冻结条件下土壤含水量迁移规律的研究

冻结条件下土壤含水量迁移规律的研究

目前，我国对非晶态土壤特性的研究相对广泛、深入。因为研究冻融条件下土壤中水分运移特性和水盐迁移规律具有极为重要的农业意义。1冻结带下土水势变化的变化过程随着冻结带下部水分在冻结势作用下不断上移补给上部冻结带,土壤中原有土水势平衡遭到破坏,补给带的总土水势降低,这样下部相邻土壤层中水分开始上移,就形成新的动态平衡,于是在冻结带便形成了水分积聚的结果。在低温气候条件下,土壤温度随气温的降低而不断下降,当温度在某一定值上短暂停留时,为了建立起新的土水势平衡,水分不断向冻结带迁移。当气温继续下降时,土壤不同层位的温度随之下降,此时在冻结带下部土壤与冻结带土壤之间就产生了新的土水势差,该土水势差的存在将导致水分急速向上迁移而形成下部非冻结带的土壤含水量减少。经过一段时间的水分迁移后,由于剖面下部水分不断向上补给,非冻结带的含水量又开始增大,如此循环往复,温度不断下降,冻结带厚度不断增加,冻结带随之不断发展,冻结带下部土壤含水量呈现出大—小—大—小的较为规律的变动现象。随着冻结带不断向下发展,冻结带内不同层位的土壤含水量依次增大。也就是说,冬季田间土壤在冻结过程中水分进行着较为显著的迁移变化,随着气温的不断下降,冻结深度逐渐增大,冻结土壤各层含水量基本都有上升,冻结带含水量增大变化较为明显;冻结带下部含水量变化整体较小。2不同覆盖条件对土壤保水性能的影响冬季表层土壤的冻结与融化以及在二者之间出现的冻融循环,归根结底是由于温度变化引起的。温度降低的速度和低温持续时间的长短,都会对土壤中水分与盐分的迁移产生显著的影响。从宏观上来讲,温度下降越快,土壤的冻结速度也就越快。在此情况下,冻结锋面伸展速度和水分重新分布速度之差的绝对值会越来越小。反之,当温度下降较慢时,土壤中的水分有足够的时间进行迁移,水分就会产生显著的再分配现象。温度下降的快慢使水分的迁移与聚集呈现出快与慢、多与少的区别。当然,影响田间土壤含水量在冻结条件下水分运动的因素不仅仅是温度,还包括地表处理条件(地表有无覆盖层,如地膜等)、土体构造(与土壤翻耕与否有关)以及不同时间灌水对土壤保墒性能的影响等。首先,地表的不同处理条件对水分的影响也很重要。地表覆盖可使土壤地表蒸发量为零,因而整个冬季覆膜地表层在冻结过程中土壤水分不受蒸发、降雨等自然气候条件的影响,水分的运动变化与未覆膜地相比要平缓和有规律得多,而且覆膜可起到保温作用,使覆膜地不同土层埋深的土壤温度高于未覆膜地,地膜的覆盖也使覆膜地对气温变化的反应较慢,使前者冻深发展速度低于后者。由于冻深发展较慢,覆膜地水分向冻结带迁移的时间比未覆膜地更充分,冻结带水分含量与未冻结带相比,差别更大,所以当地表有地膜覆盖层保温作用时,未覆膜地地温低于覆膜地地温,因而前者水分迁移的速度及数量会小于后者。冻深发展速度前者大于后者,且在冻深发展速度相同的情况下,温度梯度大的土壤其水分迁移、聚集量也大。其次,土体的构造对水分的迁移也有不可忽视的影响。在同一气候条件下,由于土壤温度下降的快慢不同,导致水分在土壤中迁移、积聚的时间不同,因此,会出现秋耕覆膜地冻结带水分积聚现象远比未耕覆膜地显著。土体构造不同使土壤有不同的保墒性能,秋耕地地表疏松层的存在使土壤毛细作用大大减弱,降低了土壤表层蒸发作用的影响。第三,不同时间灌水,土壤含水量是不同的,水分在土壤中的迁移和分布有所不同,这一现象形成的原因较为复杂。3土壤盐分迁移机理土壤冻结会引起冻结带土水势降低,水分由未冻结带相对较高土水势处向冻结带较低土水势处迁移,而且在水分的迁移过程中,土壤中溶解于水分中的盐分也随着水分的移动而进行着比较复杂的迁移运动。冻土中水分和盐分迁移机理的研究包括迁移的驱动力和迁移过程的研究。