唐文政，王春霞，藍明菊，范文波

(石河子大學，新疆 石河子 832000)

0 引 言

土壤溫度作為反映土壤特性的重要指標之一，是植物生長不可或缺的重要因子。不同深度土層溫度變化形成溫度梯度，在溫度梯度作用下引起熱量在土壤中傳導，進而引起土壤水分的遷移和重分布。季節(jié)性凍土自地表至最大凍結(jié)深度的凍土區(qū)域在整個凍融期土壤溫度經(jīng)歷0 ℃上下波動[1]，對土壤水分相變、潛熱的釋放和吸收、水鹽運移、能量再分配等具有重要影響?？梢?，土壤溫度變化不僅僅是土壤熱狀況的改變，而是多種物理、物理化學現(xiàn)象的綜合反映。并且季節(jié)性凍土作為一種特殊的土壤類型，對其溫度變化的研究有助于了解其物理特性和熱量變化，對指導春季作物種植有積極的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學者對季節(jié)性凍土的土壤溫度做了大量的理論分析和試驗研究。國外，G N Flerchinger和F B Pierson等[2]通過土壤水熱同時通過地-植物-大氣連續(xù)體傳輸?shù)哪Ｐ?，模擬半干旱地區(qū)植物對土壤溫度和水分時空變異性的影響。Raimo Sutinen和Pekka Hanninen等[3]通過對芬蘭Fennoscandia地區(qū)連續(xù)兩個冬季氣候五個地點不同土壤結(jié)構(gòu)、水分特性的分析對比得出Frost滲透被發(fā)現(xiàn)歸因于積雪厚度和融雪水是對地下水資源的重要補給。Hotaek Park和Alexander N Fedorov等[4]通過模擬土壤溫度、活動層厚度、雪深和積雪密度與在長時間內(nèi)較大程度上對原位或衛(wèi)星觀測進行總體上的比較，得出積雪有助于北方地區(qū)多年凍土變暖和對未來北極氣候變暖條件下發(fā)揮重要作用。Luo, Lifeng和Robock, Alan等[5]通過對參與試驗的21種方案以正確的方式模擬了在不同時間尺度內(nèi)土壤水熱特性的研究，指出包含在模型中的顯式降雪過程有助于從本質(zhì)上改善模擬。國內(nèi)，胡銘等[6]通過對天山北坡北塘河流域季節(jié)性凍土消融期近地面氣溫和淺層土壤溫度變化關(guān)系的研究，對比無積雪覆蓋季節(jié)性凍土消融，得出凍土消融期積雪對5、10、20 cm凍土層的土壤溫度影響較大，30、40 cm土層溫度影響極小，并且積雪的絕熱保溫作用對淺層土壤溫度的日溫差變化幅度有很好的抑制效果。張慧智[7]等研究分析了中國1971-2000年的土壤溫度的季節(jié)性和區(qū)域性變化，指出我國土壤溫度變化季節(jié)性非常明顯，隨春夏秋冬四季季節(jié)的變化土壤溫度變化幅度由大到小呈現(xiàn)規(guī)律性以及氣溫、降水對不同區(qū)域土壤溫度變化影響的程度不同。張小磊[8]等通過野外試驗的實測數(shù)據(jù)，認為積雪消融速率受氣溫影響很大，積雪厚度滯后土壤解凍時間，減小了土壤溫度差變化幅度，積雪阻礙了地氣能量交換。楊金鳳[9]等研究了季節(jié)性凍土在不同覆蓋方式下對耕作土層溫度具有明顯的增溫效應(yīng)，陳軍鋒[10]等研究了不同秸稈覆蓋量對季節(jié)性凍土的土壤溫度變化影響分析表明秸稈覆蓋厚度為5 cm時，對提高土壤春播底墑效果顯著；秸稈覆蓋厚度為10～15 cm時，對預(yù)防凍害和蓄水保墑效果顯著?？v觀上述研究，大多是從氣溫、地表覆蓋與土溫等相互影響方面的研究，總結(jié)了不同區(qū)域季節(jié)性凍融土壤水熱時空變異機理，這些研究成果對冬作物生長和春季作物種植具有實際意義。然而，上述研究成果大多是對于其試驗所在地區(qū)域的研究，具有地域局限性，新疆作為典型的溫帶大陸性氣候，因其氣溫溫差大、降水量少、空氣干燥、水資源貧乏、土壤鹽堿化或次生鹽堿化現(xiàn)象嚴重等對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大的影響，而北疆冬季較長且有積雪覆蓋，關(guān)注此時期土壤溫度的變化，對了解凍融期土壤水鹽運移與制定來年的春播制度有重要的實踐意義。本文以北疆典型季節(jié)性凍土區(qū)域石河子市為例，通過野外測坑試驗，設(shè)置裸地對照，實測不同時期不同材料覆蓋條件下土壤溫度變化情況，分析研究地表不同覆蓋方式對季節(jié)性凍土溫度時空變異狀況的影響。研究旨在揭示北疆不同地表覆蓋作物非生育期土壤溫度變化機理，為指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年11月29日-2016年4月5日在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室基地暨石河子大學節(jié)水灌溉試驗站進行。試驗站位于石河子市西郊石河子大學農(nóng)業(yè)試驗場二連，東經(jīng)85°59′47″，北緯44°19′28″，海拔412 m，平均地面坡度為0.6%。地處準格爾盆地西南緣天山北麓中段，屬中溫帶大陸性干旱氣候，年均日照時間為2 865 h，多年平均降雨量為207 mm，平均蒸發(fā)量為1 660 mm，其中≥10 ℃積溫為3 463.5 ℃，無霜期為170 d。年均氣溫為7.7 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，7月平均氣溫25.4 ℃；最低氣溫出現(xiàn)在1月，1月平均氣溫-5.5 ℃，年平均風速為1.5 m/s。試驗田地下水埋深5 m以下，土壤質(zhì)地為中壤土，0～120 cm土壤平均干密度為1.53 g/cm3，田間持水量為31.62%，物理黏粒含量(粒徑小于0.01 mm)大于20%，土壤含鹽量0.23%。在本次試驗時間段內(nèi)石河子市出現(xiàn)多次降雪天氣，其中共有兩次較大程度的降雪，分別是在2015年12月11日(降雪持續(xù)3 d)和2016年1月17日(降雪持續(xù)4 d)，該兩次降雪持續(xù)時間長、降雪量大。最后一次降雪出現(xiàn)在2016年3月2日，當日天氣為雨夾小雪。

