付 強,李慶林，李天霄，侯仁杰

(東北農業(yè)大學 a.水利與土木工程學院；b.農業(yè)部水資源高效利用重點實驗室；c.黑龍江省寒區(qū)水資源與水利工程重點實驗室，哈爾濱 150030)

0 引 言

凍土通常是指溫度在0 ℃或0 ℃以下，含有冰晶體的各種巖石與土壤，按照土壤凍結狀態(tài)的保持時間，常被分為短時凍土、季節(jié)性凍土以及多年凍土3類。在我國，季節(jié)性凍土分布較廣，約占國土面積的54%[1]。黑龍江省屬于典型季節(jié)性凍土區(qū)，具有豐富的黑土資源，是我國重要的商品糧基地，也是保證我國糧食安全的“壓艙石”。由于受季節(jié)性凍融影響，東北區(qū)域也是澇漬災害的頻發(fā)區(qū)，由澇漬災害所引發(fā)的黑土流失、土壤板結、爛根腐根等問題已成為影響旱作生長的重要農業(yè)災害[2]。據相關報道，黑龍江省2013年因“春澇”所導致的受災面積達到了5.29×106hm2，大田播種整體推遲了7 d左右[3]?；诤谕临Y源過度開發(fā)、土壤有機質下降、土壤結構變差、受侵蝕影響導致的田間水土流失等現實問題[2]，2020年3月，農業(yè)農村部、財政部聯合印發(fā)《東北黑土地保護性耕作行動計劃(2020—2025年)》，2021年《中共中央、國務院關于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農業(yè)農村現代化的意見》中也提出“實施國家黑土地保護工程，推廣保護性耕作模式”的方針政策。

農田凍融土壤具有一定的復雜性，在凍融過程中常伴隨著水熱變換，能夠直接影響土壤的理化特性，還對農田水文以及農田土壤的生態(tài)環(huán)境效應產生多元影響[4]。因此，深入地研究農田土壤凍融過程對土壤理化性質的影響，明確農田凍融土壤水、熱、鹽耦合運移機制，了解農田凍融土壤環(huán)境演變機理，總結探求出適宜季節(jié)性凍土區(qū)的農田土壤生境健康調控方案，對保護黑土地，維護東北寒區(qū)農田土壤的可持續(xù)性具有重要實踐意義。

1 農田土壤凍融物理特性

農田土壤凍融過程引發(fā)的土壤物理性質變化主要受土壤水分相變的影響，具體表現為土壤團聚體、孔隙度、容重以及導水性在凍融前后產生的多元變化。

1.1 土壤團聚體

土壤團聚體是土壤的基本結構單元，在土壤膠結作用的影響下，能夠調節(jié)土壤中的水肥氣熱、維持土壤疏松活化層的穩(wěn)定、改變土壤酶的豐富度與活性，進而使土壤發(fā)揮出不同的功能[5]，其穩(wěn)定性對土壤可持續(xù)利用具有較大的影響[6]。在凍融作用影響下，土壤水分相變引發(fā)的冰體膨脹會使土壤中的大顆粒團聚體受到擠壓而破碎，導致土壤團聚體分布不均，這是降低土壤結構穩(wěn)定性的主因[7]。此外，土壤的質地、初始含水率、土壤緊實度、凍融循環(huán)溫度及次數等多方面因素共同決定了土壤團聚體的結構及穩(wěn)定性[8]。劉緒軍等[9]對表層土壤進行反復凍融，發(fā)現凍融作用不僅降低了表層土密度，而且也降低了土壤結構的穩(wěn)定性，增加了春季土壤的侵蝕風險。Froese J C等[10]發(fā)現當土壤下層存在凍層或滯水時，在凍結過程中土壤團聚體會更分散。王恩姮等[11]的研究表明，季節(jié)性凍融可加劇黑土風干工作區(qū)土壤團聚體的分散、降低水穩(wěn)性團聚體的破壞率?？梢?，凍融作用對于土壤團聚體的穩(wěn)定效果并不相同。

