基于多源數據的凍結期土壤入滲特性研究

0凍結土壤入滲特性討論土壤凍結是一個非常復雜的過程，隨著物理、化學和力學的現象，以及它們帶來的水分和熱量的傳輸。在土壤水分凍結過程中,土壤水分不僅是以液態水的形態存在,而是以液態和固態2種狀態存在于土壤孔隙之中,因此,凍結土壤中的水分有凍結水和非凍結水2部分組成。土壤水凍結過程中由于氣溫的往復變化,其土壤中的液態水和固態水將出現相互轉化,并隨著氣溫總趨勢的降低,土壤中的液態水比例逐漸降低。國內外眾多學者圍繞凍融土壤凍結和水熱遷移等進行了大量的相關研究,取得了許多重要的成果。樊貴盛等對大田原生鹽堿荒地入滲特性進行了試驗研究;潘云等對土壤容重對非鹽堿土壤水分入滲的影響進行了研究;郭占容等對凍結期和凍融期土壤水分運移特征進行了研究,分析了凍結期和凍融期土壤水勢分布和土壤含水量變化規律及其與潛水的轉化關系;王雪等對改善原生鹽堿荒地入滲能力進行了室內試驗研究。由于土壤凍結過程中水分運動受溫度、土壤初始含水率、作物、地表覆蓋和土壤結構等多種因素的影響,過程異常復雜;其中地表覆蓋物在凍結期可改變土壤的自然凍融過程及水分動態變化,對入滲規律影響顯著。到目前為止,尚無對不同地表覆蓋條件下凍結土壤入滲規律的研究,特別是針對北方寒區、旱區和鹽漬化地區的河套灌區冬小麥大田凍結期地膜覆蓋和秸稈覆蓋條件下土壤的入滲特性尚無研究成果。因此,本文在前人研究的基礎上,以實測田間入滲試驗數據為基礎,研究凍結期地膜覆蓋和秸稈覆蓋對土壤入滲特性的影響以及凍結土壤入滲規律。內蒙古河套灌區是典型的季節性凍土區,土壤凍結期時間長。由于春季黃河來水量小,且受灌區氣候和凍融條件的制約,春灌困難。冬小麥秋灌和其他作物秋季儲水灌溉(簡稱秋澆)是該地區多年農業生產實踐中形成的一種儲水與維持鹽分平衡的灌溉方式。不同的秋灌時間和水量與凍結期土壤的入滲特性密切相關,進而影響整個凍結期土壤的水熱運移。因此進行凍結期的土壤水分入滲規律研究對合理制定河套灌區冬小麥和其他作物秋季儲水灌溉制度具有重要意義。1材料和方法1.1試驗區土壤凍結特點田間試驗于2012年9-12月在內蒙古自治區巴彥淖爾市農牧業科學研究院園子渠試驗站進行,該試驗區位于內蒙古河套灌區中部的巴彥淖爾市杭錦后旗陜壩鎮春光二隊。試驗區的氣候、土壤和水鹽等狀況在河套灌區均具有較好的代表性。試驗區屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候,冬季漫長而寒冷,夏季短促而炎熱,降水量稀少,蒸發強烈。年平均降水量135.9mm,且年內分配不均勻,主要集中在7-9月份,占全年降水量的70%;年平均蒸發量1984.3mm;年平均日照時數3181h;年平均氣溫7.5℃,9-11月平均氣溫7.4℃,歷年12-2月平均氣溫-8.4℃;無霜期126d;土壤凍結始于每年的11月上旬,5月上旬凍層全部消融,最大凍土層厚度1.2m。試驗區屬黃河河套湖相沉積區,土壤為灌淤土。試驗區1m深土壤類型均分為2層,上層0~40cm為粉壤土,土壤容重1.42g/cm3,田間持水率37.50%;下層>40~100cm為粉土,土壤容重1.40g/cm3,田間持水率38.75%。冬小麥播種時測定試驗區土壤的全鹽質量分數0.3265g/kg,為輕度含鹽土壤;9-12月地下水埋深為1.5m左右。1.2土壤水分入滲試驗試驗在冬小麥試驗田中進行,冬小麥品種為寧冬11號。設無覆蓋、秸稈覆蓋和地膜覆蓋3個處理,每個處理設3個測試點,將雙套環入滲儀分別置于各測試點進行入滲試驗。