冬灌对冻融期土壤水分状况的影响 冻融过程中的土壤含水率变化
在华北大部分地区，冬小麦田及大秋作物地在越冬前一般都要进行冬灌，目的是保证整个越冬期冬小麦需水要求（主要为生态需水）及大秋作物播前有充足底墒。出于对水资源调节、农民灌水习惯和农事劳动力安排等方面的考虑，冬灌在早冬进行的频率较高，像山西省汾河灌区等大中型灌区尤为如此。冬灌后，土壤经历冬春冻融过程。冻融过程中土壤水分的迁移与转化直接影响和控制着冬灌的灌水效果，而这一问题的解决依赖于冻融过程中水热盐耦合迁移问题的研究。
1.冬灌条件下土壤水分变化的数值模拟
在灌水条件下，尽管地表的蒸发仍在继续，但蒸发量相对于地表土壤含水率而言，可以忽略不计。所以在模拟计算过程中假定，灌水过程中土壤水分运动的地表边界不再是蒸发边界，而是已知地表含水率的一类边界条件，即含水率保持不变，为某一接近饱和含水率θs的含水率θ0（取为0.95θs）。用灌水定额控制灌水时间，灌溉结束后，土壤上边界重新转化为蒸发边界。
图6-38表示1995～1996年田间试验中一个冬灌处理在冻融期土壤1 m储水量的变化过程，该试验田于1995年11月25日灌水约85 mm。灌溉后土壤经历了多次日冻融循环过程。从图中来看，储水量的计算值和实测值基本相符。由于灌溉前无降雨，表层土壤含水率很低，在灌水后土壤水分在重力作用下重新分布，迅速向下排泄，所以1 m储水量很快减少，并趋于稳定；然后在冻结作用下，下层水分向上迁移，致使储水量又有所增加；在土壤消融阶段，由于蒸发强度的加大而使储水量逐渐减小。
图6-39表示上述冬灌处理试坑 1 m 深度处土壤水分通量在整个冻融期的变化过程（向上为正）。在灌水后水分很快向下渗漏，1 m深度日渗漏量可达3.4 mm，累积渗漏量最大达到18 mm，这是灌水后1 m储水量很快消退的主要原因。之后，在稳定冻结阶段，部分灌溉水原位冻结，同时在土水势梯度作用下下层水分向上迁移，从而使1m土层累积水分通量增大；在土壤融化阶段，储存在土壤上层的水分向下迁移，补给地下水。
图6-38 冬灌试坑1 m土层储水量的变化
图6-39 冬灌试坑1 m土壤水分通量变化过程
2.冬灌定额对土壤水分变化的影响
为了了解不同灌溉定额下土壤水分迁移规律，对灌溉定额分别为0（不灌）、25 mm、50 mm、75 mm、100 mm情况下的土壤水分变化过程进行了模拟。
图6-40表示不同灌溉定额（0、50 mm、100 mm）下土壤蒸发量的累积过程。在季节性冻融期，地表封冻时间长达80～90天，此阶段大气蒸发能力及土壤的输水能力都相对较低，所以冬季土壤的蒸发能力非常有限。如图6-40 所示，尽管灌溉定额差异较大，但不同灌溉定额下的土壤蒸发量却相差较小，从12月初到次年3月20 日110 天时间内，累积蒸发量最大差值仅约8 mm。因此在水量的分析计算中，可以忽略冬灌定额对土壤蒸发量的影响。
图6-40 不同灌溉定额下土壤累积蒸发量变化过程
图6-41为不同灌溉定额下土壤1 m储水量的变化过程。从其变化规律来看，灌溉定额的影响主要表现在灌水后土壤冻结前的短时间内，灌溉定额越高，储水量变化越大。过了这段时间，不同灌溉定额土壤储水量的变化规律基本一致，即在冻结阶段增大、在消融阶段减少。不同灌溉定额曲线表现为随时间同步增减。
图6-41 不同灌溉定额下土壤1 m储水量变化过程
在冻结期末、返青期初，冬小麦的根系层深度主要发育在30～40 cm范围内，因此土壤表层水分对小麦生长至关重要。图6-42表示从地表到40 cm深度土壤平均体积含水率的变化过程。由图可见，40 cm土壤储水量变化规律与1 m储水量变化趋势基本一致，但其变化幅度相对增大。
