凍融期蓄水坑灌灌水量對土壤溫度時空變化的影響

曹 鷺，郭向紅，孫西歡，2，馬娟娟，雷 濤，鄭利劍，王曉磊

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，山西太原030024； 2.晉中學院，山西晉中030600)

0 引 言

蓄水坑灌法是一種適用于北方地區的果林灌水技術[1]，該灌水是在果樹樹冠投影外圍布置若干個圓柱體蓄水坑，坑壁內側做固壁處理，坑底布設不透水層防止灌溉水下滲。灌溉時將水注入坑內，通過坑壁對果樹的中深根層進行灌水[2]。近些年，許多學者圍繞著蓄水坑灌土壤水分分布[3]、入滲[4]和氮素遷移轉化特性[5- 6]開展了大量的研究，并建立了相應的數學模型[7]，揭示了蓄水坑灌的節水、保水、誘導根系深扎的機理。但蓄水坑灌不同于其他的灌水[8-10]，蓄水坑的存在增加了土體臨空面，土壤溫度不僅由地表沿垂向傳導，還從土壤坑壁沿水平方向傳導，在土壤溫度傳導方面，與其他灌水存在較大差異。為此，張亞瓊等[11-12]研究了不同覆蓋下蓄水坑坑內土壤溫度的變化。李俊杰等[13]初步研究了冬季不同坑口結構條件下的蓄水坑壁土壤溫度變化規律。

本文通過田間試驗，對不同冬灌水量下(60、180 、300 L/株)冬季土壤剖面溫度的分布特征和凍融特性進行研究，揭示蓄水坑灌的溫度傳導機理，確定合理的冬灌水量，以期為蓄水坑灌條件下果樹的安全越冬和推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西省農科院果樹研究所進行。該研究所位于太谷縣西南角，東經112°32′，北緯37°23′，年平均氣溫保持在9.8 ℃，無霜期為175 d，平均降雨量約460 mm，屬典型的暖溫帶季風影響下的大陸性半干旱氣候。蘋果樹品種為三段砧木矮化型紅富士長富二號。土壤質地為粉砂壤土，容重為1.47 g/cm3，田間持水率(質量含水率)為24%。試驗期間的(2016年11月20日～2017年3月15日)太陽總輻射量為152.52 kJ/cm2，其中12月份最低，為34.70 kJ/cm2，日輻射量最低值出現在12月3日，為0.46 kJ/cm2。在太陽輻射的影響下，大氣溫度呈現波動式先降后升的趨勢，1月最冷，平均氣溫為0 ℃，1月30日的日均氣溫最低，為-5.3 ℃，2月19日的日均氣溫最高，為10.4 ℃。試驗期間的日輻射量和日平均氣溫變化特征見圖1。

圖1 日輻射量和日平均氣溫變化特征

1.2 試驗設計

圖2為蓄水坑灌田間工程和冬季土壤溫度測點布置。在距樹干直徑60 cm處均勻布設4個蓄水坑，坑深40 cm，坑口直徑30 cm，坑口覆蓋厚度為8 cm的泡沫板。選取了9棵長勢接近、生長良好、樹齡15年的蘋果樹進行試驗，行株距為2 m×4 m。試驗以灌水量為控制因子，共設3個水平，分別是G60(灌水60 L/株)、G180(灌水180 L/株)和G300(灌水300 L/株)，每個處理設置3個重復。冬灌日期為2016年11月23日。

圖2 田間工程和土壤溫度測點布置(單位：cm)

土壤溫度傳感器布置在兩坑中間的土壤剖面上。縱向上的測點位置為距離地表10、20、30、40、50、60、70 cm和80 cm處；橫向上的測點位置為坑內、離坑壁5、15、25 cm和35 cm處。采用測量精度為0.1 ℃的HZR- 8T溫度傳感器，每隔0.5 h對各個測點的土壤溫度進行一次自動采集。