1.2 試驗方案設(shè)計

該試驗場地共分為12個試驗小區(qū)，設(shè)4種處理，各重復3次，分別為：裸地、地膜覆蓋、10 cm秸稈覆蓋(1.8 kg/m2)、5 cm活性炭覆蓋。每個試驗小區(qū)規(guī)格為2 m×2 m，相鄰試驗小區(qū)間隔40 cm，以方便取土。為了防止小區(qū)土壤水側(cè)滲，在每個試驗小區(qū)四周挖深60 cm，緊貼試驗小區(qū)內(nèi)壁用PVC塑膠板(相鄰PVC塑膠板用玻璃膠水黏結(jié)密實)隔擋。秸稈、活性炭覆蓋處理厚度均勻，所用秸稈為當年試驗場試驗田種植的棉花稈，用鍘刀切成長度為3～5 cm短桿。活性炭為當年試驗站試驗場種植的棉花稈不充分燃燒后加水冷卻形成的充滿空隙的塊狀或顆粒狀碳粒。考慮到在試驗期內(nèi)淺層土壤溫度對外界環(huán)境比較敏感，不同時期土壤溫度變化幅度相對劇烈，在4種處理小區(qū)不同土壤深度10、20、30、40 cm處埋設(shè)土壤溫度探頭(i500-T型土壤溫度記錄儀)自動采集。試驗時期為2015年11月29日-2016年4月5日。