以無覆蓋處理的凍層厚度為例劃分各凍結期,土壤無凍層時即為未凍結期(9月5日~10月23日),土壤凍層厚度在0~30cm時為凍結初期(10月24日~11月28日),土壤凍層厚度在30~60cm時為凍結中期(11月29日~12月18日),土壤凍層厚度>60cm時為凍結穩定期(12月19日至翌年3月12日);本試驗測定日期共4次,分別在2012年10月19日(未凍結期)、11月12日(凍結初期)、12月5日(凍結中期)和12月28日(凍結穩定期),共計進行36次入滲試驗,每次測定的開始時間均為上午10:00。在進行土壤水分入滲試驗的同時,對各測試點土壤的理化參數進行同步測定,包括:各處理每次測定時各測點的凍層厚度,各測點5、10、20、30、40、60cm土層的土壤溫度;各測點0~60cm土層土壤含水率。各測點的凍層厚度采用TDR(英國Delta-T公司PR2型)進行測定,對其中2個測點的凍層厚度采用凍深管法進行了驗證,誤差均在8.0%以內。各測點土層的土壤溫度采用曲管地溫計(錦州利誠WQJ-16型)測定,量程-20°~50°,并采用插針式地溫傳感器(聯創思源FDS120型)對其中2個測點的土壤溫度進行了驗證,誤差均在5.0%以內。各測點土層的總土壤含水率采用機械鉆取土烘干法測定,未凍土壤含水率采用TDR進行測定,總土壤含水率與未凍土壤含水率之差即為凍結土壤含水率。1.3試驗用水及入滲率入滲試驗采用自制雙套環入滲儀進行,內環直徑26cm,外環直徑60cm,在地表凍結前預埋于試驗地塊,內環下環深度20cm。入滲內環供水用量筒計量,外環水位采用水位平衡裝置控制,保證內外環水位齊平。入滲試驗用水為井水,水溫變化為2.0~8.0℃。為減小積水水頭對水勢梯度的影響,水深控制在3cm。大量的田間試驗表明:土壤的入滲過程一般可在90min內達到相對穩定,因此,選90min的累積入滲量作為反映土壤入滲能力的指標,入滲達到相對穩定后,以90min時的入滲率作為土壤的相對穩定入滲率,即穩滲率。入滲水量分不同時段記錄,在試驗的0~2min內,每隔30s記錄1次;2~10min內,每隔1min記錄1次;10~50min內,每隔5min記錄1次;50~90min,每隔10min記錄1次。1.4入滲方程在確定農田凍結期合理灌水技術參數時,最主要的是了解入滲率和累積入滲量隨時間變化的規律,通過較為簡潔的公式對累積入滲量進行計算,對于凍土土壤的入滲過程有多種模型,常用的有Philip方程、Kostiakov方程和Kostiakov-Lewis方程,這3個方程均為經驗、半經驗的凍土入滲公式。1)Philip入滲方程:式中:I(t)為累計入滲量,cm;t為累積入滲時間,min;k為反映入滲初期土壤滲吸性的參數,cm/min;f0為與水力傳導度有關的參數,cm/min。該式對于均質土壤效果較好,但對于實際的非均質土壤在入滲后期效果較差,一般不適用。2)Kostiakov入滲方程:式中:α為表征土壤入滲率曲線衰減速度的經驗指數。Kostiakov入滲方程是一個典型的經驗公式,該方程不足之處是時間無限長時,入滲率趨于零;而當時間趨于零時,入滲率趨于無窮大,與實際不符。但在生產實踐中一般給定入滲時間,不影響其使用。3)Kostiakov-Lewis入滲方程:該模型是在Kostiakov模型的基礎上增加了f0t項,克服了Kostiakov模型取極值時無意義的不足。本文通過對上述模型的檢驗,分析其對凍結土壤入滲過程表述的適用性。1.4.2小程度的減滲率計算在土壤的凍結過程中,土壤入滲率逐漸減小,其減小程度通常采用減滲率表示,采用式(4)進行計算。式中:η為減滲率;Ld為凍土土壤水分入滲量,cm;Ln未凍土土壤水分入滲量,cm。2結果與分析2.1不同覆蓋條件對凍結土壤水分變化的影響土壤的凍結過程是隨著氣溫的下降凍層逐漸形成,隨著土壤中液態水相變為冰晶的比例越來越大,土壤的入滲能力逐漸減小。由于土壤凍結層厚度和位置是隨著外界氣溫的往復變化而改變的,致使凍結層對入滲水流的控制作用也是動態變化的。