1.2 土壤孔隙度與土壤容重

土層中的水分受土壤凍融循環(huán)作用發(fā)生相變，液態(tài)水轉化成冰晶，體積膨脹產生推力使部分土壤顆粒破碎并促進土壤顆粒運動，而融化過程使土壤顆粒發(fā)生位置的遷移，增加了土壤顆粒隨液態(tài)水運移的能力，因此凍融過程改變了土壤的孔隙度與容重[12]。此外，凍融導致的土壤孔隙度與容重的變化會改變土壤的內黏聚力，從而增加了土體失穩(wěn)的風險，更易發(fā)生侵蝕[13]。土壤容重與土壤孔隙度受土壤的凍結次數、凍結溫度以及土壤的初始含水率等指標共同影響。例如，姚甜甜等[14]證實了高含水率下土壤凍融循環(huán)后，容重及孔隙度變化幅度更大，且凍結溫度越低，二者變化幅度也相應增加。肖俊波等[15]通過控制凍融循環(huán)次數與土壤的初始含水率兩個因素，發(fā)現控制含水率相同時，隨凍融循環(huán)次數的增多，土壤容重和孔隙度分別緩慢減小和增大，隨即變化幅度逐漸降低；當控制凍融循環(huán)次數相同時，高含水率的土壤容重變幅更大。

1.3 土壤導水特性

土壤的水力特性決定了土壤水分擴散規(guī)律，是土壤物理特性的重要評價體系，具體包含土壤飽和導水率、土壤非飽和導水率、土壤水分特征曲線、土壤水分擴散率等指標[16]。其中，土壤飽和導水率尤為重要，它是決定土壤水分入滲速率和土壤水分再分布的主要因素[17]，也是在研究土壤水分運動過程模擬中所不可忽略的指標[18]。在土壤凍融過程中，由于孔隙冰的阻隔作用，使土壤水分運動參數的變化更為復雜[19]。樊貴盛等[20]發(fā)現，當凍層溫度逐漸降低、凍層厚度增加時，土壤中形成的冰晶體與低溫會改變水分的黏滯性，導致土壤導水率大幅減小。Watanabe K[21]通過試驗觀察到，在溫度下降過程中，凍土的水力傳導率下降速度較為緩慢。趙春雷等[22]研究發(fā)現，凍融循環(huán)對飽和導水率影響顯著，尤其是0～10 cm土層飽和導水率下降最為明顯。

2 農田凍融土壤水、熱、鹽耦合運移機制

2.1 凍融土壤與外環(huán)境的能量交換及溫度響應

地表能量的收支平衡和結構在一定程度上決定了土體內部的溫度狀態(tài)，是土壤水、熱、鹽協同運移的核心驅動力[23]。土體內部與外環(huán)境的能量平衡可以表述為各種能量分量的代數和，其表達式為

EN=ER+EH+EL+EG+EP

(1)

式中:EN為凈能量平衡；ER為凈輻射通量；EH為感熱通量；EL為相變潛熱通量；EG為地表以下熱通量;EP為降水帶來的熱通量。

土壤能量變化主要取決于大氣環(huán)境的變化[24]，且淺層土壤的熱量傳遞與各氣象因子關系密切，凍土與大氣間的熱量存在相互交換的過程，在這一過程內涉及到土壤熱導率、土壤溫度變化梯度、潛熱、地表溫度等多個指標的相互作用[25]。在季節(jié)性凍土區(qū)，冬季隨著降雪量的增加，積雪與作物殘茬相結合在土壤表面形成了新的覆蓋層，改變了土層對外界能量的吸收和散失量，使土表的能量遷移過程發(fā)生改變[26]。土壤與外界環(huán)境的能量交換過程及控制因素見圖1。

圖1 基于季節(jié)性凍融條件下的土壤水熱運移

此外，由于外環(huán)境的不同，廣大學者在對能量交換與平衡的研究中，分別考慮了積雪內部能量的遷移與平衡以及土層能量的遷移與平衡兩個過程[27]。Sverdrup U H[28]首次將能量遷移理論應用于雪層研究中，并探討了湍流熱在大氣與雪層中的遷移情況。Sokratov S A等[29]利用試驗的手段模擬還原了不同溫度梯度下雪中熱、質運移過程，發(fā)現了水氣輸送與相變對雪層熱量遷移的作用效果。Smith M W等[30]利用土壤熱特性參數模擬出不同土層間的能量變化。

