张少良，沈庆松，王曜，黄静，穆林林，梁佳辉

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

不同冻结强度下容重和含水量对黑土剖面水分变化特征影响

张少良，沈庆松，王曜，黄静，穆林林，梁佳辉

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

利用室内模拟方法研究冻结强度、容重、含水量等对东北黑土冻融过程剖面土壤水分变化特征影响，为东北黑土区土壤水分和养分管理提供科学依据。结果表明，冻结过程中，当冻结温度为-10和-20℃时，各土柱上下土层温度均降至较低温度保持恒定，上下土层水分差变化显著，冻融过程趋于缩小至平衡状态。容重为1.0 g·cm-3时，初始含水量越高，融冻过程上下土层水分差变化显著；冻结强度-10和-20℃时，容重为1.2和1.4 g· cm-3初始含水量越低，上下土层水分差变化越大。通常初始冻结强度越大、土壤水分含量、容重越大，形成恒定低温不变时间越长，上下土层水分差变化越大。单次冻结和融冻过程上下土层水分差变化呈先增后降“单峰”变化趋势，冻结温度越底土壤水分差峰值越高。为融冻区域农田土壤水分迁移模型构建和农田土壤水分管理等提供依据。

冻结；融冻；容重；含水量；黑土

东北黑土有机质含量较高，质地黏重，秋冬和冬春交替存在长期冻结和冻融现象（冻结和冻融累积时间达6个月以上），冻融过程显著影响土壤结构、养分转化和土壤肥力[1-4]。土壤冻融（Freezing-Thawing）是季节或昼夜气温变化（0℃左右）在表土及其以下深度形成冻结-解冻土壤过程，普遍存在于中、高纬度及高海拔地区[1,5-6]。冻融通过改变土壤水热动态，影响土壤生物化学过程及生物地球化学循环[1,7-9]。因此，冻融过程土壤水分动态特征是水文学、土壤学关注焦点。学者通过野外监测、室内模拟和模型方法研究各土层土壤水分动态变化特征，毛雪松等观测土柱中点位温度和含水率变化，研究冻融过程水分场和温度场耦合过程[10]；郭志强等观测冻融过程土壤密度、含水量和融沉系数，研究开放系统中冻融循环对土体结构和性质影响[11]；郭占荣等观测积雪融水和冻结层融水，研究土壤水分运动状态结果表明，冻结期水为上渗-下渗型，即水分向上下冻结锋面迁移，而融冻期转变成下渗型，水分向相变界面附近迁移[12]；Musa等认为冻融过程水分在冻结层富集，土壤质地影响冻融过程中土壤水分迁移数量[13]。冻融中土壤水分运移过程，特别是冻结强度、土壤容重和初始含水量对冻融过程土壤水分变化影响鲜见报道。不同土壤理化性质差异显著，冻融过程土壤水分运动特征差异显著，因此研究不同类型土壤地区冻融期土壤水分运动特征尤为必要。本文通过室内模拟方法研究东北黑土区冻融强度对不同容重、不同初始含水量条件下土壤水分迁移变化特征影响，对区域土壤水分管理，水分驱动下土壤养分和其他物质迁移等具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

通过构建土柱实验室，模拟不同冻结强度下容重、体积含水量对土柱中水分和温度动态特征影响。土柱制作和模拟过程：模拟用土柱外层材料为聚乙烯管，高30 cm（黑土耕层厚度20 cm），直径14 cm，分别在距离管上端10 cm和20 cm处打孔，安装水热探头（见图1）。模拟上盖、下盖、水热探头（10和20 cm处）和柱体组成。

图1 室内模拟用土柱结构Fig.1 Design of soil column in laboratory

①取哈尔滨市东北农业大学向阳实习实验基地（45°45'27''～45°46'33''N，126°35'44''～126°55' 54''E）耕层土壤（有机质31.49 g·kg-1、全氮0.800 g·kg-1、全磷2.178 g·kg-1）若干，过2 mm筛，测定质量含水量，塑料薄膜封闭，防止水分散失。

