土壤中除毛管水、重力水和薄膜水外, 还有一种可供植物利用的水分, 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(那平山, 1994)。两者常相伴存在于土壤中, 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, 年蒸发量大于年降雨量, 日照强烈, 气候干燥, 土壤含水率很低, 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, 准确把握土壤上层滞水含量高峰的时机, 并采用相应的造林技术措施, 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50 cm, 底面直径15 cm, 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4个类型, 各土样颗粒较为均匀, 胶结性差。

将试样用底部密封的塑料袋装好, 置于低温箱中, 周围和底部用保温材料充填, 以使其在冻结过程中能够更接近自然情况, 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, 使其达到一定的底部含水量。将注水后的土柱先在室温23 ℃下搁置24 h, 以使土壤中水分迁移达到基本平衡, 其后取土柱不同深度处的土样测其初始含水率。取样后, 将土柱放入冰箱, 盖上冰箱盖, 接通电源, 控制箱内温度在-18 ℃下进行冻结。等土柱全部冻结后切断电源, 打开冰箱盖, 在室温下进行单向融化, 并测定相应深度的含水率。

2 结果与分析 2.1 土壤冻结过程中水分的迁移规律

实验测得的数据见表 1, 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, 且随土壤质地, 土层深度和外界环境的不同, 其含水率的变化也不同。

当土壤发生单向冻结时, 土柱从上到下出现了较大的温度梯度, 土体中水分将发生定向迁移, 从而破坏了土体中的水量平衡, 使其水分场发生了重新分布, 水分从土壤暖端向冷端迁移, 使土壤上层的含水率较冻结前有所提高。

从表 1中我们可以看出, 在0 ~ 5 cm的范围内, 壤土和沙壤土的含水率有较大的增加, 而沙土在接近表层很小的深度内, 其冻结后含水率反而变小。对壤土而言, 当环境温度在-18℃时进行单向速冻, 表层土壤迅速冻结, 结果一方面使土壤表层产生较大水量梯度, 上部的水量小于下部的水量, 水分沿毛细管上升速度加快, 在冻结锋面形成冰晶; 另一方面由于土壤表层冻结, 在冻结锋面形成的冰晶和水交界面处产生弯曲界面, 使毛细管作用增强, 吸引下部水分向冻结锋面移动。壤土的保水性较沙土强, 速冻时表层水分不易汽化脱离土壤, 或汽化量小于从下层迁入到该层的水量, 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, 是因为沙土的保水性很差, 当沙土在低温下进行速冻时, 沙土表层的水分因突然遇到低温而迅速汽化脱离土壤, 下层水因毛管作用弱而迁入量小于其表层的汽化量, 结果其含水率反而比冻前降低。

从表 1中还可以看出, 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, 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-18 ℃的低温箱中后, 土壤温度不可能立即降低到冻结温度, 其间有个消耗土壤及其水分放出潜热的过程, 这期间土层温度梯度和水量梯度已经出现, 土壤下层毛管水开始向上运动, 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, 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, 随冰晶的出现而形成了毛细管模型, 下层水分继续向上迁移, 且迁移面随着冻结锋面的下移而向下缩小, 中部土壤水分增加量还未达到表层土壤的增加量, 冻结锋面就经过该区, 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, 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, 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, 含水率变化较壤土有很大的差别。沙土孔隙直径大, 毛细管作用弱, 保水性差。对沙土进行速冻时, 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, 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, 下部水分难以及时地补给中部水分的损失量, 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, 有一部分下部水分迁移到该区, 但其含水率仍低于冻前的初始含水率。从表 1中可以看出, 4种土样的这种差别大小排序为:沙土>沙壤土>轻壤土>重壤土。

2.2 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, 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。

(1) 土壤质地对水分动态的影响  土壤颗粒粗, 毛管作用弱, 在冻结过程中水分迁移慢, 迁移水量小, 冻结滞水的含量则低。土壤粒径小, 毛管作用强, 冻结过程水分的迁移快, 迁移水量大, 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 2(那平山等, 1994), 可以看出潜水埋深相近的重壤土、壤土和沙土, 在土壤冻结前后其含水率的变化量重壤土最大, 壤土次之, 沙土最小。其原因乃土壤质地不同所致。

(2) 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, 则在冻结时要消耗掉水分的潜热量小, 土壤冻结速度快, 冻结锋面的水分迁入量小, 加上冻结层土壤原始含水率低, 冻结滞水含量就小。若土壤原始含水率高, 冻结时要消耗的潜热量大, 冻结速度慢, 迁移到冻结锋面的水分多, 冻结滞水含量大。

(3) 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、J. L.奥利丰特和A. R.泰斯的研究结果(1985), 温度梯度可看作是一种外力, 它造成了冻结土柱中水分迁移的土壤水量梯度, 温度高的地方土壤水量大, 温度低的地方土壤水量小。在土壤水量梯度作用下, 土壤中的未冻水沿着温度降低的方向迁移, 迁移量的大小随温度梯度的增大而增加。

(4) 地下水埋深对土壤冻结时水分动态的影响  调查发现, 随着地下水位的升高, 土壤的冻结滞水变大。这是由于地下水位越高, 土壤冻结过程中的水分迁移量就越大(徐伯孟, 1986), 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 3.1 把握造林时机

春季气温回升, 土壤开始解冻, 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, 地面变得松软, 下层依然冻结, 融土中的含水量达到最大, 土壤进入返浆期。春季造林应抓住这一有利时机, 适时造林, 可大大提高造林成活率。若造林过早, 土壤融冻层很薄, 达不到造林深度, 则对幼苗的成活不利。若造林时间太晚, 土壤全部解冻, 上层滞水下渗, 加上表面蒸发, 土壤含水率下降, 则不能很好地利用冻结滞水, 达不到提高造林成活率的目的。

3.2 掌握栽植深度

从实验可以看出, 在土层不同深度处, 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, 使根系分布于高含水量层, 以保证植株的成活和生长。