土壤水分的运动状况除受冬灌定额影响外，还与冬灌时间有关。图6-43为冻融期相同灌溉定额（50 mm）、不同灌水时间下土壤表层（0～40 mm）及1 m土层储水量的变化。灌水时间分别为11-25和12-05。由于灌水较早的在冻前经历较长时间的土壤水分再分布过程，水分渗漏量相对较大，所以灌水较早的田块初冻及稳冻期表层土壤及1 m土壤储水量均要少于较晚灌水的情况，但在消融期两种情况下土壤墒情相差不大。考虑到早冬季节气温较高，土壤蒸发比较强烈，同时在大中型灌区，大面积的灌溉水下渗使得浅层地下水位上升，引起土壤盐分向上迁移等环境问题，所以冬灌不宜进行过早。
图6-42 不同灌溉定额下0～40 cm土壤平均含水率变化过程
图6-43 冬灌时间对冻融期土壤储水量的影响
3.冬灌的储水作用及灌溉定额的确定
土壤封冻前进行灌溉，与不灌地相比，灌溉水分一方面加大了土壤蒸发，另一方面增加了土壤储水量。根据上述分析，不同的灌水定额下冻融期土壤蒸发总量变化较小。所以，高灌溉定额的水量一部分增加了1 m土层储水量，另外一部分则增加了1 m以下土层的储水量。冬灌后，在冻融期地表蒸发总量的增加占灌水量的比例一般为10%左右；在消融后期0～1 m灌溉土层比不灌地所增加的水量约占灌水量的50%；剩余水量则增加了1 m以下土层的储水量。也就是说，冬灌的水量只有很小一部分消耗于土壤蒸发，而大部分储存于土壤之中，增加了土壤墒情，使得冬小麦在返青期初有较为充足的水分供应。因此冬灌具有明显的储水保墒作用。
图6-44表示冻融期1 m土层水分迁移总量（Q，向上为正）随灌水定额（I）的变化，随着灌溉定额的增加水分迁移量线性减小。在灌水量较小时，Q为正，表明灌溉后水分向下渗透量较小，并且上层土壤得到下层水分补给。随着灌水定额的增大，Q逐渐变小，并由正变负，表明土壤水分由向上迁移变为向下渗漏。当灌溉定额为100 mm时，土壤向下渗漏量可达12 mm。在模拟条件下，1 m深度处水分由上补变为下渗（Q由正变负）时对应的灌水定额I约为64 mm。因此，如果从提高水资源的有效利用率、减少深层渗漏、防止土壤盐渍化的角度考虑，在所模拟的气候和土壤条件下，采用64 mm的冬灌定额是比较适宜的。
图6-44 不同灌溉定额（I）下冻融期1 m土层水分迁移量
在汾河灌区，气候条件客观上决定了每年冬春季节土壤的冻融作用过程。在地下水位埋藏较浅的地区，地下水对冻结土层具有明显的入流补给作用，土壤含水率分布主要取决于地下水的蒸发量。但在地下水位埋藏较深的地区，土壤冻融期间的冻层的水分增量主要来源于冻结层下部的土壤层，也就是说冻结前土壤水分的剖面分布状况是决定播前土壤墒情的主导因素。因此，适时进行冬春灌溉，灌溉后及时采取地面覆盖等保墒措施，可以充分利用土壤的季节性冻融作用对土壤剖面的再分布过程，使土壤在融化后保持较好的墒情。这样既可以满足冬小麦的生长需要，又可保证春播作物的出苗有足够的底墒。同时，对农业水资源综合调节、扩大灌溉面积、提高灌溉效率具有一定的积极作用。
冻融条件下土壤水分运动规律的主要研究内容~
本论著是国家自然科学基金项目“水分在非饱和冻融土壤中入渗和保持的研究”、山西省水利厅农村科研费资助项目“冻融条件下地面灌溉效果及灌水技术参数研究”以及太原理工大学青年基金项目“季节性冻融过程中土壤水热耦合迁移的数值模拟及其应用研究”的综合研究成果。项目选择山西省汾河灌区为试验基地，以大量的田间土壤水分入渗和灌水试验为依据，结合冻融土壤水热盐耦合迁移的数值模拟方法，对冻融条件下土壤水分运动规律及其应用进行了系统性研究。主要内容如下。
（1）田间试验。田间试验包括入渗试验、冬灌灌水试验及土壤水热盐迁移试验。入渗试验土壤包括3种土壤质地，8种土壤结构。冬灌灌水试验对1种土壤质地、3种土壤结构进行。所有试验都在山西省汾河灌区进行，试验地点分别是山西省中心灌溉试验站、山西省汾河灌区汾东灌区和山西省汾河灌区三坝灌区。土壤水热盐迁移试验在汾河灌区三坝灌区进行，主要监测自然条件下土壤水分、温度、盐分剖面的动态变化。