2.2 土壤水分狀況及融雪水入滲

積雪對于干旱及半干旱地區(qū)是重要的水資源，能夠有效補充土壤水分[31]。然而，凍融土壤水分運動因熱量的遷移以及相關的水分相變而變得復雜[32]，它受熱量和質量流的相變耦合以及其他條件共同影響[33]。目前研究集中于融雪水的入滲過程[34]以及優(yōu)先流的影響[35]。在較早時期，大部分學者以其他溶質代替水作為滲透劑對凍結和未凍結土壤之間的水力傳導度、滲透性和滲透率進行測定[36]。然而，這些研究忽略了土壤水與其他溶質之間的黏滯性以及表面張力的差異。隨著土壤水分入滲研究的進一步發(fā)展，很多學者假定出一個理想邊界條件，將土壤的水分運動的相關指標代入模型進行求解，并對土壤水分的動態(tài)變化過程進行了模擬。Tarnawski V R等[37]基于Campbell模型提出了基于土壤粒徑分布和孔隙度的凍土導水率計算模型。關志成[38]對Sacramento模型、新安江模型、水箱模型等模型進行了改進，較好的模擬了長時間序列的春季融化期融雪徑流的情況。

同時，也有學者圍繞凍土的滲透能力影響因素展開探討。Zuzel J F等[39]認為土壤的入滲特性與土壤類型有關，并得出凍結過程不會改變不同耕作措施下土壤的入滲特性。He H等[40]通過研究發(fā)現，0～10 cm 間凍土的孔隙率與0～30 cm的土壤初始含水率對春季土壤融雪水入滲具有重要影響。Demand D等[41]認為大孔隙率與凍深是影響凍土滲透的重要因素。

2.3 凍融土壤鹽分協同運移過程

土壤的凍融過程影響著土體內部水分的遷移轉化，當溫度低于0 ℃時，地表形成凍結鋒面，并且在勢能差的驅動作用下，土壤中液態(tài)水攜帶鹽離子向凍結鋒面附近遷移[42]。土體中可交換狀態(tài)的氮、磷等主要無機元素也極易隨著土壤液態(tài)水的遷移在土壤中發(fā)生運移。Shanley J B等[43]發(fā)現當土壤水達到飽和狀態(tài)后，土壤中的孔隙將被固態(tài)冰所填充，在融化期易形成壤中流，增加了礦物質元素流失的潛在風險。

為了掌握土壤中的水、熱、鹽的動態(tài)變化過程，Harlen R L[44]在忽略凍結土壤中冰與水之間的相互作用的基礎上，率先建立了水熱耦合模型，其求解過程為

(2)

(3)

式中：D(θl)為土壤水擴散系數，m2·s-1；K(θ)為土壤水導水系數，m·s-1；ρB為冰密度，kg·m-3；ρl為水密度，kg·m-3；θl為體積含水率，%；θB為體積含冰率，%；CS為土壤體積熱容量，J·(m3·℃)-1；λ為土壤導熱系數，W·(m3·℃)-1；Lf為相變潛熱，J·kg-1；T為溫度，℃；t為時間，s。

在Harlen R L所建立的水熱耦合模型的基礎上，黃興法等[45]對上述模型進行改進，并利用試驗數據實現了土壤水、熱、鹽分運移過程的初步模擬。李瑞平等[46]運用改進的SHAW模型模擬了凍融期重度鹽漬化土壤累積蒸發(fā)量與土壤鹽分的變化，探明了不同鹽漬程度土壤水分運移以及鹽分變化的規(guī)律。Hou R等[47-48]通過多種試驗方法，闡明了寒區(qū)土壤水、熱、鹽遷移、擴散及相互機制。Wang X等[49]利用HYDRUS模型模擬了土壤水、熱、鹽的運移過程，為土壤水鹽管理和灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供了科學依據。

3 農田凍融土壤環(huán)境演變機理

在季節(jié)性凍土區(qū)，外界環(huán)境變化所引起的土壤凍融交替現象不僅能改變土壤的水文循環(huán)過程，也能影響土壤微生物和酶的數量與活性，催生土壤發(fā)生一定的化學變化，是寒區(qū)農田土壤碳、氮、磷等營養(yǎng)元素轉化的重要驅動力[50]，通過查閱相關文獻，繪制出農田土壤凍融過程生態(tài)環(huán)境效應及其伴生過程見圖2。