1.3 數(shù)據(jù)觀測與處理

(1)土壤溫度：采用事先埋設(shè)的i500-T型土壤溫度記錄儀自動采集，自2015年11月29日16：30開始記錄，至2016年4日5日(下同)終止監(jiān)測，監(jiān)測期間間隔時間為1 h，數(shù)據(jù)定期導入。根據(jù)地溫計采集的溫度數(shù)據(jù)，選取2015年11月29日、2015年12月7日、2016年1月20日、2016年3月15日、2016年4月5日這5 d典型日的平均溫度作為最終試驗數(shù)據(jù)。

(2)氣溫：采用試驗站安裝的自動氣象站觀測。選取試驗期內(nèi)2015年11月、2015年12月、2016年1月、2016年2月、2016年3月、2016年4月各月份的最高、最低氣溫日作為最終試驗數(shù)據(jù)。

試驗所監(jiān)測土壤溫度、氣溫等數(shù)據(jù)采用Excel 2003進行處理分析并繪圖。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 該試驗區(qū)季節(jié)性凍土凍融時期劃分

在季節(jié)性凍土的整個凍融過程中依據(jù)土壤溫度變化和不同物理現(xiàn)象可以劃分為3個階段。在凍融初期，氣溫晝夜溫差較大，白天土壤溫度大于0 ℃，地表不發(fā)生凍結(jié)，土壤處于非凍結(jié)狀態(tài)；晚上氣溫降幅較大，土壤溫度下降到0 ℃以下，地表發(fā)生結(jié)凍，土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，出現(xiàn)“晝?nèi)谝箖觥?，此時期土壤出現(xiàn)“凍結(jié)-融通”循環(huán)的物理現(xiàn)象，標記此時期為凍結(jié)初期；隨著氣溫的大幅下降，土壤溫度繼續(xù)下降到0 ℃以下，土壤凍結(jié)，并且凍結(jié)鋒面不斷向下移動，直至達到最大凍結(jié)深度，此時期只發(fā)生土壤凍結(jié)一種物理現(xiàn)象，標記此時期為穩(wěn)定凍結(jié)期；隨氣溫回升，土壤地表溫度增大，土壤開始解凍，土壤自地表向下和最大凍土深度處向上部進行雙向解凍，直至土壤完全融通，此時期主要發(fā)生土壤解凍的物理現(xiàn)象，標記此時期為融化期。

根據(jù)試驗區(qū)在試驗期內(nèi)氣溫明顯變化特征日為依據(jù)繪制試驗期氣溫變化圖，如圖1所示。由圖1可知，在整個試驗期內(nèi)氣溫變化趨勢形成先降后升的“凹”型曲線，在2015年11月29日氣溫最高值為2 ℃，最低-6 ℃，土壤表層初步凍結(jié)，并且出現(xiàn)“晝?nèi)谝箖觥爆F(xiàn)象， 2015年12月1日氣溫最高值為-4 ℃，最低氣溫為-11 ℃，全天氣溫在0 ℃以下，說明土壤表層剛開始穩(wěn)定凍結(jié)，但是在此時間段內(nèi)土壤凍結(jié)程度大于解凍強度，總體上土壤處于凍結(jié)初期狀態(tài)。之后由于降雪和降溫的影響，氣溫繼續(xù)降低，在2016年1月20日達到整個試驗期的最低值-21 ℃，土壤繼續(xù)向下凍結(jié)。隨后氣溫回升，在2016年3月15日氣溫最高溫度值為5 ℃，最低溫度-4 ℃，土壤開始解凍，隨著氣溫的大幅回升，土壤解凍速率加快，在2016年4月5日氣溫最高為19 ℃，最低10 ℃，土壤已經(jīng)完全融通。2015年11月29日-2016年1月20日試驗期間內(nèi)氣溫降幅和最大溫差小于2016年1月20日-2016年4月5日氣溫增幅和最大溫差，說明凍結(jié)初期和穩(wěn)定凍結(jié)期的氣溫降低幅度小，土壤凍結(jié)速率響應(yīng)慢，凍結(jié)持續(xù)時間較長；土壤融化期氣溫回升幅度大，土壤融通速率快，融化期持續(xù)時間較短。由此可見：根據(jù)試驗區(qū)實測氣溫變化情況，劃分季節(jié)性凍土凍融過程的3個階段為：2015年11月29日-2015年12月1日為凍結(jié)初期，2015年12月1日-2016年3月15日為穩(wěn)定凍結(jié)期，2016年3月15日-2016年4月5日為融化期。

