冻融作用对土壤水分的影响

冻融作用对土壤水分的影响

“冷冻融化”是指气候的日、年和年变化对特定气候区域地球表层一定范围内的土壤进行冷却和硬化的作用，以及在这些气候区形成所谓的“季节冷冻土壤和多年冷冻土壤”。地球上受冻融作用的土地面积约占全球陆地总面积的70%,其中,多年冻土的面积约占25%,主要分布在环北极地区及中、低纬度的高山、高原地区。在我国,受冻融作用的土地面积约占国土陆地总面积的98%,其中,多年冻土的面积约占22%,主要分布在青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭。冻融作用对土壤水分、密度、有机质和土壤的机械组成等因素都有不同程度的影响,这些因素的变化对土壤侵蚀都起着十分重要的作用,特别是水分的变化,是造成土壤冻融侵蚀的一个重要因素。为了防止黑土侵蚀,保护珍贵的黑土资源,研究冻融作用与土壤水分的关系有着重要的意义。在东北黑土区,以往的研究多数重视夏季土壤水分的变化对土壤水蚀的影响,而对于漫长冬季土壤水分变化的研究很少。近年来,不少学者开展了冻融作用与土壤水分变化的研究,如通过钻探取样测定季节冻土区高速公路路基水分的迁移变化过程及路基冻害;采用水分迁移测试系统,在无破损的情况下,通过室内对土柱中的点位进行温度和含水率的动态观测,研究冻融过程水分场和温度场的耦合过程;在开放系统下,通过冻融作用与土壤密度、含水量和融沉系数的变化试验,研究冻融循环作用对土体结构和性质的影响;采取核磁共振法,通过对加入不同浓度、不同溶质的土壤试样,在冻结过程中水、热、盐的迁移规律试验,研究养分含量对土壤在冻结过程中特征曲线变化的影响等,这些研究均对后续的深入研究奠定了基础。笔者以东北典型黑土为例,在2003—2004年和2005—2006年的2个冬季,通过野外观测和室内试验,对冻融过程中土壤水分的迁移和土壤冻胀量的变化进行分析,以进一步探讨冻融作用与土壤水分间的关系。1典型黑土区的自然概况典型黑土区位于我国松嫩平原及其四周台地低丘区,北起黑龙江省的嫩江县和龙镇,南至吉林省的四平市和怀德县,西到大兴安岭东西两侧,东达黑龙江省的铁力市和宾县,地理坐标为E122°24′~128°21′,N43°20′~49°40′。此外,在黑龙江省小兴岭以东的佳木斯市和集贤县还有一片黑土分布,属丘陵漫川漫岗地区,总面积约10.8万km2。典型黑土区地处中纬度地带,具有明显的大陆性季风气候特征,年平均气温在-2~5℃,最高气温38℃,最低气温-45℃,无霜期110~130d,年降水量350~700mm,60%集中在6—9月份,冻融作用十分明显。植被覆盖率只有10%左右,主要为人工林,仅有少量以柞树(QuercusmongolicaFisch.)灌丛为主的天然次生林。土壤侵蚀以水蚀为主,每年春季冻融侵蚀和融雪水侵蚀也十分强烈。试验区位于典型黑土区的克山县新安村和克山镇新区,2区相距15km,多年平均气温1.9℃,最高气温35.7℃,最低气温-42.4℃,无霜期122d,多年平均降水量510mm。新安村取样点土壤为黑土,母质层为黄黏土,浅水层在20~30m之间;克山镇新区取样点土壤为黑土,母质层为黄土状亚黏土,浅水层在10~15m之间。2测试方法试验采取野外定点测定与室内试验相结合的方法,在野外定点测定的基础上,通过室内试验补充验证野外测定结果。2.1土壤含水量测定采用野外冻土钻钻探取土,室内烘干法测定土壤水分,即每个取样地布设2个取样点,取样深度分别为130和120cm,每点按10cm1层分2次重复取样烘干测定土壤水分。在冬季土壤开始冻结前,先测定未冻土不同层次的水分含量,土壤开始冻结后直到土壤完全解冻期间,每15d取样1次,测定土壤开始冻结后的含水量。同时在每个取样地布设土壤冻深器,测定土壤水分的同时观测土壤冻深,以此分析冻结深度变化与土壤水分变化的动态过程。