圖2 農田土壤凍融過程生態(tài)環(huán)境效應及其伴生過程

3.1 土壤氮素礦化

此外，凍融循環(huán)通過影響土壤結構，能夠改變氮素的附著能力，使部分氮素隨水分遷移，引發(fā)氮素淋溶過程[56]。Fu Q等[57]的研究表明，凍融循環(huán)促進了氮素淋溶過程，加劇了氮素淋溶流失現象，并隨著凍融循環(huán)過程的發(fā)生，淋溶損失累積量呈現先增大后減少并趨于穩(wěn)定的趨勢。封保根等[58]研究發(fā)現，凍融循環(huán)通過改變土壤理化性質增加了氮素的淋失量；從氮循環(huán)對溫室氣體的貢獻來看， N2O在溫室氣體中占比明顯，而農田生態(tài)系統的N2O排放量較高，施肥土壤約為未施肥土壤的2.7倍[59]。Chen Z等[60]綜合考慮凍融作用下N2O排放的影響因素，借助結構方程模型總結分析出作物非生長季N2O氣體排放規(guī)律及與其他指標的響應關系，證實了春季融化期N2O排放對全年的氮素平衡具有較強的貢獻。

3.2 土壤碳素循環(huán)

作為最大的碳庫，土壤對陸地上的碳循環(huán)起著重要的作用[61]。在凍融作用影響下，土體顆粒裂解，增進了土壤可溶性有機碳與土壤微生物的接觸，促進了土壤有機質的礦化和分解[62]。王嬌月等[63]選取多年凍土區(qū)的泥炭土，研究了凍融作用對土壤碳素礦化的影響，發(fā)現凍融循環(huán)顯著降低了各層土壤的礦化程度，對深層土壤礦化抑制作用明顯，顯著增加了土壤可溶性有機碳含量和CH4的排放量。劉淑霞等[64]以田間監(jiān)測與室內模擬相結合的方法，發(fā)現隨凍結溫度及凍融頻次的增加，土壤可溶性有機碳能夠穩(wěn)固上升。

事實上，土壤碳素循環(huán)過程也與土壤酶和微生物的活性密切相關，凍融循環(huán)過程導致的溫度變化能夠使部分土壤酶的活性發(fā)生變化，同時改變土壤微生物的代謝情況，進而影響土壤中微生物量碳氮的含量[65]。Ivarson K C等[66]通過研究表明，當土壤溫度降低至-14 ℃時，能夠激發(fā)一些水解酶的活性，促進低分子量有機質類型土壤的進一步分解礦化。李娜等[67]通過凍融模擬試驗發(fā)現，凍融作用導致的溫度變化從一定程度上抑制土壤微生物呼吸以及酶的分解作用，影響了土壤中有機碳的積累。Scheu S等[68]認為表層土壤有機碳成分越高，微生物可利用的底物則越多，相對深層土壤更易釋放CO2氣體。同時，在凍融條件下，表層土壤的甲烷氧化菌仍能發(fā)揮一定作用，實現對CH4氣體的吸收[69]。

3.3 土壤磷素轉化

土壤磷素是一種重要的營養(yǎng)素，能夠影響作物早期的抗逆性和提高農產品的品質，在植物的生長代謝過程中不可缺少[70-71]。研究發(fā)現，溫度對土壤磷素的遷移轉化影響顯著，在較高溫度下隨著土壤微生物活性的增加，溶解態(tài)有機磷也會有所增長[72]。而在凍融作用影響下，能夠促進中等活性有效磷素逐步向中等穩(wěn)定性有效磷素轉化[73]，另外能夠促進磷素的釋放，使土壤微生物的呼吸作用增強[74]。Freppaz M等[75]通過凍融模擬試驗對比了不同類型土壤在多次凍融循環(huán)后土壤磷素的變化，發(fā)現凍融循環(huán)能夠使土壤總溶解磷的含量增加。錢多等[76]通過室內凍融模擬試驗得到了凍結作用減弱了土壤對磷的吸附能力。也有學者討論了磷在自然界中由植物體向土壤中的轉移效果。Fitzhugh等[77]通過實驗方法計算出在凍融循環(huán)影響下，天然林木向土壤中轉移流失的磷可達15～32 mol·(hm2·a)-1。