圖1 試驗期間氣溫變化圖

2.2 不同地表覆蓋下土壤溫度的時間分布

圖2為不同地表覆蓋下土壤溫度隨時間的變化情況。由圖2可知，不同地表覆蓋土壤溫度的時間變化情況各不相同，總體上隨時間進程的推進呈現(xiàn)緩慢降溫趨勢。并且在整個試驗期內(nèi)土壤溫度出現(xiàn)穩(wěn)定正、負溫界限的土層深度各具特點，地膜覆蓋處理下土壤溫度在30 cm土層出現(xiàn)負溫，40 cm土層為正溫，裸地和活性炭覆蓋處理下土壤溫度均在20 cm土層出現(xiàn)負溫，30、40 cm土層為正溫，這與當?shù)毓こ虄鐾翆雍穸葹?20～140 cm的情況不相符，說明隨著全球氣候變暖問題日益嚴重，一方面受氣溫變化敏感的季節(jié)性凍土凍結(jié)厚度進一步變薄現(xiàn)象更加突出[11-13]，另一方面試驗區(qū)土壤含鹽，引起土壤水溶液冰點降低導致凍土層厚度變薄。秸稈覆蓋僅在10 cm土層出現(xiàn)負溫，說明在試驗期內(nèi)地膜覆蓋處理下土壤凍結(jié)深度達到最大，其次為裸地和活性炭覆蓋，秸稈覆蓋處理下土壤凍層最小。其中10 cm土層土壤溫度隨時間變化劇烈，4種地表處理在2016年1月4日土壤溫度均降低到0 ℃以下，在2016年1月20日均降到最低，降溫幅度依次為：裸地>地膜覆蓋> 秸稈覆蓋>活性炭覆蓋，四種地表處理土壤溫度降低到極小值點后開始回升，裸地和地膜處理下土壤增溫幅度最大均為0.3 ℃，活性炭覆蓋處理下增溫幅度為0.2 ℃，秸稈增溫幅度最小為0.1 ℃。結(jié)合圖1和圖2可知，氣溫變化和10 cm土層土壤溫度的變化趨勢有高度的一致性，而和20、30、40 cm土層土壤溫度變化情況有所不同。說明氣溫是影響10 cm土層土壤溫度變化的重要因子，對20、30、40 cm土層溫度影響不明顯。

圖2 不同地表覆蓋下土壤溫度隨時間的變化過程圖

由上面分析可見，在整個凍融過程的不同時期秸稈覆蓋和活性炭覆蓋表現(xiàn)出不同的保溫現(xiàn)象。在凍結(jié)初期、穩(wěn)定凍結(jié)期活性炭覆蓋相比秸稈覆蓋凍土層厚、土溫低，說明秸稈覆蓋在此時期對土壤溫度的保溫效果優(yōu)于活性炭覆蓋。在融化期活性炭的增溫幅度大、凍土層解凍速率快，表明活性炭覆蓋在融化期對土壤的保溫、增溫效果優(yōu)于秸稈覆蓋。同時，在整個凍融期，活性炭覆蓋可以有效平抑土壤降溫幅度，滯后土壤凍結(jié)，這是因為活性炭具有巨大的顆粒比表面積，對土壤中的微小雜質(zhì)、溶質(zhì)、膠體等有很強的吸附作用，從而阻塞土壤表層空隙結(jié)構(gòu)，減小土壤熱量的散失，對土壤具有一定的保溫作用。地膜覆蓋較其他處理降溫幅度、凍土深度均為最大，這是由于地膜作為一種密實的覆蓋材料橫隔在積雪和地表之間，地膜內(nèi)表面土壤溫度高于地膜外表面積雪溫度，地膜內(nèi)外表面產(chǎn)生較大溫度差，土壤水一部分汽化在地膜內(nèi)表面冷凝形成液態(tài)水珠，伴隨著土壤中熱量的釋放，降低土壤溫度。秸稈覆蓋凍土深度最小，可見秸稈覆蓋可以有效抑制土壤溫度波向空氣中擴散，從而減少土壤熱量損失。活性炭覆蓋下10 cm土層土壤溫度增幅小于地膜覆蓋，這可能是由于活性炭導熱性差，對太陽輻射不敏感，相應(yīng)吸收熱量少所致。