1.3 數據分析

采用 Microsoft Office Excel 2013和Origin Pro 9.1對原始數據進行分析處理和繪圖。采用IBM SPSS Statistics 22對數據進行差異性分析。采用1stOpt 15 Pro進行數據的擬合建模。

2 結果分析

2.1 土壤的凍融特性

圖3為不同灌水量條件下的土壤凍融過程線。從圖3可知，在2016年11月中旬～12月中旬期間，土壤凍深緩慢增加，保持在10 cm土層以上；12月中旬開始，凍結速度相繼加快，處于不穩定凍結階段；到2017年1月中旬，土壤凍結深度趨于穩定且達到最大值，進入穩定凍結階段；2月中旬開始進入消融解凍階段，表層與底層土壤開始雙向融化，且融化初期底層土壤融化速度快，達到10 cm土層后融化速率減緩。由此可見，在蓄水坑灌冬灌條件下土壤的凍融過程分為3個階段：不穩定凍結階段、穩定凍結階段和消融解凍階段，這與前人研究的大田試驗結果相吻合[8-9]。試驗期間，土壤的凍融過程與太陽輻射和大氣溫度的變化保持一致，隨著太陽輻射減弱，大氣溫度降低土壤開始進入凍結階段；當1月份大氣溫度降到最低時，土壤的凍結深度也基本達到穩定；2月中旬氣溫開始回升，土壤進入消融解凍階段。綜上，太陽輻射和大氣溫度直接導致土壤溫度的變化，對土壤的凍深產生影響。

圖3 不同灌水量下土壤凍融過程

在不穩定凍結階段，灌水量越多，開始凍結的時間越晚，G60、G180、G300開始凍結的時間分別是11月24日、11月29日和12月5日，且達到穩定凍結的時間也相應的滯后，分別是1月17日、1月20日和1月21日。隨著灌水量的增加，穩定凍結深度減小，穩定凍結的時間縮短，G60、G180、G300凍深分別是43、40 cm和35 cm，穩定凍結時間為26 d、24 d和19 d。開始進入融化的時間都是2月14日左右，且在3月3日土壤完全解凍。這主要是由于水的比熱容大，液態水向固態水轉化的過程中釋放熱量，推遲了土壤凍結的時間，降低了土壤凍結深度，縮短了穩定凍結時間。

2.2 土壤溫度的動態變化規律

圖4為不同灌水量條件下土壤溫度在不同深度土層的時間變化。從圖4可以看出，不同灌水量條件下，土壤溫度的變化趨勢基本保持一致，都是隨著時間的推移先降低后升高；溫度的變化幅度隨著土層深度的增加而趨于平緩。這是因為在整個冬季，大氣溫度從11月底到1月中旬不斷降低，2月中旬開始大氣溫度緩慢升高，而土壤溫度的變化主要是依靠土壤與大氣之間的溫度梯度，大氣溫度降低，土壤溫度降低，大氣溫度升高，土壤溫度升高，土壤溫度的總體變化趨勢與大氣溫度保持一致。在土壤中，地表的土層最靠近大氣，與大氣形成的溫度梯度也就最大，所以受大氣溫度的影響最明顯，其溫度的變化幅度也就最大，而深層土壤與大氣溫度的熱量交換相對較弱，溫度的變幅就小。

圖4 土壤溫度的動態變化

統計不同深度的土壤溫度，并對其進行顯著性分析(見表1)。從表1可知，在同一土層深度，隨著灌水量的增加，極差逐漸減小，均值不斷增加，標準偏差也不斷減小。結合圖4可以看出，10 cm和20 cm處土壤在凍結階段，土壤溫度G300>G180>G60；進入消融解凍階段后，G60土壤溫度開始高于其他，且溫度波動程度G60>G180>G300。G60和G180差異性不顯著，但都與G300顯著差異。40 cm處土壤在凍結階段土壤溫度G300>G180>G60；進入消融解凍階段后，G60土壤溫度波動大且略高于其他，土層溫度波動程度G60>G180>G300。3種灌水處理對溫度的影響差異顯著。60 cm處3種灌水處理土壤溫度基本一致，差異不顯著，這是因為在試驗期間，未凍水不斷向凍結鋒面遷移并凍結，相變過程中產生的熱量升高了土溫，緩沖了土壤溫度的變化幅度。蓄水坑灌是一種中深層灌水，水分分布呈鴨梨狀[3]，淺層土壤水分分布差異較小，其對溫度所產生的影響也較小。因此，蓄水坑灌冬灌對40 cm附近土壤溫度的影響最大。