3.4 土壤微生物響應

在土壤凍融過程中，由凍融循環(huán)所引起的水分、溫度、通氣性及營養(yǎng)物質的變化，改變著土壤微生物量與微生物活性[78-79]。土壤微生物的活性是土壤形成與發(fā)育、土壤碳氮元素礦化以及有機質分解的重要指示因子[80]。例如，Larsen K S等[81]的研究表明凍結作用能夠使土壤微生物活性降低，使土壤中C∶N比值改變，并呈現降低的趨勢。樸和春等[82]指出凍融作用增加了土壤中有機質的含量，促進了土壤微生物的脫氮化作用。劉正輝等[83]發(fā)現季節(jié)性凍融能夠改變土壤中氨氧化微生物的群落特征，進而影響土壤中的氮素循環(huán)過程。周曉慶[84]在研究中指出，自養(yǎng)硝化細菌受凍融影響較大，并且這種影響效果是不可逆的，經歷第二次冬季循環(huán)，細菌數量減幅較多，真菌群落則大幅增多，即多次凍融后微生物群落向以真菌群落為主的方向轉變。

4 基于農田土壤凍融過程的土壤改良實踐研究

生物炭(Biochar) 作為生物質高溫熱解產物，被作為土壤改良劑廣泛應用。它最早發(fā)現于亞馬遜流域，以森林大火或是火耕燃燒動物骨骼、糞便、植物廢棄物所形成的“黑土壤”的形式出現[85]。由于其取材廣泛，并且功能豐富，逐漸應用于土壤科學、農林科學以及環(huán)境科學的研究之中[86]。

4.1 生物炭對土壤物理特性調控機理

生物炭具有較大的孔隙度和比表面積，在施入土壤后，能夠形成“炭—土”復合體，對農田土壤的容重、孔隙度、熱特性參數以及持水能力均能產生一定的影響[87-88]。Zhao J K等[89]研究了生物炭施用對土壤熱特性參數的影響，發(fā)現隨著生物炭施用量的增加，土壤的導熱率和熱擴散率逐漸降低，比熱容逐漸增大。Hseu Z Y等[90]在人工模擬降雨的試驗條件下，發(fā)現生物炭能夠優(yōu)化土壤結構，減少35%～90%的土壤侵蝕量。Sun Z等[91]研究發(fā)現施用較少的生物炭，可改善土壤的結構組成。趙航[87]通過野外田間試驗，發(fā)現生物炭的施用顯著增加了土壤總孔隙度和直徑>0.25 mm的團聚體含量，減小了土壤中粉、黏粒部分的含量，顯著降低了土壤極微孔徑所占比例，進而提高了土壤的保水性。

4.2 生物炭對土壤水文循環(huán)的影響

農田土壤的水文循環(huán)涉及到土壤的蒸發(fā)與入滲過程。岑睿[92]的研究表明，生物炭對不易下滲的河套灌區(qū)典型土壤的入滲能力改善效果較為理想，能夠使地表土壤入滲速率增幅45.45%～56.82%，累積入滲量增幅37.6%～44.6%，并能更為持久地延緩土壤水分蒸發(fā)損失，延緩土壤含水率下降到田間持水量的時間。Wang T等[93]的研究結果證實了隨著生物炭粒徑和添加量的增加，對土壤蒸發(fā)的抑制作用增強，降低了土壤水分蒸發(fā)散失比率。李帥霖等[94]以黏粒占比較多的樓土為研究對象，證實了不同生物炭施加量對土壤濕潤鋒運移的影響，發(fā)現當生物炭施用量為1%～2%時，減緩了濕潤鋒運移的速度，而生物炭施用量達到4%時，能夠促進濕潤鋒向下運移。Fu Q等[95]探究了凍融期間生物炭對土壤導水效果的影響，證實了生物炭的施用能夠促進凍融前后的水分循環(huán)，提高作物在春季的抗旱能力。