表1為無覆蓋、秸稈覆蓋和地膜覆蓋3個處理的入滲試驗條件及穩定入滲率對比結果。試驗條件為各處理的最大凍層深度大于計劃濕潤層深度60cm;水溫變化為2.0~8.0℃,接近于地下水的水溫;試驗時各處理時間點的土壤含水率見表1。由表1可知,從未凍期到凍結穩定期,凍層深度逐漸增大,冬小麥地膜覆蓋處理11月12日(凍結初期)、12月5日(凍結中期)和12月28日(凍結穩定期)土壤凍層厚度比無覆蓋處理分別低7.0、6.7和6.4cm;冬小麥秸稈覆蓋處理11月12日(凍結初期)、12月5日(凍結中期)和12月28日(凍結穩定期)土壤凍層厚度比無覆蓋處理分別低4.5、3.8和2.3cm。分析上述結果可以得出:在同一凍結期地膜覆蓋和秸稈覆蓋條件下,凍層厚度明顯較低,特別是地膜覆蓋比無覆蓋條件下凍層厚度降低6cm以上,具有明顯的保持地溫的作用,秸稈覆蓋效果比覆膜效果差;地膜覆蓋和秸稈覆蓋均可以減緩土壤水的凍結速度,但隨著凍結期的推進,地膜覆蓋和秸稈覆蓋降低凍層厚度的效果逐漸減小,2種覆蓋均是在凍結初期效果最好。由表1可知,從未凍期到凍結穩定期,冬小麥地膜覆蓋處理11月12日(凍結初期)、12月5日(凍結中期)和12月28日(凍結穩定期)凍結土壤含水率均比無覆蓋處理分別低3.53%、1.54%和0.65%;冬小麥秸稈覆蓋處理11月12日(凍結初期)、12月5日(凍結中期)和12月28日(凍結穩定期)凍結土壤含水率均比無覆蓋處理分別低1.57%、0.93%和0.51%。對于冬小麥無覆蓋處理,10月19日(未凍結期)未凍結土壤含水率為21.52%,而11月12日(凍結初期)、12月5日(凍結中期)和12月28日(凍結穩定期)未凍結土壤含水率分別降為18.18%、9.85%和2.59%,凍結土壤含水率分別增大5.30%、9.92%和15.32%,秸稈覆蓋和地膜覆蓋各處理試驗數據也有相似的結果。上述結果表明:從未凍期到凍結穩定期,在土壤總含水率變化不大的條件下,土壤未凍結含水率不斷降低,隨著凍結期的推進,未凍結水轉為凍結水的速度是由慢到快再逐漸降低的過程;地膜覆蓋和秸稈覆蓋均能減緩未凍結水的轉化,在凍結前期和中期效果較好,凍結后期效果明顯降低,地膜覆蓋的效果比秸稈覆蓋更好。2.2土壤水分穩定性入滲率從圖1可以看出,無覆蓋、秸稈覆蓋和地膜覆蓋3種處理從未凍結期到凍結初期、凍結中期和凍結穩定期土壤入滲率的變化情況,以及各處理不同凍結期的穩滲率。同一處理不同凍結期各入滲時間點的入滲率和穩定入滲率差異性明顯,但無覆蓋、秸稈覆蓋和地膜覆蓋3種處理在各個凍結階段入滲率的變化規律具有較強的一致性,均是隨著凍結期的推進,土壤凍結厚度逐漸增大,不同入滲時間對應的土壤水分入滲量逐漸降低,入滲率逐漸減小。以冬小麥無覆蓋處理4個測定日期的入滲過程為例定量說明土壤入滲率的變化,10月19日(未凍結期)的土壤水分穩定入滲率為0.059cm/min,而11月12日(凍結初期)、12月5日(凍結中期)和12月28日(凍結穩定期)土壤水分穩定入滲率分別為0.047、0.018和0.007cm/min,與未凍期相比減滲率分別為21.09%、69.87%和87.76%。通過對比分析不同處理入滲率結果還得出:3種處理同一凍結期各入滲時間點的入滲率和穩定入滲率變化顯著。10月19日(未凍結期)3種處理各時間點的入滲率和穩定入滲率基本在一條曲線上,表明各測點的土壤特性基本相同;11月12日(凍結初期)地膜覆蓋處理各時間點的入滲率和穩定入滲率均比無覆蓋明顯偏高,地膜覆蓋處理穩定入滲率比無覆蓋處理高出9.11%;秸稈覆蓋處理各時間點的入滲率和穩定入滲率也均比無覆蓋偏高,秸稈覆蓋處理穩定入滲率比無覆蓋處理高出4.11%;表明地膜覆蓋在凍結初期效果較好,秸稈覆蓋效果一般。