付 強 馬梓奡 李天霄 侯仁杰

(東北農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

土壤覆蓋作為重要的農(nóng)業(yè)耕作措施之一，對于保持土壤墑情、增加土壤溫度具有重要的作用，一直以來都是國內(nèi)外學者關(guān)注的焦點。早在20世紀30年代 HALLSTED等[1-2]就已對秸稈覆蓋進行了科學性的研究，隨后其他學者在其研究基礎(chǔ)上不斷進行了完善。我國對于秸稈覆蓋的研究始于20世紀70年代初[3]，隨后開展了廣泛的研究工作。其研究內(nèi)容主要針對覆蓋條件下土壤中水、熱、微生物、有機物的變化和遷移規(guī)律以及對作物產(chǎn)量、植被生長等方面的影響[4-9]。比較有代表性的研究有：SARKAR等[10]提出水葫蘆覆蓋和稻草覆蓋可以有效提高黃芥菜的水分利用率及產(chǎn)量；FAN等[11]發(fā)現(xiàn)，黃土高原秸稈覆蓋處理可以降低土壤日最高溫度，提高土壤日最低溫度，增加淺層土壤蓄水量，進而提高苜蓿產(chǎn)量和水分利用效率。上述研究多側(cè)重于非凍融土壤，而全球季節(jié)性凍土區(qū)的面積達到了23%，尤其是我國，其比例達到了53.5%[12]，因此，國內(nèi)外相關(guān)學者也廣泛開展了覆蓋物對凍融土壤水熱變化的影響研究[13-14]，如：盧星航等[13]研究了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)不同覆蓋對凍融土壤水分和溫度的影響；周劍等[14]指出青藏高原植被覆蓋可大幅度延遲土壤凍結(jié)起始時間；時學雙等[15]研究發(fā)現(xiàn)，與裸地相比，秸稈覆蓋可有效降低凍融期土壤溫度的變幅；ZHANG等[16]和MUSA等[17]也得出了相似的結(jié)論。陳軍鋒等[18-19]通過室內(nèi)和室外試驗研究了凍融條件下土質(zhì)和覆蓋物對土壤溫度變化的影響。

由于氣候、地質(zhì)條件、土壤、覆蓋物等人為或自然因素的差異，凍融土壤內(nèi)部熱量分布和傳遞效率也有所不同，上述研究多側(cè)重于秸稈覆蓋，未考慮積雪，尤其是積雪和秸稈覆蓋共同作用下對凍融土壤水熱的影響。因此，本文以季節(jié)性凍土區(qū)——黑龍江省為研究對象，通過野外冬季大田試驗，考慮積雪和秸稈覆蓋的共同作用，分析凍融土壤內(nèi)部熱量空間分布以及覆蓋物對其傳遞效率的影響，以期為季節(jié)性凍土區(qū)農(nóng)田土壤水熱的高效利用和春季土壤墑情的識別提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年11月1日—2017年4月30日在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學節(jié)水灌溉試驗場進行。試驗區(qū)位于45°44′24″N，126°43′7″E(圖1)，氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L氣候，冬長夏短。試驗期內(nèi)最低氣溫為-24.4℃，日均最低氣溫為-19.3℃，日平均氣溫為-5.3℃，累計負積溫為-1 327.6℃，累計降水量49.2 mm。本試驗區(qū)犁底層約為20 cm，為黑土，40～60 cm為粘質(zhì)黃土，60 cm以下為粘質(zhì)黑土。試驗前期通過人工取樣測定可知：土壤平均干容重為1.52 g/m3，飽和含水率為44.81%，田間持水率為32.73%。另外，采用Winner801型激光粒度儀檢測土壤中各種顆粒的機械組成為：黏粒(<0.002 mm)所占比重為14.27%，粉粒(0.002～0.02 mm)所占比重為35.89%，砂粒(0.02～2 mm)所占比重為49.84%。