4.3 生物炭對土壤環(huán)境的改良效果

農田土壤環(huán)境復雜多變，受不同的覆被條件影響，土壤的水分蒸發(fā)、熱量散失、養(yǎng)分協調以及鹽分供應均存在一定的差異[96]。生物炭作為一種土壤改良劑，在改善土壤結構、調節(jié)土壤pH值、維持土壤水分含量、減少土壤養(yǎng)分淋溶、提高作物脅迫能力等方面的優(yōu)勢已經得到了證實[97]。Gao Y等[98]在研究中發(fā)現，生物炭可以降低土壤的導熱系數，從而提高凍融土壤的保溫效果，使凍融期間土壤溫度增加1.8～5.7 ℃。Li Q等[99]在凍融前后分別向土壤中施加了生物炭，證實了生物炭的施用能夠在播種前為作物生長提供良好的積溫并有效改善土壤墑情，并在作物生育期能夠促進作物的生長。Hou R等[100]通過試驗研究發(fā)現,在凍融條件下，施加生物炭可以加速土壤氮素的礦化速率；采用秸稈與生物炭聯合調控的方法能夠提高農田土壤碳、氮含量，降低CH4和N2O的排放通量，減弱它們對土壤水、熱、碳和氮的響應[101]。Fu Q等[57]通過凍融模擬試驗得到生物炭的施用能夠提高凍融土壤無機氮的養(yǎng)分有效性的結論。

5 關鍵科學問題及未來發(fā)展趨勢

根據上文敘述總結，農田土壤凍融過程的水土環(huán)境效應理論與實踐研究理論體系見圖3。在季節(jié)性凍土區(qū)，凍融過程是影響土壤理化性質的主要驅動力，圍繞農田土壤凍融過程的土體團粒結構、土壤孔隙、土壤通氣性以及土壤水力特性的變化已開展了大量探討，并且發(fā)現在凍脹力的作用下會對土體產生結構性損傷。但大部分的研究仍停留在探求單一因素對土壤結構造成的影響效果上，由多因素協同造成的土體結構損傷的研究較為欠缺，并且控制單一因素的研究難以滿足現實中的復雜變化的環(huán)境條件。因此，應增強對影響凍融土壤結構穩(wěn)定性的主控因子的篩選，構建出寒區(qū)土壤理化特性變異過程的多因素耦合協同效應研究體系。

圖3 農田土壤凍融過程的水土環(huán)境效應理論與實踐研究理論體系

目前對農田土壤水、熱、鹽運移過程已開展大量研究，并且實現了對理想邊界條件下的土壤水、熱、鹽運移過程的數值模擬。然而，考慮到寒區(qū)特殊的邊界條件，有關春季融雪水入滲過程以及融雪水入滲引發(fā)的土壤鹽分運動的討論仍不夠深入?？紤]到自然環(huán)境的復雜性，凍融模擬試驗中所得到的融雪水遷移轉化以及溶質運移結果在自然環(huán)境中還存在偏差，今后研究仍應以田間試驗為主，并從物理成因和機制的角度探索不同因素間的內在聯系，以增強成果的實用價值。

凍融作用對農田土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分元素遷移轉化的研究大多停留在分析比較凍融前后各元素無機鹽離子含量的數值變化上，對于相關機理的探討也以推測為主，未能對某一元素進行精準定量地討論分析，對主要參與反應的土壤酶以及土壤微生物的種類及其作用機制尚不明確。今后應引入更多的技術手段用于分析受凍融作用影響下的土壤養(yǎng)分遷移轉化過程，明確影響土壤養(yǎng)分循環(huán)過程的主要影響因子，通過對影響因子的控制從而使可被作物直接利用的養(yǎng)分長久地貯存在土壤中。

隨著黑土保護戰(zhàn)略的提出，利用外源生物質材料對季節(jié)性凍土區(qū)農田土壤進行綜合調控也已成為新的研究熱點。雖然很多學者利用生物炭在非凍結區(qū)域實現了土壤結構及土壤環(huán)境的優(yōu)化改良，但考慮到季節(jié)性凍土區(qū)糧食生產的戰(zhàn)略地位，如何利用休耕期有針對性地對土壤的理化特性進行優(yōu)化，對土壤有機質及其他養(yǎng)分元素進行合理補充，減少水土侵蝕現象的發(fā)生，有針對性地制定出土壤優(yōu)化改良技術手冊，將成為下一步研究的重點。