付 強，蔣睿奇

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

深化研究凍融期土壤入滲特性及其影響因素對于土壤養(yǎng)分管理及侵蝕控制具有重要意義。近年來，隨著低溫控制技術及野外實驗技術的成熟與發(fā)展，凍融條件下土壤入滲特性、凍融期不同邊界條件下土壤水熱耦合運動規(guī)律及數(shù)值模型等相關研究得到了廣泛關注。本文將從土壤自身性質(zhì)和土壤系統(tǒng)邊界條件變化兩個角度對凍融土壤入滲特性及其影響因素方面的研究成果進行匯總和分析，以期為綜合提高寒旱區(qū)水土資源利用效率及春季保墑抗旱提供理論及實踐指導。

1 凍融土壤水分入滲機理

季節(jié)性凍融土壤與非凍土入滲機理上的關鍵區(qū)別在于其水分運動介質(zhì)的組成，凍融土壤中冰水共同體的存在決定了其水分入滲的動態(tài)變化機制。冰對凍融土壤水分入滲通道的影響如圖1所示，當土壤發(fā)生凍結(jié)時，水分受溫度作用發(fā)生固化，冰晶可以起到膠結(jié)作用將原本分離的顆粒團聚在一起，堵塞土壤孔隙，阻礙水分入滲；溫度升高引起土壤冰融化時，入滲水流通道仍保持土壤水分膨脹為冰時的狀態(tài)，過水面積較大，入滲能力增強。

達西定律中描述土壤入滲能力與土壤水分狀態(tài)間的關系為：

(1)

圖1 冰對土壤水分入滲的影響

q凍

(2)

帶入達西公式：

(3)

在此基礎上，鄭秀清[1]通過凍土與非凍土間土壤水勢、濕潤鋒等因素的定量關系推導得出：未凍土的平均水勢梯度絕對值小于凍結(jié)土壤，即：

(4)

(5)

式中：Ks為土壤飽和含水率，cm/d；θ為土壤液態(tài)含水率，cm3/cm3；θr為土壤殘余含水率，cm3/cm3；θs為土壤飽和含水率，cm3/cm3；m為反映土壤水分特征曲線形狀的參數(shù)。在土壤性質(zhì)、環(huán)境溫度等其他影響因素一致的情況下，土壤導水率僅與液態(tài)含水率相關。綜上，在溫度作用下土壤冰的形成是引起凍結(jié)土壤導水率降低和入滲能力減弱的根本原因。

2 土壤自身性質(zhì)對凍融土壤入滲特性的影響

土壤是由固體、液體和氣體組成的復雜多相分散體系，與周圍環(huán)境間存在持續(xù)的能量交換與轉(zhuǎn)化[3]。由氣候及環(huán)境條件變化所引起的凍融作用會導致土壤發(fā)生一系列物理、化學和生物變化。隨著土壤溫度的變化，土壤水分會在液態(tài)與固態(tài)間轉(zhuǎn)化，凍融土壤內(nèi)部水分相變及其伴生現(xiàn)象必然引起土壤理化性質(zhì)的改變，如土壤物理力學性能的變化[4]、土壤微生物活動[5]、土壤有機質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化等[6]，上述過程又會導致土壤結(jié)構和團聚體穩(wěn)定性的變化，影響土壤水分入滲能力。這一系列動態(tài)過程及土壤入滲能力主要受土壤含水率[7]、容重和孔隙率[8]、質(zhì)地[9]等因素影響。

2.1 含水率對凍融土壤入滲的影響

土壤含水率特別是初始含水率是影響土壤水分入滲及產(chǎn)流過程，改變土壤入滲速率的重要因素[10]。土壤初始含水率與平均入滲率呈負相關關系，且影響入滲時濕潤鋒的運移狀態(tài)[11]。由于土壤顆粒大小和數(shù)量分布的不均勻性，土壤初始含水率對不同質(zhì)地土壤的入滲能力的改變程度也不同。季節(jié)性凍融中存在的土壤水分相態(tài)變化現(xiàn)象，使凍融土壤水分入滲問題更具復雜性。土壤在環(huán)境溫度作用下發(fā)生季節(jié)性凍融時，土壤中的水分以液態(tài)和固態(tài)同時存在于土壤孔隙中，作為水分入滲通道，土壤孔隙的狀態(tài)受到土壤內(nèi)部含冰量的直接影響。