②利用过筛土壤分别制作容重为1.0、1.2和1.4 g·cm-3土柱，每个容重3次重复，共9个土柱。土柱上下用聚乙烯膜封严，密封水分探头插口，防止水分散失。

③制作质量含水量分别为14%、20%、26%（容重为1.1 g·cm-3时，质量含水量为26%时接近田间持水量，W/W%）土柱，由土柱顶部缓慢加入定量蒸馏水，密封聚乙烯膜防止水分散失。

④将密封后土柱放置恒温培养箱（一恒，PH-070(A)）70℃培养1周，期间定期上下左右翻转土柱使土壤水分分布均匀。当土柱20和30 cm处土壤水分接近一致时（用FDR探头测定）培养结束。培养后土柱初始体积含水量如表1所示。土柱上下水分一致时，与原设计土壤含水量无法完全相同（设计时按烘干法测定质量含水量，FDR连续观测土壤体积含水量）。故土柱水分含量分布相对均质即满足试验需求。

⑤用隔热棉花将土柱侧部和底部充分包裹（确保降温过程从土柱上侧向下），竖直放入冰箱（海尔，BD-829HN），温度调节为-5、-10和-20℃（试验约120 min可达预设温度）。模拟结束后取出放5℃培养箱（一恒，MGC-450HP-2）培养12或24 h（见表1），记录土壤水热动态全过程。

表1 模拟冻融过程土壤水分动态变化实验方案设计Table 1 Simulation of design soil water dynamic during freeze-thaw process

1.2 测定方法

体积含水量：FDR水分测定仪（河北邯郸清胜电子开发有限公司），仪器出厂标定，实验室再次用TDR 100校正。监测时每5 min记录1次。-15℃以上温度测定土壤液态水体积含水量误差±0.2%。

温度：热敏探头（河北邯郸清胜电子开发有限公司），精确度±0.2。监测时每5 min记录1次。

质量含水量：铝盒加热烘干法，105℃烘干至恒重，用1%天平称量。

1.3 数据处理

常用参数以Excel 2003计算，Sigmaplot 10.0完成作图。

2 结果与分析

2.1 不同冻结强度条件下容重和含水量对土壤水、热动态变化特征影响

为探讨冻融过程不同土层水分动态特征，分析冻结温度-5、-10和-20℃，容重分别为1.0、1.2和1.4 g·cm-3条件下土壤水、热动态变化。由于同组土壤温度和水分动态变化规律一致，试验随机选取代表性数据均冻结12 h，融冻12 h。

冻结温度-5℃，冻结12 h，5℃融冻12 h过程（见图2），所有土柱温度均呈下降趋势。前12 h下降相对较快，后12 h下降趋势逐渐平缓，最后趋近于0℃。整个冻结过程上（10 cm）下（20 cm）土层土温并未完全降至-5℃。土柱上下两层土壤水分均整体呈先陡后缓下降趋势；除容重1.0 g·cm-3土柱上下两侧土壤水分含量相近外，其他土柱上层土壤水分均高于深层土壤水分。融冻结束后各层土壤水分均减少。

冻结温度为-10℃时，冻结12 h，5℃融冻12 h过程，所有土柱温度均呈先降后升趋势（见图3），前8 h下降较快，温度至-1.4～-2.5℃；8～16 h趋缓，保持相对恒定最低温度；16 h后土壤温度逐渐上升，接近0～3℃。整个冻结过程土温未完全降到-10℃。土柱上（W1，10 cm处）、下（W2，20 cm处）两层土壤水分在0～8 h范围内均呈缓慢下降趋势，8～16 h部分土柱上层含水量略升；所有土柱上层土壤水分均高于深层土壤水分，在8～16 h上下土层土壤水分差较大。冻融结束后各层土壤水分减少。

