季節性凍融期土壤凍融特征試驗研究

覆蓋耕地是有效的農業措施之一，它對人工調節土壤和作物之間的水條件，減少耕地中的水分和汗水，并提高水的效率。現在，這也是干旱和半干旱地區的一種廣泛應用。由于地表條件改變了土壤的水熱狀況,所以在季節性凍融期出于儲水保墑的目的,常在地表覆蓋秸稈、地膜等覆蓋物以改變凍融土壤的自然特性。1土壤凍結試驗本試驗于2004年11月至2005年3月在山西省水文水資源勘測局太谷均衡實驗站中心實驗場進行。根據太谷均衡實驗站中心實驗場地面氣象站凍土器測得的凍土深度資料分析,試驗區土壤的凍結一般發生于11月中旬,完全消融于翌年3月中旬,將此期間稱為季節性凍融期。試驗田塊為深耕休閑地,分為裸地LD、玉米秸稈覆蓋地JD、地膜覆蓋地MD、秸稈和地膜二元覆蓋地JMD。玉米秸稈(長約5cm)和地膜在試驗之前預覆蓋好,秸稈覆蓋厚度為18cm。土壤質地為砂壤土,耕作層土壤干容重1.55g/cm3,耕作層之下(20cm~40cm內)干容重為1.52g/cm3,試驗前土壤初始含水率(表層20cm)相差很小,變化在18.8%~18.9%。凍融土壤的地溫采用熱敏電阻進行測定。2土壤溫度的測定是土壤水整結的結果土壤覆蓋于地球表面,與大氣時刻進行著物質和能量的交換。季節性凍融期土壤的凍結與融化取決于太陽輻射熱量的變化和土壤對熱量的吸收利用狀況,即表層植被或覆蓋條件。土壤的凍結和融化實質上是土壤水的凍結和融化,即水分的相態變化過程。當土壤溫度低于土壤水的冰點時,土壤開始凍結,隨著土壤溫度梯度的增大,土壤逐漸向下凍結。1月中旬之后,太陽輻射開始增強,土壤開始融化,土壤含冰量隨著地溫的回升逐漸減少,當凍層全部融化時,土壤的融化過程結束。3凍結強度階段根據太谷均衡實驗站地面氣象站凍土器測得的凍土深度資料,將土壤的凍融過程大致分為三個主要階段:初凍階段(11月11日—12月24日);穩定凍結階段(12月24日—翌年2月12日);解凍消融階段(2月13日—3月19日)。初凍階段:凍融土壤晝融夜凍,凍層厚度薄,凍結強度低,凍層位于地表,是土壤水分入滲的控制界面。穩定凍結階段:隨著氣溫的不斷下降和地表負積溫的增加,凍層逐漸向下穩定發展,凍結層含冰量增加,未凍水含量逐漸減少。穩定凍結階段末期,隨著氣溫回升和太陽輻射的增強,表層土壤再次經歷晝融夜凍,但深層土壤在向下溫度梯度的作用下凍結鋒面仍然向下發展,在2月上旬,土壤凍結深度達到最大。解凍消融階段:地表出現消融層,消融層的厚度隨著氣溫的回升而逐漸加厚。受蒸發作用,消融層土壤含水率逐漸降低,其凍結狀態多為粒狀凍層或非凍結干土層。4不同表面條件下土壤的凍結特征4.1影響因素的因素根據中國科學院寒區旱區環境與工程研究所的研究,季節性凍融期土壤的凍結與融化主要受植被、雪蓋、水體、地形、含水量和鹽分含量等因素的影響。這些因素積極參與大氣與地面間的熱交換,影響地面和地中溫度狀況,從而決定土壤的季節性凍結和融化特征。在同一溫度條件下,平原或盆地土壤的凍結和融化特征主要受土壤含水量和植被等因素的影響,而土壤含水量又與土壤質地、結構、降雨、蒸發等因素有關。對某一特定的研究區而言,地表被覆條件是影響凍融特征的主要因素。