鄭秀清等[12]較早開展了凍土入滲特性方面的研究，通過大量田間單點入滲試驗，發(fā)現(xiàn)了含水率升高引起的土壤導水率降低是凍土入滲能力減弱的直接原因，驗證了季節(jié)性凍融期土壤含水率對凍融土壤入滲特性的顯著影響，具體表現(xiàn)為土壤入滲能力隨土壤含水率的升高而減小，累計入滲量隨土壤含水率的變化符合冪函數(shù)規(guī)律。在土壤水受凍結(jié)作用，體積膨脹形成冰的過程中，水分受水勢梯度影響向凍結(jié)鋒面運動并形成冰晶透鏡體，導致土壤入滲能力呈指數(shù)規(guī)律衰減，而在融化時，土壤孔隙中的冰變?yōu)樗?，大孔隙未能及時恢復成凍結(jié)前的細小孔隙，使土壤入滲能力重新增強。另外，凍結(jié)期土壤含水率的不同也將導致凍結(jié)深度和凍結(jié)層數(shù)的差異，對入滲能力產(chǎn)生不同程度影響[13]。在土壤進入凍結(jié)期前較低的初始含水率可以導致凍融期活躍的水分運動和強入滲能力，因為土壤含水率大小決定土壤水勢狀態(tài)，在凍融循環(huán)條件下，土壤入滲速率隨土壤水勢的升高，呈上升趨勢[14]。初始含水率對入滲能力的影響隨入滲過程的深入逐漸減弱至可以忽視，土壤累計入滲量與初始含水率總體上呈負相關關系[15]。

2.2 土壤容重及孔隙率對凍融土壤入滲的影響

容重是重要的土壤基本物理性質(zhì)，與土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力密切相關[16]。土壤容重本質(zhì)上通過改變大孔隙與傳導孔隙來影響水分在土體內(nèi)部的流動過程，土壤容重的增加破壞了土壤團聚結(jié)構、改變了土壤中大孔隙的數(shù)量和尺寸、使土壤更加密實，水分滲透性能減弱[17]。土壤容重越大，對土壤水的減滲作用越明顯，表征土壤入滲能力的穩(wěn)定入滲率和累積入滲量越小[18]。

總體上，土壤容重的變化對季節(jié)性凍融土壤入滲能力的影響與非凍土類似，土壤容重的減小會增加土壤的過水斷面面積，導致入滲能力的增強。但凍融循環(huán)對土壤容重和孔隙的大小及分布存在相當顯著的影響，其實質(zhì)是土壤內(nèi)部水分體積在溫度作用下發(fā)生變化。一般情況下，土壤容重隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈減小趨勢，孔隙率則與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關，且變化幅度逐漸減小，最后達到基本穩(wěn)定[19]。在相近的凍融溫差下，土壤含水率越高，凍融過程中水分相態(tài)變化越劇烈、容重及孔隙度的變化幅度越大[20]。凍融作用對不同容重土壤的影響存在差異，在使容重較小的土壤變得緊密的同時也可以讓大容重土壤變得疏松[21]。土壤中的縫隙、植物的根莖和動物巢穴等大孔隙為入滲作用提供了有效通道，導致了土壤水入滲后的特殊分布。在凍結(jié)過程中，大孔隙的存在會阻礙凍層的形成，阻礙效果受大孔隙的數(shù)量及尺寸影響，而在融化期，水流通過凍層中的大孔隙進入到下層未凍土[22]。