2.3 不同地表覆蓋下土壤溫度的空間分布規(guī)律

由圖3可知，在整個季節(jié)性凍融期不同地表處理下土壤溫度均隨著土壤深度的增加而緩慢增大。在2015年12月7日土壤溫度隨土層深度增加基本上呈線性增大，其中地膜覆蓋處理下線性增溫趨勢更加明顯，說明土壤升溫最快，秸稈、活性炭覆蓋處理下在10～30 cm土層土壤溫度呈線性升溫，30～40 cm土層曲線變緩，土壤溫度增幅逐漸降低，裸地土壤溫度在整個試驗土層內(nèi)變化緩慢，增溫幅度最小。在2016年1月20日裸地土壤在0～18 cm土層出現(xiàn)負溫，地膜覆蓋處理下0～22 cm土層土壤溫度降低到0 ℃以下，土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，22～40 cm土層土壤溫度處于0 ℃以上，該試驗土層未發(fā)生凍結(jié)。秸稈覆蓋處理下在0～12 cm土層土壤溫度處在-0.1～0 ℃之間，12～40 cm深度土層土壤溫度增大到0 ℃以上?；钚蕴扛采w處理下0～18 cm土層土壤溫度處于-0.5～0 ℃之間，18～40 cm土層土壤溫度升溫到0 ℃以上。在2016年3月15日積雪全部融化，太陽輻射增大，地-氣之間熱量傳輸增強，土壤溫度大幅回升，土壤自地表向下和最大凍結(jié)深度土層向上進行雙向加速解凍，在2016年4月5日土壤全部融通。由裸地土壤溫度空間分布圖發(fā)現(xiàn)在20 cm土層土壤溫度在2016年3月15日出現(xiàn)不增反降現(xiàn)象，這是因為在2016年3月15日石河子市出現(xiàn)降雨天氣，氣溫驟然降低，導致土壤溫度較大幅度降低。由圖2曲線變化趨勢可得出在整個試驗凍融期，地膜覆蓋處理下凍深增幅最大，其次為活性炭和裸地，秸稈覆蓋處理下凍深增幅最小，說明在季節(jié)性凍融期4種地表處理下對平抑土壤溫度變幅都有一定的積極作用，其中秸稈覆蓋處理下對平抑土壤溫度變幅效果最顯著，其次為活性炭覆蓋處理，裸地、地膜覆蓋處理對平抑土壤溫度變幅效果較差。