4.2凍結深度和凍融時間本研究從影響土壤凍融的具體因素出發,分析了不同地表條件下土壤的凍融特點。本區自然土壤在11月中旬之后開始凍結,土壤中凍層的發育由氣象條件、土壤特性、土壤中水分含量以及地面被覆情況決定。對于給定的土壤,凍融期土壤的凍結溫度主要受土壤含水率的控制,并隨土壤含水率的減小而降低,由于凍融前后土壤的含水率發生了較大的變化,因此土壤的冰點也相應地發生變化。土壤0℃以下某一溫度可大致反映土壤的凍融過程,圖1為凍融期不同地表條件下土壤-0.5℃等值線。從圖中可以反映不同地表條件下土壤-0.5℃溫度線的時空變化規律。可見,土壤凍結時是自上而下的單向凍結,融化則為自上而下和自下而上的雙向融化。由于受地表條件的制約,凍結深度和凍融時間表現出一定的差異。LD初凍始于11月中旬,MD為12月19日,滯后LD約38d。隨著氣溫的降低,凍結鋒面逐漸向下發展,土壤含冰量逐漸增加,凍結深度逐漸加大,到2月6日,LD凍結深度達到最大為60cm;由于地膜的保溫作用,減弱了地表與外界的熱交換,所以MD的凍結速率較小,1月21日之前凍層以平均1.2cm/d的凍結速率向下發展,凍結深度較淺,最大凍結深度出現在2月26日,為42cm。進入2月份,由于太陽輻射的增強和冬季缺少有效的降水,LD土壤吸收太陽輻射能較多以及其表層土壤含水率的降低使得表層土壤過早呈現未凍的狀態,土壤進入消融階段。MD地表接受太陽輻射能大于其長波輻射,土壤與大氣的熱交換與太陽接受吸收輻射相比微不足道,其凍結深度淺,土壤提前解凍,地溫迅速回升,解凍過程較短。LD由于夜間散失的熱量較多,因而解凍過程相對緩慢,較MD完全解凍時間推后10d。在玉米秸稈的覆蓋下,減少了地面長波的有效輻射,盡管太陽輻射能減弱,但輻射平衡維持正值的時間較長,直到12月下旬土壤才開始凍結,滯后LD約45d。由于玉米秸稈的保溫作用,減弱了地表與外界的熱交換,所以JD土壤凍結較晚,12月30日5cm處土壤溫度才降到0℃以下,1月21日之前凍層以平均1.0cm/d的凍結速率逐漸向下發展,其凍結深度較淺,最大凍結深度出現在2月20日,僅35cm,持續約10d。進入2月份,隨著太陽輻射的增強,氣溫開始回升,土壤進入消融階段,在秸稈覆蓋下,土壤吸收太陽輻射的能量較裸露地表土壤大大減少。因此,地溫回升較慢,耕作層負溫一直持續到3月中旬。從圖中可以看出,秸稈覆蓋下土壤的消融解凍具有滯后現象,凍土完全解凍滯后LD約7d。JMD土壤的凍融過程獨特,初凍滯后LD47d,1月初僅表層3.5cm凍結,2月初達到最大凍結深度(20cm),2月下旬凍層融通。覆蓋物使地表輻射平衡維持正值的時間就較長,土壤凍結深度減小,凍結強度減弱,降低作物發生凍害的幾率。5土壤凍融特性(1)土壤的凍融過程大致分為三個主要階段:初凍階段(11月11日—12月24日);穩定凍結階段(12月24日—翌年2月12日);解凍消融階段(2月13日—3月19日)。(2)LD初凍始于11月中旬;MD為12月19日,滯后LD約38d;JD12月下旬才開始凍結,滯后LD約45d;JMD土壤的凍融過程獨特,初凍滯后LD47d。(3)LD2月6日凍結深度達到最大