西北内陆盆地冻结期与冻融期土壤水分运移特点

西北内陆盆地冻结期与冻融期土壤水分运移特点

中国西北盆地的冻结期为每年10月下旬至11月上旬，最多为每年3月下旬。这需要五个月的时间，几乎占全年时间的一半。冻结层起初在地表形成,逐渐由地表向深部发展,最大冻土层发育深度可达1.0～1.5m。冻结期降水(雪)因气温持续处于负温而不能融化,并在地表积蓄变厚,最大积雪厚20～30cm。每年3月底和4月初进入冻融期,冻结层和积雪开始融化,冻融期一般不超过1个月。冻结期和冻融期土壤水分运移特点与非冻结期存在较大差异,对其进行试验研究,将会为西北内陆盆地地下水资源评价和生态环境保护提供有价值的技术参数。1冻土层及积雪量试验在新疆昌吉地下水均衡试验场进行,该地区从11月初进入冻结期,3月中旬冻土层开始融化,4月初融通。多年平均冻结层深度1.0～1.2m,最大达1.49m。多年平均降雪量51mm,约占多年平均降水量的28%1。每年的气候条件虽然存在一定差异,冻土层和积雪厚度也有所不同,但其发育规律基本一致。图1为冻土层和积雪发育过程线1。2田间土壤水势分布试验分别在试验场模拟区和附近冬小麦地进行。模拟区选用截面积为4m2的三个测筒装置,测筒内充填当地典型土壤——粉质轻粘土,潜水埋深分别控制在1.5m、3.0m和5.0m。田间包气带土壤岩性分布为:粉质轻粘土(0.0～2.2m)和细砂(2.2～2.9m),地下水动态埋深2.0～2.4m。采用中子水分仪观测土壤含水量,采用负压计观测土壤剖面水势分布。中子水分仪和负压计在测点间距和观测时间上同步,第一测点埋深10cm,210cm以上测点间距为20±1cm,210cm以下测点间距50±2cm。冻结期每月1、6、11、16、21、26日8∶00观测一次,冻融期视情况加密观测。3土壤水分运动状态的垂直分布在冻结层形成从地表向下发育过程中,冻结层下界面附近土壤水势随深度增加而增加,土壤水分运动状态呈上渗型,土壤中的液态水向冻结层下界面运移,与此同时,汽态水也向冻结层下界面靠近并凝结。通过对冻结期不同时间土水势的分析,在潜水埋深3m时,冻结层之下土水势的分布情况为:在靠近冻结层下界面一端土壤水势值最小,由此处向下土壤水势逐渐增大,从冻结层至埋深2.5m附近,土壤水分运动状态呈上渗型,2.5m以下土壤水分运动则呈下渗型,在2.5m附近形成一个发散型零通量面(图2a)。零通量面以上土壤水分向冻结层运移,使冻结层土壤含水量增加,零通量面以下的土壤水分向下运移,形成少量的潜水入渗补给。根据试验场地渗仪多年观测资料计算,潜水埋深3m条件下,冻结期月平均潜水入渗补给量是1.5mm。在潜水埋深5m时,土壤水势分布具有和3m埋深相同的规律性,即在冻结层以下土壤水势值较小,随深度增加土壤水势值随之增加,并在深度约2.5m处土壤水势达到极大值,随后土壤水势值又逐渐降低,直至潜水面,约在2.5m深度处也存在一个发散型零通量面,土壤水分运动状态呈上渗—下渗型(图2b)。潜水在冻结期不但不会受到蒸发损耗,反而会获得少量入渗补给。同样依据试验场地渗仪多年观测资料计算,潜水埋深5m条件下,冻结期月平均潜水入渗补给量为2.1mm。根据以上土水势分析,可初步得出结论,即对于当地的粉质轻粘土来说,在冻结期土壤剖面中一般能形成一个较稳定的最深零通量面,该零通量面的位置大致在2.5m处。因而,潜水埋深约大于3m时,冻结过程中土壤水分运动状态呈上渗-下渗型,潜水不仅没有蒸发损耗,而且还可以得到少量的土壤水分的入渗补给。