2.3 土壤溫度的空間分布特征

圖5為不同處理下不同時間土壤剖面溫度空間分布。從圖5可以看出，不同處理在同一時間溫度分布規律基本一致。在垂向上，隨著深度的增加土壤溫度不斷升高；在徑向上，隨著與蓄水坑距離的增加土壤溫度先升高后降低小幅度波動。12月23日(不穩定凍結階段)溫度分布的溫差最大，為7.6 ℃；

表1 不同深度土壤溫度

注：表中不同小寫字母表示同一深度不同處理間差異顯著，相同小寫字母表示同一深度不同處理間差異不顯著(顯著性結果P<0.05)。

圖5 土壤剖面溫度空間分布

到了3月8日(消融解凍階段)溫度分布的溫差最小，為3.75 ℃。蓄水坑的存在增加了土壤與空氣的接觸面積，所以靠近坑壁的土壤溫度略低；隨著與蓄水坑距離的增加，受蓄水坑的影響減小，溫度出現短暫的回升。

表2 土壤剖面溫度空間分布擬合參數

對比同一時期不同處理下土壤剖面溫度的空間分布特征可以看出，12月23日(不穩定凍結階段)和1月27日(穩定凍結階段)靠近蓄水坑坑壁位置低溫范圍隨著灌水量的增加不斷縮小；同一點處溫度隨著灌水量的增加而升高。3月8日(消融解凍階段)40 cm以下土層溫度基本一致，溫差在1 ℃以內，但高溫范圍隨著灌水量的增加不斷縮小；同一點處溫度隨著灌水量的增加而降低。

對3種處理方式不同時期的土壤剖面溫度空間分布進行擬合，擬合公式為：T=A×z×sin(B×r+C)+D，其中，T為土壤溫度；z為土層深度；r為與蓄水坑中心的距離；A、B、C、D為擬合參數。擬合結果見表2。

從表2可以看出，在不穩定凍結階段和穩定凍結階段的相關性較高，相關系數R2均在0.76以上；消融解凍階段的相關性相對較弱，0.62

3 結 語

本文通過動態監測凍融期蓄水坑灌條件下土壤剖面溫度的分布特征，得出以下結論：

(1)隨著灌水量的增加，穩定凍結深度減小，穩定凍結的時間縮短。G60、G180、G300凍深分別是43、40 cm和35 cm，穩定凍結時間為26 d、24 d和19 d。

(2)土壤溫度隨時間的變化趨勢先降后升，溫度變幅隨著土層深度的增加趨于平緩。10～40 cm土層凍結階段土壤溫度G300>G180>G60；消融解凍階段，G60土壤溫度略高于其他；G300與其他處理差異顯著。60 cm土層3個處理方式溫度基本一致，差異不顯著。試驗期間平均氣溫G300>G180>G60，溫度的變化幅度G60>G180>G300。

(3)不同時期的土壤溫度剖面空間分布特征為：垂向上均隨著土深增加溫度升高；徑向上受蓄水坑的影響，溫度隨著與坑壁距離的增加呈現先升又降的趨勢。凍結階段坑壁位置低溫范圍隨著灌水量的增加不斷縮??；同一點處溫度G300>G180>G60。消融解凍階段40 cm以下土層溫度基本一致，高溫范圍隨著灌水量的增加不斷縮??；同一點處溫度G60>G180>G300。

綜上，灌水量為300 L/株時，土壤凍深最淺，平均溫度最高，溫度變幅最小，也最有利于果樹越冬，是本研究的最佳冬灌水量。

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