圖1 試驗區(qū)位置與方案設(shè)置Fig.1 Test area location and test setting

1.2 試驗方案

將試驗場地劃分為4塊10 m×10 m的區(qū)域，設(shè)置裸地、自然降雪覆蓋、5 cm秸稈覆蓋+自然降雪(6 000 kg/hm2)和10 cm秸稈覆蓋+自然降雪(12 000 kg/hm2)4種處理，各區(qū)域秸稈均勻鋪設(shè)。試驗所用秸稈取自于2016年收獲的大田玉米植株完整的莖葉部分，其中：5 cm秸稈覆蓋+自然降雪處理條件采用平行鋪設(shè)方式，10 cm秸稈覆蓋+自然降雪處理采用縱橫交錯鋪設(shè)方式，裸地處理采用人工清理每次降雪。試驗過程中，每個試驗小區(qū)埋設(shè)凍土器1根、土壤水熱環(huán)境監(jiān)測設(shè)備1套，用以實時監(jiān)測土壤的凍深、土壤溫度和液態(tài)含水率等數(shù)據(jù)，此外，每套監(jiān)測設(shè)備附近埋設(shè)1根中子儀測管，用以測量凍融土壤的總含水率。

凍深數(shù)據(jù)采用人工觀測，每日08:00進行數(shù)據(jù)采集。土壤水熱監(jiān)測設(shè)備埋深為100 cm，觀測深度分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 cm，數(shù)據(jù)采集間隔為1 h。結(jié)合試驗區(qū)域氣候特點及凍深發(fā)展趨勢，中子儀測量時間為每3 d一次，如有氣溫極端變化或降雪，則補充測量一次，測量時每個土層深度進行3次測量，取其平均值。為了保證數(shù)據(jù)精度，試驗前通過不同深度土壤取樣，對中子儀以及土壤水熱監(jiān)測設(shè)備進行了校核和標定。

1.3 研究方法

凍結(jié)期土壤中的質(zhì)量含水率與體積含水率為

(1)

(2)

式中W——土壤中的質(zhì)量總含水率，%

Wu——土壤中的液態(tài)質(zhì)量含水率，%

Wv——土壤中的體積含水率，%

Wvu——土壤中的液態(tài)體積含水率，%

ρd——土的干密度，kg/m3

ρi——冰密度，kg/m3

ρw——液態(tài)水密度，kg/m3

融土比熱容Cdu和凍土比熱容Cdf分別為

(3)

(4)

式中Csu、Csf、Cw、Ci——融土骨架、凍土骨架、水和冰的比熱容，kJ/(kg·K)

融土容積熱容量Cu(kJ/m3·K)與凍土容積熱容量Cf為

Cu=Cduρu=(Csu+WCw)ρd

(5)

Cf=Cdfρf=[Csf+(W-Wu)Ci+WuCw]ρd

(6)

式中ρu、ρf——融土和凍土天然容重(濕容重)，kg/m3

凍土內(nèi)水分相變吸收、釋放大量熱量，水分相變潛熱變化過程使得凍土與融土熱量變化具有顯著的差別[20]。相變熱量Qw可通過土層內(nèi)含冰量的變化量來計算

Qw=LρdΔ(W-Wu)

(7)

式中L——水分相變熱，取334.56 kJ/kg[12]

Δ(W-Wu)——當前時刻含冰量與上一時刻的差值

忽略土壤內(nèi)水汽遷移，則凍土和融土在凍融期的熱量變化量ΔQd和ΔQr可表示為

ΔQd=[Csf+(W-Wu)Ci+WuCw]ρdΔTe+
LρdΔ(W-Wu)

(8)

ΔQr=(Csu+WCw)ρdΔTe+LρdΔ(W-Wu)

(9)

式中 ΔTe——當前時刻與上一時刻的溫度差

當計算深度土層中Wi=W-Wu≠0時即認為有固態(tài)水存在，采用式(8)計算；當計算深度土層中Wi=W-Wu=0時無固態(tài)水，采用式(9)計算，其中Wi為土壤中固態(tài)水含量。

根據(jù)式(8)、(9)，則凍融期不同處理條件下某土層深度處熱量變化量Qcdi為

(10)

式中T——數(shù)據(jù)序列長度

i——土層深度，為10，20，…，100 cm

則試驗期內(nèi)不同處理地塊熱量變化總量Qcd為

(11)

則某土層深度熱量變化量占該處理地塊熱量變化總量的比值(簡稱土層熱量變化量占比)Qcdpi為

(12)

為了確定不同深度土層試驗期內(nèi)熱量收支狀況，對24 h各時間段內(nèi)熱量變化量進行計算和統(tǒng)計，分別計算土層日吸收熱量值ΔQx和日釋放熱量值ΔQs

(13)

(14)

其中

I+J=24

式中I——計算日內(nèi)熱量變化量為正值的個數(shù)