2.3 土壤有機質(zhì)含量對凍融土壤入滲的影響

作為土壤有機質(zhì)的主體，土壤腐殖質(zhì)性質(zhì)較穩(wěn)定，不易受到微生物分解，是一種高度氧化的復雜有機物質(zhì)，其組成與結(jié)構變化顯著影響土壤性質(zhì)和養(yǎng)分的運移[23]。土壤有機質(zhì)中的多糖是一種重要的有機膠結(jié)物質(zhì)，對土壤微團聚體的形成和維持土粒結(jié)構穩(wěn)定性具有重要作用[24]。多糖與腐殖質(zhì)的存在明顯增加了土壤的黏結(jié)能力、促進了團粒結(jié)構的形成。土壤團聚體的大小和數(shù)量，決定了土壤孔隙的狀況，優(yōu)良的孔隙度和大孔隙的存在對于土壤入滲過程存在促進作用。土壤有機質(zhì)具有較高的保水性，有利于水穩(wěn)性團聚體的形成。穩(wěn)定的團聚體結(jié)構使土壤顆粒保持松軟狀態(tài)而不再結(jié)成硬塊，優(yōu)化了土壤結(jié)構，進而提升土壤入滲能力。另外，由于腐殖質(zhì)表面積大、疏松多孔且?guī)в袠O性親水基團，導致有機質(zhì)的吸水能力明顯高于土壤中的其他物質(zhì)。隨著水流的下滲，有機質(zhì)含量的升高會引起土壤孔隙穩(wěn)定性的增強，導致更大的實際過水面積和入滲能力。入滲開始前，土壤初始含水率接近的情況下，土壤水的基質(zhì)吸力和水勢梯度與有機質(zhì)含量正相關，同時土壤有機質(zhì)的疏松多孔性能，也可直接改善土壤的入滲能力。較高的有機質(zhì)含量會引起腐殖質(zhì)膠結(jié)能力的升高，催化土壤團粒結(jié)構的產(chǎn)生，團粒結(jié)構數(shù)量的增加提高了其在水中的穩(wěn)定性。另外，有機質(zhì)含量的升高會改善孔隙條件，提高土壤的通氣透水性，對于有機質(zhì)含量不足的土壤，其結(jié)構性和穩(wěn)定性弱，團粒結(jié)構在水中易分散，進而減小土壤孔隙、堵塞水流入滲，減弱土壤入滲能力[25]。

在土壤有機質(zhì)影響土壤水分入滲的同時，凍融循環(huán)作用對土壤有機質(zhì)同樣存在著復雜且深刻的影響。張海歐等[26]研究發(fā)現(xiàn)，將凍融循環(huán)周期設置為48 h時，有機質(zhì)的含量會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，與凍融前相比，有機質(zhì)含量有所增加。另外，凍融循環(huán)的發(fā)生頻率及持續(xù)時間對土壤微生物存在著破壞及選擇作用，影響凍融期土壤有機質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化[27]。凍融作用對土壤有機碳和動植物殘留物礦化分解過程具有加速作用，分異土壤有機碳的固定與活化，促進其運移。土壤團聚體中不同形態(tài)的有機碳在凍融作用下會不同程度的暴露出來并進行重新分配，造成凍融初期土壤活性有機碳含量的增加[28]。凍融過程中伴隨土壤水分的運動與聚集，土壤有機碳溶于水后在土壤內(nèi)部發(fā)生運移及再分配。土壤有機質(zhì)對凍融土壤入滲能力的影響表現(xiàn)為：有機質(zhì)含量越大的土壤，土壤入滲能力越強，且有機質(zhì)含量會在凍融期動態(tài)變化，經(jīng)歷季節(jié)性凍融作用后，土壤有機質(zhì)含量會增加。

3 不同邊界條件對凍融土壤入滲的影響

土壤系統(tǒng)內(nèi)部的水分運動與土壤系統(tǒng)的邊界條件密切相關，上下邊界的水熱狀況直接影響土壤入滲能力。我國華北及西北季節(jié)性凍土區(qū)大面積種植冬小麥等作物，通常采用地膜或作物秸稈覆蓋措施人工調(diào)控土壤與作物間水分條件，長歷時的穩(wěn)定積雪覆蓋則廣泛存在于我國東北高寒地區(qū)[29]。研究不同邊界條件下凍融土壤入滲特性對于農(nóng)田儲水保墑具有實際意義。