圖3 不同地表覆蓋下土壤溫度的空間分布圖

2.4 地表覆蓋條件下土壤溫度的時空分布差異成因分析

(1)地膜覆蓋相比裸地具有一定的增溫效應(yīng)，但是沒有秸稈覆蓋、活性炭覆蓋的增溫效應(yīng)明顯，這和楊金鳳等[9]的研究結(jié)果有所不同?？赡苁且驗榈啬るm有透光作用，吸收太陽輻射能的能力較強，但是在地膜內(nèi)外表面存在溫度差，緊貼地膜內(nèi)表面形成一連續(xù)的薄層水簾，地膜-水簾組合減弱了對太陽輻射能的吸收，同時土壤空隙中部分水汽化吸熱，伴隨土壤熱量的釋放，大大降低土壤溫度?；钚蕴扛采w的增溫效果優(yōu)于地膜覆蓋，一方面是因為活性炭的黑色顆粒吸熱作用本身就強，另一方面在凍融過程中活性炭由于本身的特性吸附土壤中不同粒徑的雜質(zhì)，在活性炭下墊面形成一連續(xù)密實的介質(zhì)，較大幅度地減弱了土壤溫度波向空氣中擴散，減少土壤熱量散失，對土壤具有較好的保溫效應(yīng)。在凍結(jié)初期和凍結(jié)期，積雪下部部分融化下滲，在秸稈不同層面凝結(jié)形成秸稈-冰層，由于冰的低比熱容和秸稈的低導熱性，極大地抑制土壤溫度波的擴散，同時在融化期，秸稈覆蓋處理下有效抑制土壤蒸發(fā)和雨、雪水入滲，減少熱量散失，對土壤具有良好的保溫效應(yīng)，因此相比其他處理，秸稈覆蓋處理下的增溫效應(yīng)最好，其次是活性炭覆蓋。

(2)北疆地區(qū)冬季積雪覆蓋，在整個季節(jié)性凍融期積雪物理變化對凍融土壤性狀改變的影響不可忽視。凍融期間積雪厚度由薄變厚再變薄最后全部融化，同時伴隨著從表層到底層積雪密度的改變，積雪厚度、密度對地-氣熱量傳輸有雙重影響[14]，不同時期影響程度不同。凍結(jié)期，積雪厚度增加、密度變大，對阻礙太陽輻射能向地中傳輸占主導地位，同時對土壤溫度波擴散也具有抑制作用。融化期，積雪厚度變薄，密度減小，對抑制太陽輻射能向地中傳輸、土壤溫度波擴散的作用減弱，此時由于外界氣溫大幅回升，太陽輻射能增強，土壤對太陽輻射能的吸收能力大于土壤溫度波向外擴散的能力，致使土壤溫度回升?？梢?，積雪的物理反應(yīng)能夠調(diào)節(jié)土壤溫度、改善土壤物理性狀。

3 結(jié) 語

不同地表覆蓋下對季節(jié)性凍土土壤溫度影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①在季節(jié)性凍融期，10 cm土層土壤溫度受氣溫影響最大，隨土壤深度增大，氣溫對土壤的影響力逐漸減??；②在季節(jié)性凍融期通過地表覆蓋均能調(diào)節(jié)土壤溫度，提高土壤的增溫效應(yīng)，其中秸稈覆蓋和活性炭覆蓋的增溫效應(yīng)優(yōu)于地膜覆蓋；③土壤經(jīng)歷凍融過程不同土層溫度均發(fā)生變化，隨土壤深度增大土壤溫度呈現(xiàn)遞增現(xiàn)象，秸稈覆蓋和活性炭覆蓋在整個凍融期溫度變化幅度最小，體現(xiàn)較好的保溫效果。

季節(jié)性凍土作為作物非生育期的一種特殊土壤，研究其在凍融過程中溫度的變化規(guī)律，對于作物生育期種植環(huán)境、調(diào)節(jié)土壤溫度、提高作物產(chǎn)量等有積極的現(xiàn)實意義。本試驗立足于探討通過北疆不同地表覆蓋在季節(jié)性凍土凍融過程中土壤溫度的變化規(guī)律，分析對比秸稈、活性炭、地膜覆蓋材料對凍融土壤的增溫效應(yīng)和調(diào)節(jié)土壤溫度的效果。研究成果表明：秸稈覆蓋和活性炭覆蓋均可以有效抑制土壤溫度變幅，對土壤經(jīng)歷凍融過程的保溫效果明顯。秸稈覆蓋在凍結(jié)初期、穩(wěn)定凍結(jié)期的保溫效果優(yōu)于活性炭覆蓋，活性炭覆蓋在融化期的保溫增溫效果優(yōu)于秸稈覆蓋。

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