J——計算日內(nèi)熱量變化量為負值的個數(shù)

2 結(jié)果與分析

圖2 不同處理條件下凍深變化過程Fig.2 Change process of freezing depth under different treatment conditions

土壤的凍融過程反映了土壤中熱量的變化[21-22]，采用凍深數(shù)據(jù)繪制各處理地塊凍融過程曲線，如圖2所示。由圖2可知，不同處理條件下凍融過程存在一定的差異，尤其是最大凍深，4種處理的極差達到了65 cm，可見覆蓋物在一定程度上改變了凍融土壤中熱量的分布和傳遞過程。為了便于分析，以裸地條件下的凍融過程線作為試驗階段劃分的依據(jù)，以凍結(jié)速率發(fā)生變化的日期作為分界點，將整個試驗期劃分為凍結(jié)期和融化期，如圖2所示。

2.1 不同處理條件下凍融土壤熱量空間分布

在試驗過程中，受環(huán)境因子的驅(qū)動，各土層與環(huán)境之間發(fā)生著熱量交換。根據(jù)式(12)計算4種處理條件下各深度土層熱量變化量占比Qcdpi，如圖3所示。由圖3可知，在凍結(jié)期，裸地、自然降雪覆蓋、5 cm秸稈覆蓋+自然降雪、10 cm秸稈覆蓋+自然降雪4種處理條件下表層10 cm土層處土壤熱量變化量占比依次為34.21%、36.87%、24.19%、26.91%，隨著土層深度的增加，在20、30 cm土層處分別減少為19.78%和10.86%、16.59%和11.27%、18.89%和16.18%、15.89%和11.77%，表層30 cm區(qū)域內(nèi)的土層熱量變化量占比累計分別達到了64.85%、64.73%、59.27%和54.57%；在融化期，4種處理條件下表層10 cm土層處土壤熱量變化量占比依次為54.93%、56.44%、50.41%、38.36%。隨著土層深度的增加，在20、30 cm土層處分別減少為18.58%和7.66%、15.65%和7.05%、16.58%和6.98%、14.4%和8.48%，表層30 cm區(qū)域內(nèi)的土層熱量變化量占比累計分別達到了81.17%、79.14%、73.98%和61.24%?？梢?，在土壤凍融循環(huán)過程中，土壤受環(huán)境因子的驅(qū)動效果較為顯著，淺層土壤與環(huán)境之間的熱量交換程度要高于深層，表層30 cm土層熱量交換占到了整個觀測深度土層熱量交換的54%以上，尤其是融化期裸地處理，達到了81.17%；隨著土壤覆蓋厚度的增加，表層30 cm土層內(nèi)熱量變化量占比逐漸降低、波動幅度逐漸減小，表明積雪與秸稈的協(xié)同效應減弱了土壤熱量的遷移和傳遞過程。

圖3 凍融過程中各土層熱量變化量占比空間分布Fig.3 Heat variation in each soil layer during freezing and thawing processes

2.2 不同處理條件下凍融土壤熱量收支特征

根據(jù)式(13)和(14)分別計算凍結(jié)期和融化期各土層日熱量的吸收值與釋放值，繪制其隨時間的變化曲線，并擬合變化曲線的線性函數(shù)，則函數(shù)斜率即表示土壤熱量釋放、吸收的變異幅度?？紤]到論文篇幅，僅給出10 cm土層土壤熱量釋放、吸收過程曲線，如圖4所示，其余土層計算結(jié)果如表1所示。由圖4可知，表層10 cm土層處，凍結(jié)期，隨著氣溫的不斷降低，土壤熱量不斷散失，4種處理條件下的熱量收支趨勢線斜率均為負值，分別為-0.179、-0.157、-0.122、-0.098；融化期，隨著氣溫的不斷升高，土壤不斷吸收外界熱量，4種處理條件下的熱量收支趨勢線斜率均為正值，分別為0.251、0.224、0.161、0.118?？梢姡瑹o論凍結(jié)期還是融化期，裸地處理條件下，10 cm土層深度熱量收支變異幅度均是最大的，而10 cm秸稈覆蓋+自然降雪處理條件下均是最小的。對比表1，其他土層深度同樣也存在該規(guī)律。因此，本文認為隨著土壤表面覆蓋物種類及厚度的增加，土壤與環(huán)境之間的熱量交換程度逐漸減弱，土壤熱量散失或吸收的速率也會逐漸降低。