3.1 地膜、秸稈覆蓋對凍融土壤入滲的影響

在凍融期的不同階段覆膜對土壤入滲特性的影響存在差異，凍結(jié)前期與中期，覆膜地的累計入滲量高于裸地，穩(wěn)定入滲率則低于裸地，而在凍結(jié)末期和融化期則表現(xiàn)出相反規(guī)律[30]。

秸稈作為冬季農(nóng)田覆蓋的一種，具有成本低，環(huán)保等優(yōu)點，陳軍鋒等[31]通過田間對比試驗，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋可以明顯推遲土壤凍結(jié)時間，減小凍結(jié)深度。秸稈減弱了土壤與大氣間的熱交換，隨著凍結(jié)期土壤凍層的形成與發(fā)展土壤入滲能力逐漸減弱，融化期由于秸稈覆蓋的存在減弱了土壤對太陽輻射的吸收，導致土壤溫度回升緩慢，入滲能力增速較小。

秸稈與地膜在凍結(jié)前期都具有良好的減緩土壤水凍結(jié)的作用，使土壤保持相對較高的入滲量及穩(wěn)滲率[32]。但秸稈覆蓋的效果受秸稈覆蓋厚度、形式等因素影響明顯[33]，不同材料覆蓋對入滲能力影響的定量研究有待進一步開展。

3.2 積雪覆蓋對凍融土壤入滲的影響

穩(wěn)定積雪層的存在對凍結(jié)期土壤產(chǎn)生了良好的緩沖、絕熱和保墑作用，積雪密度是影響其覆蓋效果的最關鍵因素，而隨著融化期溫度的升高，融雪水又會直接補給土壤水分[34]。凍土中的融雪水入滲作為一種多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，除與地形地貌相關外，主要受到土壤水熱特性、土壤性質(zhì)、融雪水釋放速率和雪水當量的影響[35]。大量野外及室內(nèi)試驗表明，融雪過程中的入滲量與積雪水當量直接相關，而與融化期土壤凍結(jié)水含量成反比[36]，雪水當量通?？捎稍囼灉y量或遙感估算方法得到。融雪水入滲是寒區(qū)重要的水文過程，融雪水在積雪層、土壤凍結(jié)層和融化層，以及不同的融化時期呈現(xiàn)不同的入滲特征[37]，且入滲能力在融化初期的反復凍融過程中，表現(xiàn)不同。當雪層中的融雪水積累超過積雪的最大持水能力時，融雪水開始向表層土壤入滲，此時土壤往往處于晝?nèi)谝箖鰻顟B(tài)，表層反復形成的土壤冰會減弱入滲能力，部分融雪水會聚集于冰層之上，伴隨溫度繼續(xù)升高，融雪水受重力作用垂直向下運動，累計入滲量和入滲速率開始增大[38]。積雪融化后期，積雪覆蓋作用減弱，強蒸發(fā)作用帶走了大部分表層融雪水，土壤入滲能力逐步達到甚至超過凍結(jié)之前。

3.3 地下水埋深對凍融土壤入滲的影響

地下水的存在明顯改變了土壤系統(tǒng)的下邊界條件，尤其在地下水埋深較淺地區(qū)，土壤水與地下水間的轉(zhuǎn)化與聯(lián)系十分密切。地下水與地表水間的交互作用受到季節(jié)性凍土入滲性能變化的影響，在春季解凍期，下層土壤仍保持凍結(jié)，阻擋水分下滲。土壤融化后會增加孔隙尺寸，形成大孔隙，通過大孔隙的土壤優(yōu)勢有助于地表水快速入滲補給地下水，提高了土壤的入滲能力[39]。當土壤發(fā)生季節(jié)性凍融時，土壤凍結(jié)引起地下水位向上補給土壤水，導致地下水位下降；土壤融化后土壤水分入滲作用又會抬高地下水位[40]。樊貴盛等研究發(fā)現(xiàn)，對于地下水埋深在2 m以內(nèi)的土壤，其入滲特性受地下水埋深影響較為明顯，地下水埋深主要通過改變土壤含水量來影響凍融土壤水分入滲。伴隨水分在凍融土壤中的運動，當?shù)叵滤裆顪p小，土壤含水率上升，凍結(jié)引起的土壤水分固化影響了入滲水流的過水通道，減弱了土壤對水分的傳導作用，引起了入滲能力的降低，相變水量越少入滲力越強[41]。