图2 土壤上下层水分和温度实时观测变化(冻融强度为-5℃时) Fig.2Dynamics of soil moisture and temperature by timely observation(at freezing-thawing strength is-5℃)

冻结温度为-20℃时，冻结12 h，5℃冻融12 h过程，所有土柱温度也均呈先降后升趋势（见图4）。前4 h下降较快，4～10 h趋缓，10～13.5 h除容重1.4 g·cm-3和体积含水量为37%土柱外，其他土柱再次迅速下降至-1.8～-7.2℃；13.5～24 h先增后缓，最后接近-0.3～-2.6℃。整个冻结过程上下土层并未完全降至-20℃。土柱上（W1，10 cm处）下（W2，20 cm处）两层土壤水分均整体呈先陡后缓下降趋势，在土温相对恒定时段上下土层水分之间差异较大；土柱上层土壤水分大部分时段均高于深层土壤水分，8～16 h上下土层水分差较大。融冻结束后各层土壤水分减少。

由图2～4可知，随冻结温度降低，土壤温度和体积含水量变幅增大，上下土层温度和水分曲线最大距离越大。当冻结温度为-10和-20℃时，各土柱上下两层土温均降至相对较低温度并维持恒定，上下土层土壤水分含量间差异增大，后缩小至平衡状态。冻结温度越低、土壤水分含量越大、容重越大，越有利于维持较长时间恒定土温。

图3 土壤上下层水分和温度实时观测变化(冻融强度为-10℃时)Fig.3 Dynamics of soil moisture and temperature by timely observation(at freezing-thawing strength is-10℃)

图4 土壤上下层水分和温度实时观测变化(冻融强度为-20℃时)Fig.4 Dynamics of soil moisture and temperature by timely observation(at freezing-thawing strength is-20℃)

2.2 不同冻结强度条件下容重和含水量对土壤水分差动态变化特征影响

融冻过程上下土层土壤水势不同，上下两土层水分迁移，上下土层含水量差异较大。由于土柱试验前水分部分散失，上下土层含水量接近。分析上下土层水分差可见两土层水分迁移特征。本研究表明，在冻结和融冻过程中上下土层温度和水分相对变化具有规律性。

由图5可知，冻结温度为-5℃时，所有土柱上下土层体积含水量之差随冻结和融冻时间增加总体逐渐增大，在8～12 h呈明显起伏，接近“单峰”曲线，起伏顶点最高值在12 h。整体上容重相同时，初始水分含量越大8～12 h起伏越大，容重对土壤水分差影响规律性不一致，有待进一步研究。-5℃冻结条件下，容重为1.0 g·cm-3时，含水量最高（24%）水分差变化较大；容重为1.2 g·cm-3时，含水量21%水分差变化较大；容重为1.4 g·cm-3时，含水量8%水分差变化较大；容重最小，初始体积含水量最大（24%）时，上下土层水分差变幅较大。

由图6可知，当冻结温度为-10℃时，土柱上下土层体积含水量差随冻结和融冻时间增加降低，6～18 h呈起伏，接近“单峰”曲线，起伏顶点最高值出现在12 h。

整体上容重相同，初始水分含量越小，6～18 h水分差起伏越大；初始水分含量相近，容重越大，6～18 h水分差起伏越大。-10℃冻结条件下，容重为1.0 g·cm-3时，含水量最高18%水分差变化较大；容重为1.2 g·cm-3时，含水量18%水分差变化较大；容重为1.4 g·cm-3时，含水量19%水分差变化较大；初始体积含水量最小（19%）情况下，上下土层水分差变幅较大。