4粉质轻粘土地层的土壤含水量冻结过程中,土壤水分在水势梯度的作用下,最深零通量面之上的水分始终向上运移,所以,冻土层形成发育的过程,也是表层土壤含水量逐渐增加的过程。根据对土壤含水量观测资料的分析,在潜水埋深1.5m时,粉质轻粘土表层1m土体的土壤含水量增加37.9mm,平均土壤含水量达到32.6%(图3a),而潜水埋深2.0～2.4m的冬小麦田表层1m土体的土壤含水量增加36.2mm,平均土壤含水量达到22.7%(图3b)。前者土壤含水量高于后者,究其原因,是因为粉质轻粘土地层在潜水埋深1.5m时,1m土体的土壤含水量受到潜水面以上毛细水上升带的影响,而后者受毛细水上升带的影响较小。由于冻结期气温低、蒸发弱,加之受冻结层和积雪的保护,土壤水分损耗很微小,因此,冻结期对于土壤水分和潜水的保护是很有利的。5月不同时段土壤水分运动状态的特征结果进入3月份,气温逐渐回升,地表积雪和冻土开始融化,与此同时冻结层下界面也开始消退,通常在3月下旬至4月初融通(图1)。由于在冻结过程中冻结层积累了较多水分,再加上积雪的融化入渗,土壤层上部有较高的含水量,成为土壤水的高能区,使土壤剖面的土壤水势分布发生了较大的变化,过量的土壤水分在重力作用下向下运移,当湿润锋下移与冻结期零通量面相遇时,使该零通量面消失,土壤剖面水分运动状态由冻结期的上渗-下渗型转变为下渗型。图4和图5是2、3、4月份不同时间的土壤水势分布曲线,2月28日、3月3日的土壤水分运动状态还是上渗型,而到3月16日就变成下渗型,3月26日、3月29日,乃至到4月16日土壤水分运动状态始终呈下渗型。冻融时期除了表层土壤水分的少量蒸发外,积雪和冻结层融水不仅补充了整个包气带土壤水分,而且部分土壤水分还入渗补给潜水。根据试验场地渗仪多年观测资料,粉质轻粘土地层在潜水埋深2m左右,3至4月份潜水获得的入渗补给量占全年潜水入渗补给量的51.9%。由此可见,冻融水是浅埋型地下水的重要补给来源。6冻融水的利用冻融期正是万物复苏时期,也是作物和植物开始需水的时期,而这个时期恰是一年中最缺水的季节,冻结层和积雪的融化,增加了土壤含水量,为植物生长发育提供了较好的水分条件,尤其对缺乏灌溉的天然植被的生长十分有利。同时,冻融水对于增加埋深较小的地下水的资源量也起到积极作用。但是,也应该看到冻融水对生态环境不利的方面,由于冻融水增加了土壤含水量,冻融期蒸发又十分强烈,故容易造成土壤次生盐渍化。7冻融时期土壤水分运动情况(1)冻结期,冻土层在由表及里逐渐发育过程中,土壤水分运动状态呈上渗-下渗型,当潜水埋深约大于3m时,粉质轻粘土地层约在2.5m深度形成一较稳定的最深零通量面。零通量面以下的土壤水分向下运移,潜水不仅没有蒸发损耗,还可以得到少量土壤水分的入渗补给。根据试验场地渗仪多年观测资料计算,潜水埋深3m和5m条件下,冻结期粉质轻粘土月平均潜水入渗补给量分别是1.5mm和2.1mm;(2)冻土层形成发育的过程,也是表层土壤含水量逐渐增加的过程。根据对土壤含水量观测资料的分析,潜水埋深1.5m时的粉质轻粘土表层1m土体的土壤含水量增加37.9mm,潜水埋深2.0～2.4m的冬小麦田表层1m土体的土壤含水量增加36.2mm。冻结期对于土壤水分和潜水的保护十分有利;(3)冻融期,积雪融水和冻结层融水下渗,土壤水分运动状态由冻结期的上渗-下渗型转变成下渗型。冻融时期除了表层土壤水分的少量蒸发外,积雪和冻结层融水不仅补充和增加了整个包气带土壤水分,而且部分土壤水分还入渗补给潜水。根据试验场地渗仪多年观测资料,在冻融期,潜水埋深2m左右条件下,粉质轻粘土地层可获得的土壤水分对潜水的入渗补给量