4 結(jié)語與展望

4.1 結(jié) 語

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在凍融期多種影響因素共同作用下，凍土入滲性能的降低會導致融化期融雪水和降雨入滲量的減小，多余的水分往往會形成地表徑流導致土壤侵蝕。季節(jié)性凍土水分入滲能力的變化影響春季農(nóng)田水肥的再分配以及凍層下土壤微生物的活動。了解凍融土壤中的水分入滲在時空上的差異變化，根據(jù)入滲規(guī)律區(qū)別調(diào)控不同區(qū)域、不同種類土壤的水分狀態(tài)對預防土壤侵蝕和管理土壤水肥具有重要意義。

雖然關于土壤自身性質(zhì)對水分入滲的影響已有較多成果，但大多在生育期針對非凍土展開，且主要運用試驗區(qū)多點多層密集取樣的研究方法，此類方法雖然可以定性解釋土壤性質(zhì)與入滲能力間的關系，但由于土壤性質(zhì)存在較大的時空變異性、入滲性能影響因素較多和研究條件易受氣候因素干擾等原因，定量研究土壤水分入滲問題仍存在較多挑戰(zhàn)。隨著低溫試驗技術與材料科學的成熟與發(fā)展，采用人工方法配制典型土樣后在室內(nèi)進行低溫模擬試驗將逐漸成為研究的熱點，此類方法可以精確控制單一變量，有效排除其他因素對土壤入滲試驗結(jié)果的影響，降低了試驗隨機誤差。

現(xiàn)有入滲模型大多為生育期土壤水分入滲服務，但凍融土壤中通常同時存在液態(tài)水與固態(tài)冰，利用生育期土壤水分入滲、產(chǎn)流模型來模擬凍融土壤水分入滲過程存在先天不足。從理論上完善凍融土壤水分入滲機理，精確控制影響因素以定量分析其對入滲過程的影響，探索各種因素對凍融土壤入滲影響的普遍規(guī)律，綜合考慮凍融土壤導水率與土壤含冰量及溫度之間的定量關系是建立凍融土壤入滲模型的基礎及關鍵問題?；A性、長期性的凍融土壤入滲實驗研究仍然比較薄弱，原位土壤入滲數(shù)據(jù)積累不足是制約當前研究發(fā)展的重要因素。

4.2 展 望

隨著試驗儀器設備制造水平和數(shù)據(jù)分析技術的深入發(fā)展，能夠直接測量凍融期土壤含冰量和總含水率的新技術、新材料在凍融土壤入滲特性研究方面將得到更廣泛的應用。土壤水動力學、氣象學、農(nóng)業(yè)生態(tài)學等學科的交叉與進一步發(fā)展，將會促進多學科、多領域的綜合研究，對凍融土壤水分入滲的深入研究也提出了更高的要求。鹽堿土中的微咸水入滲與積雪覆蓋、作物秸稈覆蓋、生物炭覆蓋等不同邊界條件下非均質(zhì)剖面的入滲正在逐漸成為研究重點。以雨水或融雪水、地表水、土壤水、作物水的轉(zhuǎn)化過程為基礎的土壤水分入滲動態(tài)模擬模型以及能夠全方位體現(xiàn)凍融土壤水熱耦合運動時空變異特性和入滲特性的模型將得到廣泛關注。建立基于特定土壤質(zhì)地、種類的凍土滲透性能評價指標體系，探究根據(jù)生產(chǎn)實際需要合理控制土壤滲透性能的方法，也將是后續(xù)研究的熱點。以凍融期土壤水熱運動相關研究為重心的作物產(chǎn)前及產(chǎn)后節(jié)水將會成為農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)水的重要支撐環(huán)節(jié)。