全 文 ： 第 vy卷 第 w期u s s s年 z 月
林 业 科 学
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土壤冻结过程中水分迁移动向的研究 3
高 永 胡春元 董 智 张秀卿
k内蒙古林学院治沙系 呼和浩特 stsst|l
关键词 } 水分迁移 o冻结滞水 o上层滞水 o含水率 o水量梯度
收稿日期 }t||{2s|2ut ∀
3基金项目 }国家自然科学基金资助项目kw|yyuss|l ∀
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土壤中除毛管水 !重力水和薄膜水外 o还有一种可供植物利用的水分 o即上层滞水和冻结滞水 ∀上
层滞水是存在于土壤包气带中局部隔水层之上的自由水 ~冻结滞水是存在于季节冻土内的固态性水
k那平山 ot||wl ∀两者常相伴存在于土壤中 o冻结滞水的融化水滞留在土壤冻结层之上而形成季节性
水资源 ∀我国三北地区多属干旱 !半干旱地带 o年蒸发量大于年降雨量 o日照强烈 o气候干燥 o土壤含水
率很低 o所栽幼苗往往因水分亏缺而难以成活 ∀如果我们能够设法提高冻结滞水和上层滞水的含量 o
准确把握土壤上层滞水含量高峰的时机 o并采用相应的造林技术措施 o对提高春季造林成活率和植物
种子萌发生长都有重要作用 ∀
1 试验研究方法
本试验土样采用原状土柱 ∀土柱高 xs¦° o底面直径 tx ¦° o在取样过程中基本保持了土壤的原始
结构 ∀所取试样系内蒙古林学院内季节冻土层中的沙壤土 !重壤土 !轻壤土和沙土 w个类型 o各土样颗
粒较为均匀 o胶结性差 ∀
将试样用底部密封的塑料袋装好 o置于低温箱中 o周围和底部用保温材料充填 o以使其在冻结过程
中能够更接近自然情况 o达到单向冻结的目的 ∀然后用与水源连结的塑料管向土壤底部注一定量的
水 o使其达到一定的底部含水量 ∀将注水后的土柱先在室温 uv ε 下搁置 uw «o以使土壤中水分迁移达
到基本平衡 o其后取土柱不同深度处的土样测其初始含水率 ∀取样后 o将土柱放入冰箱 o盖上冰箱盖 o
接通电源 o控制箱内温度在 p t{ ε 下进行冻结 ∀等土柱全部冻结后切断电源 o打开冰箱盖 o在室温下进
行单向融化 o并测定相应深度的含水率 ∀
2 结果与分析
u1t 土壤冻结过程中水分的迁移规律 实验测得的数据见表 t o土柱冻结后从表层向下土壤含水率大
都有不同程度的提高 o且随土壤质地 o土层深度和外界环境的不同 o其含水率的变化也不同 ∀
表 1 冻结前后土壤含水率变化情况
Ταβ .1 Χηανγε οφ σοιλ ωατερ χοντεντ βεφορε ανδ αφτερ φρεεζε
土 样 ≥²¬¯¶¤°³¯¨ 沙 壤 土≥¤±§¼ ²¯¤°
重 壤 土
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轻 壤 土
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沙 土
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土层深度
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冻结前含水率
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ty qtz ty qzw us qts t{ qxt t| qst ut qzu tv qww tv qzu tw qxw { qxt | qvx tx qx{
冻结后含水率
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t{ qt{ t{ qvu uw qzu ut q|u uu qzv uw qxu ty qxx tx q{t ty qwz { qu| ts qux | q|x
含水率变化量
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º¤·¨µ¦²±·¨·±k h l