在土壤冻融过程中,存在着水分和盐分的2次迁移过程,形成了特殊的水盐运动规律。土壤盐分的运动非常复杂,而土壤中的水分既是盐分的溶剂,又是盐分运移的载体,因此冻融过程中的水分运动在很大程度上决定着盐分迁移的方向和数量。在表层土壤冻结的过程中,温度是导致土壤中水分迁移的主要因素,土壤冻结引起冻结带土水势降低,导致水分不断向冻层迁移,随着水分向冻层聚集,冻层以下土层中的盐分同步向上运移,整个冻层的土壤含盐量明显增加。在融化过程中,随着地表蒸发逐渐强烈,使冻结过程中累积于冻结层中的盐分转而向地表强烈聚集,使表层的盐分含量急剧上升。3.1土壤水分的自然属性关于冻土中水分迁移驱动力的一种普遍提法叫做吸着力,即一系列分子作用力的总和。为了确定驱动力的数值,曾提出过毛细力、结晶力、蒸汽状态水的位移、趋向冻结锋面的液压降低等14种假说。自然条件下,水分迁移取决于力学的、物理学的和物理化学因素的总和,所以上述每一种假说只能代表某种特定条件下水分迁移的驱动力。20世纪30年代以来,国外把能量观点逐步引入这个领域,用于解释土壤的持水性并进行土壤水分动态研究。土壤中任何一个给定位置上的水分都受到许多力的作用,包括处于潜水位以上水的重量、在非饱和土中水与固体颗粒的相互作用、土壤中溶质的存在以及高程等等,因为这些力有不同的作用方向,很难找出它们对水分迁移的综合效应,所以引进土壤水的势能概念后,水分迁移就从数量和方向给出了水分迁移的原动力。20世纪60年代初期,国际土壤学会提出了土壤水分势能的划分及其定义。土壤水的总势等于由压力、重力、温度、溶质、电力等构成的分势的总和,其中任何一种分势梯度都可引起水分迁移。实验已经肯定,由于冻土中有未冻水存在并把冰和土壤颗粒分割开来,因此冻土中液相水迁移的薄膜假说得到了大多数学者的承认。土颗粒外围的未冻水层是不对称的,暖面最厚,冷面最薄,这种不对称性导致了一个不平衡的渗透压力,于是所产生的液流提供可冰透晶体生长所需求的水分。蒸汽运输不是冻土中水分迁移的主要方式,在非饱和冻土中,只有在相互联系的空隙中被冰堵塞时,蒸汽运输才起作用。3.2冻结土面的水球物理性质表现为受压迫的菌面为硬脆菌面迁移过程的研究又包括相转换动力学、冰点降低、迁移量、迁移系数等方面的研究。但造成土壤中水分迁移的微观机理有3种:氢键吸附能,饱和水气压差,毛管薄膜机制。(1)氢键吸附能。在冻结作用下,包气带冻土层内的水分冻结成冰,冰的氢键达到最完善的程度,随着冻结程度的增加,冻层加厚,冰的氢键产生的吸附能就越强,吸附的水分也越多。(2)饱和气压差。在冻结作用下,包气带冻土层与下部直到潜水面之间产生较大温度梯度,由此造成饱和水气压差的差异。饱和水气压差受温度、水质、水的状态和液面的影响。在同一温度下水面的饱和水气压高于冰面和空气的饱和水气压,毛管水凹液面的曲率小的大于曲率大的饱和水气压,当水滴冻结成冰晶使孔径缩小,增加毛管水凹液面的曲率使下部毛管水不断汽化向冻土层内转移。(3)毛管薄膜机制。由于冻结锋面冰晶具有稳定完善的氢键,对水比对土粒有更大的吸附能,会吸附冻结锋面下毛管水和薄膜水。另外,也因土粒与水分子之间的引力和所含可溶盐分的影响,使冻结温度降低,发生冻结滞后作用,所以冻结锋面的温度常低于0℃。冻结锋面后存在一个持续过渡地段——冻结缘,使部分水汽在此带以毛管薄膜机制向上部冻土层转移。正是在以上这些机理的作用下,当发生冻融情况时,土壤表层一定范围内的水分会发生迁移,而且水分中所溶解的盐分也随之发生迁移。4地下水开角度控制了土壤盐分含量,导致土壤理化性质的变迁长期以来在农、林业生产中早已利用冻结滞水,如顶冰凌造林、播种冬小麦等,以及增加冻结滞水量的措施,都达到了提高成活率、产量的目的。同时,在地下水埋藏浅且矿化