由表1可知，在裸地處理條件下，20 cm土層處凍結(jié)期日均熱量吸收與釋放的差值為7 564.8 kJ，而隨著土層深度的增加，30、40、50、60 cm土層處的日均熱量變化差值分別相對于20 cm土層處降低了37.12%、58.67%、71.78%和75.19%，而達到深層100 cm土層處，土壤熱量收支變化差值僅僅為1 098.5 kJ；在自然降雪覆蓋處理條件下，積雪的大熱容量性及低導熱性阻礙了土壤與環(huán)境之間的熱量交換。凍結(jié)期，在20、30、40、50 cm土層處的日均熱量變化差值分別相對于裸地處理條件下相同土層處的熱量變化值逐漸降低。其熱量變化趨勢線斜率分別相對于裸地處理降低了9.93%、11.34%、10.15%和13.01%。同理，在5 cm秸稈覆蓋+自然降雪、10 cm秸稈覆蓋+自然降雪處理條件下，積雪和秸稈的雙重覆蓋效果更加抑制了熱量的散失，因此，在這2種處理條件下，各個土層處的土壤日均熱量變化差值以及變化趨勢線斜率分別相對于裸地和自然降雪覆蓋處理均有所降低。與上述結(jié)果相似，融化期，4種處理條件下各個土層熱量的日均變化差值和趨勢線斜率隨著土層深度的增加，依次呈現(xiàn)出減小的趨勢。如：裸地處理條件下，20、30、40、50 cm土層處的熱量收支變化趨勢線的斜率分別為0.247、0.218、0.207和0.194，隨著土層深度的增加，土壤吸收熱量的幅度逐漸地減弱。

圖4 試驗期內(nèi)10 cm土層處土壤熱量變異過程Fig.4 Soil heat variation during experiment period in 10 cm soil layer

土壤深度/cm參數(shù)凍結(jié)期融化期裸地自然降雪覆蓋5cm秸稈覆蓋+自然降雪10cm秸稈覆蓋+自然降雪裸地自然降雪覆蓋5cm秸稈覆蓋+自然降雪10cm秸稈覆蓋+自然降雪10日均熱量差/kJ12754.48572.74761.32431.531563.526078.517532.18857.1趨勢線斜率K-0.179-0.157-0.122-0.0980.2510.2240.1610.11820日均熱量差/kJ7564.83123.72978.41543.710056.78342.15641.53547.2趨勢線斜率K-0.151-0.136-0.104-0.0870.2470.2070.1310.09830日均熱量差/kJ4756.21989.52218.61086.24518.52865.41559.41098.5趨勢線斜率K-0.141-0.125-0.086-0.0730.2180.1870.1310.09540日均熱量差/kJ3126.71364.81554.21056.12098.41352.1986.4709.3趨勢線斜率K-0.128-0.115-0.098-0.0750.2070.1870.1220.08550日均熱量差/kJ2134.71564.21098.5874.21225.31098.4859.2731.2趨勢線斜率K-0.123-0.107-0.088-0.0710.1940.1580.1170.08060日均熱量差/kJ1876.91254.3911.5813.61154.2986.4732.8645.2趨勢線斜率K-0.097-0.088-0.071-0.0630.1780.1310.1110.07270日均熱量差/kJ1546.81126.1980.2.7822.11005.1876.5743.4603.6趨勢線斜率K-0.078-0.073-0.067-0.0520.1580.1060.0980.07480日均熱量差/kJ1321.8931.4932.1775.3897.1708.7667.6597.3趨勢線斜率K-0.067-0.062-0.054-0.0430.1510.1020.0860.06390日均熱量差/kJ1436.8810.4743.2710.9721.1711.5657.9603.5趨勢線斜率K-0.055-0.044-0.041-0.0350.1430.1010.0880.067100日均熱量差/kJ1098.5784.2703.5693.2685.1558.4543.2421.3趨勢線斜率K-0.048-0.032-0.029-0.0260.1310.0840.0710.061