u qyw t qx{ w qyu v qwt v qzu u q{s v qtt u qs| t q|v p s quu s q| p x qyv
当土壤发生单向冻结时 o土柱从上到下出现了较大的温度梯度 o土体中水分将发生定向迁移 o从而
破坏了土体中的水量平衡 o使其水分场发生了重新分布 o水分从土壤暖端向冷端迁移 o使土壤上层的含
水率较冻结前有所提高 ∀
从表 t中我们可以看出 o在 s ∗ x ¦°的范围内 o壤土和沙壤土的含水率有较大的增加 o而沙土在接
近表层很小的深度内 o其冻结后含水率反而变小 ∀对壤土而言 o当环境温度在 p t{ ε 时进行单向速冻 o
表层土壤迅速冻结 o结果一方面使土壤表层产生较大水量梯度 o上部的水量小于下部的水量 o水分沿毛
细管上升速度加快 o在冻结锋面形成冰晶 ~另一方面由于土壤表层冻结 o在冻结锋面形成的冰晶和水交
界面处产生弯曲界面 o使毛细管作用增强 o吸引下部水分向冻结锋面移动 ∀壤土的保水性较沙土强 o速
冻时表层水分不易汽化脱离土壤 o或汽化量小于从下层迁入到该层的水量 o因而冻结后土壤含水率明
显增加 ∀沙土表层之所以冻后含水率减小 o是因为沙土的保水性很差 o当沙土在低温下进行速冻时 o沙
土表层的水分因突然遇到低温而迅速汽化脱离土壤 o下层水因毛管作用弱而迁入量小于其表层的汽化
量 o结果其含水率反而比冻前降低 ∀
从表 t中还可以看出 o壤土含水率冻结前后的变化量随土层的深度加大而有减小趋势 ∀这种变化
与壤土的冻结过程有关 ∀土柱在冻前被搁置在室温下 o土粒和所含水分温度均和环境温度接近 ∀当把
土柱突然置于 p t{ ε 的低温箱中后 o土壤温度不可能立即降低到冻结温度 o其间有个消耗土壤及其水
分放出潜热的过程 o这期间土层温度梯度和水量梯度已经出现 o土壤下层毛管水开始向上运动 o上层土
壤含水率提高 ∀中层土壤因水分向上迁移而含水率降低 o其下水分因水量梯度小而不能及时地补给中
层土壤 ∀土壤温度降低到冻结温度时土柱上端开始冻结 o随冰晶的出现而形成了毛细管模型 o下层水
分继续向上迁移 o且迁移面随着冻结锋面的下移而向下缩小 o中部土壤水分增加量还未达到表层土壤
的增加量 o冻结锋面就经过该区 o土壤冻结 ∀这种动态变化将进行到土柱全部冻结为止 ∀土壤含水率
变化量随土柱深度而变化的这种情况随土壤质地不同也略有差异 ∀一般土壤保水性好 o毛管作用强 !
粘性较大的土壤含水率变化量随土层深度变化值小 ∀而保水性差 o毛管作用弱 !粘性较小的土壤其含
水率变化量随土层深度的变化而有较大的差别 ∀对沙土而言 o含水率变化较壤土有很大的差别 ∀沙土
孔隙直径大 o毛细管作用弱 o保水性差 ∀对沙土进行速冻时 o上部同样会产生水量梯度和和毛细管模型
的作用 ∀中部水分迅速向上迁移 o而下部水分因重力作用对水分迁移的影响大于毛细管作用和水量梯
度对水分迁移的影响 o下部水分难以及时地补给中部水分的损失量 o便在沙土土柱中部出现一定区域
的脱水区 ∀在冻结锋面向下迁移过程中 o有一部分下部水分迁移到该区 o但其含水率仍低于冻前的初
始含水率 ∀从表 t中可以看出 ow种土样的这种差别大小排序为 }沙土 沙壤土 轻壤土 重壤土 ∀
u1u 土壤冻结过程中影响水分动态的因素 土壤冻结过程中水分的动态变化受诸多因素的影响 o最
主要的因素有土壤质地 !土壤含水率 !土壤温度梯度和地下水埋深 ∀
ktl土壤质地对水分动态的影响 土壤颗粒粗 o毛管作用弱 o在冻结过程中水分迁移慢 o迁移水量小 o冻
结滞水的含量则低 ∀土壤粒径小 o毛管作用强 o冻结过程水分的迁移快 o迁移水量大 o冻结滞水的含量
就高 ∀根据内蒙古河套地区调查的结果见表 uk那平山等 ot||wl o可以看出潜水埋深相近的重壤土 !壤
土和沙土 o在土壤冻结前后其含水率的变化量重壤土最大 o壤土次之 o沙土最小 ∀其原因乃土壤质地不
zut 第 w期 高 永等 }土壤冻结过程中水分迁移动向的研究
同所致 ∀
表 2 内蒙古河套地区冻结期土壤含水率
Ταβ .2 Σοιλ ωατερ χοντεντ δυρινγ φρεεζινγ ον Ηεταο ρεγιον οφ Ιννερ Μονγολια
