20.8 mm的降雨, 占整个融化期降雨量的86%。受降雨影响, 大部分取样点冻土融化层含水率均有一定幅度的增加, 该阶段20 ~ 40 cm土层(表层冻土融化层所在区域)含水率变化量的变异系数较大; 4月7 - 18日期间, 土壤含水率变化趋势与融化初期相似, 但是随着土壤融化深度的增加, 0 ~ 40 cm土层蒸发损失量均有一定程度的增加。

图7为不同下垫面融化期各时段土壤含水率均值及其变异系数统计图。由图7可知, 整个融化观测期各下垫面、 各土层含水率基本上均呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm。图6图7中不同阶段各下垫面之间, 以及各下垫面在不同阶段之间, 土壤含水率变化量差异较大的土层与这些阶段冻土层的上下边界有较好的重合性。

图7

图7   不同下垫面融化期各时段土壤含水率均值及其变异系数

Fig.7   Mean values and variable coefficients of soil moisture of different thawing stages at each underlying surfaces


根据以上分析可知, 冻土融化初期土壤水分主要受蒸发和降雨入渗影响, 而冻土层是决定表层土壤水分活跃区的主要因素, 它可以抑制冻土层以下土壤的蒸发作用并减少降雨向冻土层以下土壤的入渗, 以上结果与牛春霞等30研究结果一致。

3 结论

(1) 冻融期土壤温度受地表积雪厚度和土壤含水率共同影响。冻结初期积雪较少, 水稻田土壤含水率大, 其冻结锋面迁移速率小于玉米田, 随着降雪的增加, 玉米田积雪更厚, 水稻田冻结锋面迁移速率逐渐领先于玉米田; 深层土壤温度主要受初始含水率的影响, 玉米田深层土壤初始含水率更小, 温度降低幅度更大, 冻结锋面侵入的土层更深。

(2) 土壤冻结期, 农田土壤整个冻土层含水率几乎都呈上升趋势, 但主要集中在表层, 玉米田和水稻田0 ~ 10 cm含水率增幅超过20%, 水稻田增幅最大的土层为10 ~ 20 cm, 达60%; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层在冻结过程中土壤含水率增加量大, 反之则小; 冻土层可以有效的阻隔水分的入渗。

(3) 冻土融化期, 各下垫面、 各土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 以蒸发为主, 冻土对土壤蒸发有抑制作用; 冻土层的融化是造成各下垫面之间不同土层土壤含水差异, 以及各土层在不同融化阶段之间土壤含水率差异的主要原因。

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