綜合上述分析可知，在整個凍融循環(huán)過程中，各個土層與其相鄰土層進行著頻繁的熱量交換。隨著土壤深度的不斷增加，熱量在土壤內(nèi)傳遞的損耗逐漸增加，使得熱量交換程度在逐漸地減弱。在凍結(jié)過程中，土壤熱量傳遞的累計值為負，整體呈現(xiàn)出熱量散失的趨勢，而在融化期，隨著氣溫的升高以及輻射能力的增強，土壤從環(huán)境中不斷地汲取熱量，由于積雪的大熱容量性、低導熱率以及秸稈的儲水蓄能效應，導致4種處理條件下的土壤與環(huán)境之間的熱量交換效應逐漸地降低。

2.3 凍融土壤熱量雙向傳遞特征分析

為了探索凍融期內(nèi)土壤熱量釋放與吸收的平衡狀況以及覆蓋處理對于土壤熱量收支差異的影響，統(tǒng)計4種不同處理條件下土壤熱量的吸收值與釋放值，并將裸地處理吸收與釋放熱量的絕對值相加作為標準值，與各地塊吸收與釋放的熱量值做對比，具體結(jié)果如表2所示。由表2可知，各個處理在試驗期內(nèi)吸收與釋放的熱量大致相等，說明在整個冬季試驗期土壤內(nèi)部熱量經(jīng)歷了釋放-吸收的過程，并基本回到原點。其中裸地熱量吸收、釋放值占比為45.07%、54.93%，自然降雪覆蓋28.79%、32.77%，5 cm秸稈覆蓋+自然降雪20.79%、27.16%，10 cm秸稈覆蓋+自然降雪11.59%、16.91%，可見覆蓋物對于土壤熱量雙向傳遞的阻礙作用基本相同，這與文獻[23]的研究結(jié)果相一致。根據(jù)表2分別計算自然降雪覆蓋、5 cm秸稈覆蓋+自然降雪和10 cm秸稈覆蓋+自然降雪對于熱量傳遞的阻礙率，其結(jié)果分別為17%、25%和34%。由自然降雪覆蓋對熱量影響效果可知，若各地塊自然降雪覆蓋對熱量傳遞的影響狀況一致，則可以簡單推測出秸稈覆蓋+自然降雪中秸稈覆蓋對熱量傳遞影響效果，則有5 cm秸稈覆蓋對于熱量傳遞的影響率為8%，10 cm秸稈覆蓋為17%。圖5為試驗期內(nèi)4種處理熱量變化時間統(tǒng)計圖。由圖5可知：4種處理無熱量變化時間點個數(shù)占比均較大，其中裸地處理條件下土壤熱量無變化時間點個數(shù)占比最小，為29.17%。隨著覆蓋物種類及厚度的增多，其他3種處理相對于裸地熱量無變化時間點個數(shù)占比也在增大，分別增加10.04%、14.16%、21.64%；4種處理條件下，熱量釋放時間段占比相對于熱量吸收時間段占比分別高出26.78%、22.2%、23.78%、21.46%。其中裸地熱量釋放時間段占比最高，其次為自然降雪覆蓋、5 cm秸稈覆蓋+自然降雪、10 cm秸稈覆蓋+自然降雪；而熱量吸收過程正好相反。這主要由覆蓋物的雙向阻礙作用導致的。

表2 試驗期內(nèi)熱量雙向傳遞總量與比值Tab.2 Amount and ratio of heat two-way transmission during experiment period

圖5 試驗期內(nèi)熱量變化時間統(tǒng)計Fig.5 Time statistics of heat change during experiment period

3 結(jié)論

(1)試驗期各處理條件下熱量交換主要集中在30 cm土層深度范圍內(nèi)，其中凍結(jié)期占熱量變化總量的54.57%～64.85%，融化期占熱量變化總量的61.24%～81.17%。隨著土壤覆蓋厚度的增加，表層30 cm土層內(nèi)熱量變化量占比逐漸降低、波動幅度逐漸減小。

(2)凍結(jié)期，隨著氣溫的降低，4種處理條件下土壤熱量傳遞的累計值均為負，整體呈現(xiàn)出熱量散失的趨勢；融化期，隨著氣溫的升高和輻射能力的增強，4種處理條件下土壤熱量傳遞的累計值均為正，整體呈現(xiàn)出熱量吸收的趨勢。

(3)覆蓋物對于土壤熱量雙向傳遞的阻礙作用基本相同，自然降雪覆蓋、5 cm秸稈覆蓋和10 cm秸稈覆蓋對于熱量傳遞的影響率分別為17%、8%和17%。各處理條件下土壤熱量無變化時間段均較長，分別為29.17%、39.41%、43.33%、50.88%。

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