同樣在12月5日(凍結中期)地膜覆蓋處理各時間點的入滲率和穩定入滲率均比無覆蓋明顯偏高,地膜覆蓋處理穩定入滲率比無覆蓋處理高出13.5%;秸稈覆蓋處理各時間點的入滲率和穩定入滲率也均比無覆蓋偏高,秸稈覆蓋處理穩定入滲率比無覆蓋處理高出7.00%;表明地膜覆蓋在土壤凍結中期具有較好的效果,秸稈覆蓋效果比覆膜差。而在12月28日(凍結穩定期)無覆蓋、秸稈覆蓋和地膜覆蓋3種處理各時間點的入滲率和穩定入滲率基本又回到一條曲線上,表明秸稈覆蓋和地膜覆蓋在凍結穩定期對土壤入滲率已無明顯效果。分析上述結果得出:地膜覆蓋在土壤凍結初期和中期具有較好減緩土壤水凍結的作用,能使土壤保持較高的入滲率和穩定入滲率,效果顯著;而秸稈覆蓋與無覆蓋相比雖然也有一定效果,但比地膜覆蓋效果差。2.3地膜覆蓋中累積入滲量的變化圖2給出了同一凍結期不同覆蓋處理土壤累計入滲量的變化情況。同一凍結期3種處理各入滲時間點的累積入滲量變化顯著。10月19日(未凍結期)3種處理各時間點的累積入滲量基本在一條曲線上,90min累積入滲量為5.34cm,表明各測點的土壤特性基本相同;11月12日(凍結初期)地膜覆蓋處理90min時的累積入滲量比無覆蓋明顯偏高,地膜覆蓋處理90min時累積入滲量為4.70cm,比無覆蓋處理高出0.39cm;秸稈覆蓋處理90min時的累積入滲量為4.45cm,比無覆蓋處理高出0.26cm;12月5日(凍結中期)地膜覆蓋處理90min時的累積入滲量比無覆蓋明顯偏高,地膜覆蓋處理90min時累積入滲量為2.33cm,比無覆蓋處理高出0.73cm;秸稈覆蓋處理90min時的累積入滲量為1.99cm,比無覆蓋處理高出0.39cm;而12月28日(凍結穩定期)地膜覆蓋處理90min時的累積入滲量與無覆蓋相差很小,地膜覆蓋處理90min時累積入滲量為0.74cm,僅比無覆蓋處理高出0.09cm;秸稈覆蓋處理90min時的累積入滲量為0.71cm,比無覆蓋處理僅高出0.06cm。同時可以看出:3種處理在各個凍結階段累積入滲量的變化規律具有較強的一致性,均是隨著凍結期的推進,累積入滲量逐漸減小。以冬小麥地膜覆蓋處理4個測定日期的入滲過程為例定量說明土壤累積入滲量的變化,10月19日(未凍結期)試驗土壤水分90min累積入滲量為5.34cm,而11月12日(凍結初期)、12月5日(凍結中期)和12月28日(凍結穩定期)土壤水分90min累積入滲量分別為4.70、2.33和0.74cm,比未凍期分別減少11.99%、56.37%和86.14%。無覆蓋和秸稈覆蓋各處理試驗數據也有相似的規律。上述結果表明:凍結土壤水分的累積入滲量遠小于未凍結土壤水分的累積入滲量,在土壤凍結初期和中期采用地膜覆蓋和秸稈覆蓋均能增大土壤水分的累積入滲量,而地膜覆蓋和秸稈覆蓋在土壤凍結穩定期對土壤水分累積入滲量影響較小。2.4入滲過程模擬檢驗本文利用冬小麥試驗區無覆蓋和地膜覆蓋2個試驗處理共計24個入滲試驗的實測入滲過程數據計算Philip方程、Kostiakov方程和Kostiakov-Lewis方程,利用一元回歸的方法進行回歸分析,得出各入滲方程的入滲參數,見表2。然后利用得到的入滲方程參數計算秸稈覆蓋試驗處理各入滲時間點對應的理論數據值,并利用秸稈覆蓋試驗處理12個入滲試驗的實測入滲過程數據對各方程的入滲參數進行檢驗。各方程計算值與實測值吻合程度采用獨立樣本T檢驗法進行。此處選擇秸稈覆蓋試驗處理10、30和90min累積入滲量為檢驗對象,根據實測累積入滲量與時間的對應樣本和各方程得到的入滲率數據,采用統計分析軟件SPSS進行T檢驗,給定顯著性水平α=0.05,檢驗結果見表3。根據T檢驗的計算規則,如果2組樣本數據在經過檢驗之后的t值小于T0.05并且P值的統計顯著性大于0.05,就認為2組數據沒有明顯的差異。由表3可以