点号
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土 样
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冻结初期ktt月 ut日l
…¨ ª¬±±¬±ª²©©µ¨ ½¨¨ kutrttl
冻结终期ku月 u{日l
∞±§²©©µ¨ ½¨¨ ku{rul
潜水埋深
Šµ²∏±§ º¤·¨µ
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含水率
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¦²±·¨±·k h l
潜水埋深
Šµ²∏±§ º¤·¨µ
¯¨ √¨¯k°l
含水率
≥²¬¯ º¤·¨µ
¦²±·¨±·k h l
含水率变化值
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º¤·¨µ¦²±·¨±·
tt 重壤 ‹ ¤¨√¼ ²¯¤° t quu vs qw u qzv ws qy ts qu
uu 沙壤 ≥¤±§¼ ²¯¤° t qw| u{ qw u q{v vu qw w qs
vs 壤土 ²¤° t qv{ u| qy u qyz vy qt y qx
vw 沙土 ≥¤±§¼ ¶²¬¯ t qvs vt q| u qzu vy qy w qz
tut 沙壤 ≥¤±§¼ ²¯¤° t q|v u| q{ u qyv vs qt s qv
kul土壤含水率对冻结土壤水分动态的影响 土壤原始含水率低 o则在冻结时要消耗掉水分的潜热量
小 o土壤冻结速度快 o冻结锋面的水分迁入量小 o加上冻结层土壤原始含水率低 o冻结滞水含量就小 ∀
若土壤原始含水率高 o冻结时要消耗的潜热量大 o冻结速度慢 o迁移到冻结锋面的水分多 o冻结滞水含
量大 ∀
kvl温度梯度对水分动态的影响 温度梯度是导致水量梯度产生的一个直接原因 ∀根据徐学祖 !11
奥利丰特和 „1 • 1 泰斯的研究结果kt|{xl o温度梯度可看作是一种外力 o它造成了冻结土柱中水分迁
移的土壤水量梯度 o温度高的地方土壤水量大 o温度低的地方土壤水量小 ∀在土壤水量梯度作用下 o土
壤中的未冻水沿着温度降低的方向迁移 o迁移量的大小随温度梯度的增大而增加 ∀
kwl地下水埋深对土壤冻结时水分动态的影响 调查发现 o随着地下水位的升高 o土壤的冻结滞水变
大 ∀这是由于地下水位越高 o土壤冻结过程中的水分迁移量就越大k徐伯孟 ot|{yl o水相变成冰相时析
出的潜热就多的缘故 ∀
3 冻结滞水在春季造林中的应用
v1t 把握造林时机 春季气温回升 o土壤开始解冻 o冻土上层冻结滞水首先转化为上层滞水 ∀当土壤
解冻到一定程度时 o地面变得松软 o下层依然冻结 o融土中的含水量达到最大 o土壤进入返浆期 ∀春季
造林应抓住这一有利时机 o适时造林 o可大大提高造林成活率 ∀若造林过早 o土壤融冻层很薄 o达不到
造林深度 o则对幼苗的成活不利 ∀若造林时间太晚 o土壤全部解冻 o上层滞水下渗 o加上表面蒸发 o土壤
含水率下降 o则不能很好地利用冻结滞水 o达不到提高造林成活率的目的 ∀
v1u 掌握栽植深度 从实验可以看出 o在土层不同深度处 o上层滞水含量亦不同 ~不同土壤在返浆期
含水率高峰区亦有不同 ∀在造林时应因地制宜地选取适宜的栽植深度和造林方法 o使根系分布于高含
水量层 o以保证植株的成活和生长 ∀
参 考 文 献
那平山 o徐树林 1 关于冻结滞水的探讨 1 内蒙古林学院学报 ot||w otykul }wy ∗ xt
那平山 o徐树林 1 冻结滞水形成机制的探讨 1 冰川冻土 ot||y ot{kvl }uzv ∗ uz{
徐学祖 o奥利丰特 o„ • 泰斯等 1 线性温度梯度下非饱和冻结莫玲粘土中的水分迁移 1 冻川冻土 ot|{x ozkul }ttt ∗ tut
徐伯孟 1 关于土的冻深与基础浅埋问题 1 冻川冻土 ot|{y o{kvl }uw| ∗ uxu
{ut 林 业 科 学 vy卷