由图7可知，当冻结温度为-20℃时，无论是冻结12 h融冻12 h，还是冻结24 h（土柱最低温可达-20℃）融冻24 h，大部分土柱上下土层体积含水量差随冻结和融冻时间增加均在冻融模拟过程呈先增后减“单峰”趋势变化。总体上下土层水分差均增加。“单峰”顶点最高值在12 h前。容重相近时，初始水分含量处于中间水平土柱水分差起伏较大；水分含量相近，容重对水分差变化影响规律性不一致。-20℃冻结条件下，容重为1.0 g·cm-3时，含水量20%水分差变化最大；容重为1.2 g·cm-3时，含水量26%水分差变化最大；容重为1.4 g· cm-3时，含水量32%水分差变化最大；整体看，容重最大，初始体积含水量中等水平（32%）情况下，上下土层水分差变幅最大。

图5 土壤上下层水分差实时观测动态变化(融冻强度为-5℃时)Fig.5 Dynamics of soil moisture difference by timely observation(at freezing-thawing strength is-5℃)

由图5～7可知，随冻结温度下降，上下土层水分差增大，冻结和融冻时间延长。容重为1.0 g·cm-3时，初始水分含量越高土壤水分差变化越大；容重为1.2和1.4 g·cm-3时，土壤水分差变化复杂，冻结温度较低时，初始含水量越低变化越大，而冻结温度-20℃时，初始含水量变化极较大。

图6 土壤上下层水分差实时观测动态变化(融冻强度为-10℃时)Fig.6 Dynamics of soil moisture difference by timely observation(at freezing-thawing strength is-10℃)

图7 土壤上下层水分差实时观测动态变化(融冻强度为-20℃时)Fig.7 Dynamics of soil moisture difference by timely observation(at freezing-thawing strength is-20℃)

2.3 相同冻结强度条件下容重和含水量对土壤水分动态变化特征影响

图8 不同容重和初始含水量条件下土壤上下层水分动态变化Fig.8 Dynamics of soil water content under different bulk density and initial water content

由图8可知，经-10℃冻结12 h和5℃融冻12 h后，土壤初始含水量和容重较小时土柱不同土层含水量变化相对较小，而土壤初始含水量和容重较大时各土层含水量变化相对较大。总体上除容重1.0 g·cm-3和含水量为23.9%处理外，其他处理剖面土壤含水量均减小，特别是5 cm处土柱含水量减少幅度较大（1%～6%），容重和初始含水量最高处理（1.4 g·cm-3和23.9%）水分减少最多。容重相同，初始含水量越高，土壤水分减少幅度越大；初始含水量相同时，容重越大，土壤水分减少幅度越大。

3 讨论与结论

研究发现，冻结和融冻过程土壤水分土柱上层均高于下层，说明土壤水分随冻结和冻融过程呈向上运动趋势，与王风等在冻融过程黑土2 m土体固液态水分含量动态特征[14]及景国臣等在东北黑土区冻融作用与土壤水分关系[15]研究结果一致。土柱中各层土壤体积和质量含水量在模拟过程中逐渐减少，下层水分普遍减少，而上层特别是大部分土柱表层土壤水分多数不变或略微增加，推测冻结和融冻过程土壤水分由下向上运动[16]；研究发现，5 cm处水分最低，出现中间“抽干”现象，尽管土柱密封，但仍有部分水分散失。

研究发现，随冻结温度降低，土壤温度和体积含水量变幅增大，上下土层温度和水分曲线距离增大，上下土层水分差变幅增大。说明冻结强度增加导致上下土层温度梯度和土水势差异增大，为土壤水分向上迁移主因。当冻结温度为-10和-20℃时，各土柱上下两层土温降至相对较低温度后，在一段时间内保持相对恒定，而此时上下土层土壤水分含量差异最大后至平衡状态。说明冻结过程土壤水分和温度相互影响，存在耦合效应[10-11]，即当土壤温度降低到一定值，土壤水势驱动下水分运动能力增加，维持土壤温度相对稳定；当土壤水分运动平稳时土层温度波动至再次平衡。本研究发现，随冻结强度增加，上下土层水分差变幅增大，水分差明显起伏，“冻结-融冻”时间增加，冻结强度越高，作用时间越长，变幅越大。冻结温度越低，上下土层温度差形成单峰曲线“峰高”值越高，说明冻结过程土壤水分迁移结果和冻结温度关系密切。容重为1.0 g·cm-3时初始水分含量越高土壤水分差变化越大。容重为1.2和1.4 g·cm-3时，土壤水分差变化复杂，大部分冻结温度较低时（-5和-10℃），含水量越底上下土层水分差变化越大；而冻结温度-20℃时，含水量次高变化最大，主要因土壤容积热容量不同，土壤水热传导过程不同[17]。