2.2土壤水分含量的测定将自然状态下的原状黑土风干后,配制成含水量均匀的土样,试验土壤含水率为20.00%(重量含水率),然后分层将其装入试块模中,制成密度为1.472g/cm3、直径为10cm、高度为15cm的密度均匀的圆柱体试块。将试块放入冷冻箱,在24h内将冷冻箱内温度由0℃逐渐降低到-20℃,使试块完全冻结,取出试块,再经过24h使试块逐渐完全融化。在试块完全冻结和完全融化后,分别按0~5、5~10、10~15cm3个层次测定土壤水分,水分测定采取破损性试验终态的土样含水率。试块体积变化采取排水法测定,密度采取烘干法测定。试验周期为5个冻融循环。试验采取半封闭半开放环境,即在试块底部和周围用保温材料防护,保证冻结和融化过程均由圆柱试块的顶部开始,逐渐向下冻结和融化,同时在冻结和融化过程中,始终保持试块底部有一定的水分供应,以模拟浅层水的补给。3结果与分析3.1冻结后土壤含水量的变化在土壤冻结过程中,由于温度梯度的变化,使水分场重新分布,水分从暖端向冷端迁移,从而使冻结土壤的含水量较冻结前有所增加。这一点不论是野外测定还是室内试验都取得了同样的结果。野外2个试验点的测定结果见图1和图2,可以看出,不同观测时段,在土壤冻结过程中,土壤含水量冻结后比冻结前均有不同程度的增加。从图1可以看出,2003-12-01冻深50cm时,0~50cm土层内各个层次土壤的含水量多数都有不同程度的增加,幅度最大的0~10cm土层含水量增加了2.27%,到2004-01-30冻结深度达到130cm时,0~20cm土层内含水量有所降低,降低幅度为0.24%~0.58%,说明由于冻结深度的增加,下部向表层土壤水分迁移停止,受光照和风吹影响,表层土壤水分蒸发散失,使土壤水分含量降低。室内试验结果见表1。可以看出,冻结后试块整体含水量也表现出增加的现象,并且随着冻融循环周期的增加,试块土壤含水量逐渐增大。试验在第1个冻融循环周期内,土壤水分增加不十分明显,表层土壤含水量还有所降低,这是由于冻结前底部浅层供水没有充分浸润试块底部,造成冻结过程中表层土壤失水现象所致。而从试块整体来看,每个冻融循环周期土壤水分都有不同程度的增加,到第5个冻融循环周期时,土壤平均含水量由初始的20.00%增加到27.74%,说明土壤在冻融过程中,由于土水势的作用发生了水分的迁移,并且随着冻融循环周期的增加,土壤结构变得越来越松散,土壤吸水能力逐渐增强。3.2冻融循环周期对不同层次土壤含水量的影响从图1可以看出:2003-10-14为土壤冻结前不同层次水分情况,到2003-12-31冻深100cm时,增加幅度最大的0~10cm土层的土壤含水量增加了11.68%,含水量增加非常明显;到2004-01-30冻结深度达到130cm时,虽然0~20cm土层含水量有所降低,但从30cm以下,各土层含水量比冻结前的含水量都有所增加,增加幅度最大的90~100cm土层含水量增加了6.06%。从图2可以看出:2005-10-28为冻结前不同层次的土壤水分状况,到2005-11-14冻深40cm时,0~40cm各土层土壤含水量均有不同程度的增加,增加幅度最大的10~20cm土层含水量增加了6.02%;到2006-01-03冻深达到120cm时,在测定范围内,除个别层次土壤含水量有所降低外,多数层次的土壤含水量都是增加的,增加幅度最大的100~110cm土层含水量增加了7.40%。在土壤冻结过程中,冻结层土壤含水量均比冻结前同一层次土壤含水量有所增加,这是由于土壤冻结锋面土水势低,下部未冻结土壤土水势高,导致土壤中的水分由下部土水势高的地方向土水势低的上部迁移,使冻结锋面土壤水分含量增加,进而增加了冻结层土壤中的水分含量。室内试验结果表明,随着冻融循环周期的增加,同一层次土壤水分含量也逐渐增加。