土壤养分特别是土壤中速效养分溶解于土壤水中，冻结和融冻过程导致土壤水分携同养分向表土层迁移。本研究结果表明，土壤含水量和容重与融冻过程土壤水分迁移密切相关，冻结强度越大土壤水分向上迁移越多，增加黑土耕层养分，可增加次年春季耕层土壤肥力，利于增加作物产量。春季严重融冻侵蚀过程可引发土壤养分流失，通过监测土壤水分、容重和冬季天气情况可为区域土壤水分和养分管理提供科学依据。

本研究监测长30 cm土柱不同容重、起始含水量、冻结强度对土壤水分迁移影响。研究结果可为融冻区域构建农田土壤水分养分迁移模型，管理农田土壤水分养分等提供依据，但融冻循环过程对土壤水分影响，有待后续研究验证。

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Effect of bulk density and moisture on soil moisture dynamics during the freeze-thaw process in black soil

ZHANG Shaoliang,SHEN Qingsong,WANG
Yao,HUANG Jing,MU Linlin,LIANG Jiahui(School of Resources and Environmental Sciences, NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

Laboratorial simulation was adopted to clarify how frozen temperature,soil bulk density,initial soil moisture influenced the dynamics of soil moisture during the process of freezing-thawing.This study aimed to provide a scientific reference for the management of soil moisture and nutrients in the black soil region of northeast China.The results indicated that during the frozen process,the soil temperatures at both of surface and deep layer reduced to a relatively low and then kept constantly,and a gap of soil moisture between upper and lower soil layers(GSMUL)increased firstly and then gradually decreased to a stable status at both-10 and-20℃;when soil bulk density was 1.0 g·cm-3,the initial moisture content positively related to GMSUL;when freezing temperature was-10 and-20℃,and the soil bulk densities were 1.2 and 1.4 g·cm-3,the initial soil moisture content negatively correlated to GMSUL;when frozen temperature was-20℃,and the initial soil moisturecontent with the secondary higher had the widest GSMUL.It was difficult to depict how soil temperature and bulk density influenced the soil moisture movement.However,generally,the sustainable time within a constant soil temperature increased with the initial freezing temperature,soil moisture content and soil bulk density.This was beneficial to increase the GSMUL, and increase the quantity of soil moisture movement.The GSMUL value increased at first and then decreased during the single cycle of freezing-thawing,and formed a"unimodal curve".The frozen temperature negatively correlated to the peak value.The results could provide a scientific reference for modeling the process of soil moisture migration,and can be used to guide the management of soil moisture in the freezing-thawing region.

freezing;freezing-thawing;soil bulk density;soil moisture;black soils

S155.2+7

A

1005-9369（2016）12-0048-08

时间2016-12-29 09:44 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161229.0944.002.html

2016-07-28

国家自然科学基金项目（41471228）；东北农业大学“学术骨干”项目（15XG08）

张少良（1980-），男，副教授，博士，研究方向为黑土农田景观生态过程。E-mail:shaoliang.zhang@neau.edu.cn

张少良,沈庆松,王曜,等.不同冻结强度下容重和含水量对黑土剖面水分变化特征影响[J].东北农业大学学报,2016,47(12): 48-55.

Zhang Shaoliang,Shen Qingsong,Wang Yao,et al.Effect of bulk density and moisture on soil moisture dynamics during the freeze-thaw process in black soil[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(12):48-55.(in Chinese with English abstract)