从表1可以看出,到第5个冻融循环周期时,2005年试块5~10cm土层含水量由初始的20.00%增加到28.95%,10~15cm土层的含水量由初始的20.00%增加到35.02%,2006年试验试块5~10cm土层含水量由初始的20.00%增加到26.06%,10~15cm土层的含水量由初始的20.00%增加到37.04%,由上向下土壤含水量逐渐增多。在试验中发现,试块底部含水量增加显著,接近土壤的饱和含水量,这是由于在试验过程中,试块底部始终保持充足的水分供给,而冻结和融化时间又较长,使底部土壤有充足的吸水时间,导致底部土壤含水量大幅度增加。而试块顶部土壤含水量变化不一致,0~5cm层次土壤含水量呈逐渐降低的趋势,到第5个冻融循环周期结束时,土壤含水量有所增加,但还是较初始含水量低,只有19.71%。这是因为,一方面试验环境为半封闭半开放式,试块顶部表面始终处于开放状态,在冻融期间表层水分散失,导致上层水分出现降低,另一方面,在冻结过程中,试块表层冻结速度过快,冻结封面下降的也快,试块下部土壤中的水分来不及迁移或迁移很少,也使上部水分变化不大和出现不一致现象。3.3未冻结层的含水量在土壤冻结过程中,未冻结土层的土壤含水量较土壤冻结前呈降低趋势。从图1发现:当2003-12-01土壤冻深50cm时,未冻结的50cm以下各土层的土壤含水量较土壤开始冻结前都有所减少,减少幅度最大的80~90cm土层含水量降低了4.76%;当2003-12-31冻深到100cm时,测定范围内100cm以下各土层土壤含水量也出现减少的现象,减少幅度最大的110~120cm土层土壤含水量降低了5.13%。从图2也同样发现,未冻结层土壤含水量降低的现象,当2005-11-14土壤冻深40cm时,下部70cm以下各土层的含水量都减少,但减少的幅度不大,这是由于该测定点浅层水埋深较浅,水分迁移量较多,使下部未冻结土层的含水量减少不大。上述2个测定点的测定结果都显示了土壤在冻结过程中,下部未冻结各土层土壤含水量呈减少的趋势,其减少的幅度受土壤浅层水埋深的影响,土壤中浅层水埋深越浅,土壤水分向上迁移的越多,未冻结土层含水量减少的幅度越小。3.4土壤冻结对土壤密度的影响土壤冻结过程中水分的迁移变化使得土体发生膨胀,表现为试块体积增大,冻胀作用明显。通过2年的冻融试验,试块体积变化曲线见图3,可以看出:随着冻融循环周期的增加,试块的体积均呈增大的趋势。2005年试验中,到第5个冻融循环周期结束时,试块体积由试验初期的1177.5cm3增加到1336.9cm3,增大了13.5%;2006年试验中,到第5个冻融循环周期结束时,试块体积由试验初期的1177.5cm3增加到1420.7cm3,增大了20.6%。正是由于试块在冻结过程中发生了水分由土水势高的下部向土水势低的上部的迁移,使试块土壤中冰晶体增大,含量增多,土壤颗粒的吸附水量也同时增多,土体颗粒间发生挤胀作用,试块体积增大,土体膨胀变形。试验中还发现,在试块融化过程中,土体不同程度地发生融沉现象,但融沉量还不能使试块体积恢复到试验初始状态。总体来说,土壤冻结对土体发生膨胀变形起主导作用。由于试块体积的增大使土壤密度降低,2年试验土壤密度测定结果见表2,可以看出,在试块冻融循环开始的2个周期,土壤密度有小量的增加,从第3个冻融循环周期开始,试块密度逐渐减小,到第5个冻融循环周期结束时,2005年试块土壤密度降低到1.349g/cm3,2006年试块土壤密度降低到1.268g/cm3,比初始密度分别降低了8.35%和13.86%。随着冻融循环周期的进一步增加,土壤密度将降低到一个接近稳定的数值。4冻融作用对土壤理化性质的影响1)冻融过程使土壤中的水分发生迁移,土体含水量增加。冻结过程中土壤中的水分由土水势高的下部向土水势低的上部迁移,增加了冻结层土壤中的水分,而且随着冻融循环周期的增加,在下部水分充足的情况下,土壤含水量逐渐增大。冻结过程中,土壤中水分迁移量的大小受土壤中浅层水埋深的影响。2)在冻结过程中,下部未冻结土层土壤含水量有降低的趋势。这是由于冻结锋面