（2）土壤冻结、融化规律研究。以室内外实验结果为依据，探讨3种土壤质地、5种含水率及含盐量条件下土壤冻结温度（冰点）的变化规律，分析冻融过程中土壤的温度场特征及其影响因素。
（3）冻融土壤水分入渗规律研究。以不同地表处理条件下的系列入渗试验为依据，对冻融土壤水分入渗的基本特性、阻渗机理、主要影响因素等进行全面分析。
（4）用冻融土壤常规土壤物理参数确定入渗模型参数的方法和模型研究。在对影响冻融土壤入渗特性因素充分分析研究的基础上，找出影响冻融土壤入渗特性的主导因素，建立用冻融土壤常规土壤参数确定入渗模型参数的经验模型。
（5）冻融土壤系统水分迁移规律的研究。在分析季节性冻融期雪层及土壤在冻融过程中水分、温度变化特点及其相互关系的基础上，分别建立了雪层及冻融土壤介质中水、热、盐运动基本微分方程，根据基本方程推导出雪层中的水、热迁移方程、冻土中的水热盐耦合迁移方程及反映负温下土壤未冻水含水率变化的联系方程。结合地、气间水、热交换数学模型，构成全面描述自然条件下考虑地气间水热交换的一维雪、冻融土壤系统水、热、盐耦合迁移数学模型。比较目前常用的数值计算方法，选择适合于模型求解的隐式有限差分方法，采用Newton-Raphson迭代技术建立了相应的数值模拟模型，并采用室内、外试验结果对该模型及其计算方法的正确性和可靠性进行检验和校正。以山西省汾河灌区为背景，用上述模型研究土壤的季节性冻融过程及冻结规律、冻融过程中土壤含水率的变化规律、不同潜水位条件下土壤水分迁移规律、潜水蒸发规律以及不同初始含水率条件下土壤的储水保墒规律、冻融期土壤初始含水率、冬灌对土壤墒情的影响。
（6）冬灌地面灌溉过程和技术参数研究。采用冬灌灌水试验和地面灌溉水流数值模拟相结合的方法，揭示冬灌地面畦灌的灌水过程和灌溉效果特点，建立冬灌灌水技术参数优化模型，并对提高冬灌灌水效果的灌水技术进行研究。
土壤在冻结或融化过程中，一个显著的特征就是发生水、冰或冰、水之间的相态变化，使水分子之间的位能减少或增大，从而引起向外界释放或吸收热量的能量交换过程。
图6-1 土壤季节性冻融过程示意图
汾河三坝灌区1999～2000年土壤的季节性冻融过程如图6-1所示，分为不稳定缓慢冻结阶段，快速冻结～拟稳定冻结阶段和融化阶段三个阶段。图中曲线为土壤冻结过程中冻结或融化锋面的推进过程线。该曲线反映了相变温度场在时空上的变化规律。由图6-1可见，土壤季节性冻融过程的特点表现为单向冻结和双向融化，上边界负温变化大而下边界正温变化小，冻结深度及冻融过程主要受上边界气象条件及土壤条件的制约。
冻融过程中土壤含水率的变化，严格地受着地温变化的影响。图6-2（a，b）为平遥三坝灌区试验田块越冬期土壤含水率的变化曲线。与冻融过程相对应，土壤含水率的变化也可以大致分为三个阶段。
1.土壤含水率下降阶段（12月下旬以前）
土壤在11月29日开始出现冻结现象。11月16日实施灌溉后，上层土壤含水率不断下降。12月15日以后，0～12 cm土层冻结，储水量基本稳定、略有增加，而20 cm以下土层储水量仍然下降，12月28日达到最低值。未冬灌的小区，无上述现象。
2.聚墒阶段（12月下旬～02月中旬）
随着冻层不断加厚，冻层内的储水量也开始增加。在2月的中旬含水率达到最高值，远超过聚墒前的水平。
在图6-2（a）中，有一个含水率高值区，即“聚墒区”。表明聚墒数量随时间的变化，曲线的峰值聚墒量达到极限，以后又逐渐减小。但总体上，土壤含水率仍高于聚墒前的水平。
图6-2 冻融过程土壤含水率变化曲线
未灌小区也有相似现象，开始聚墒日期与灌溉小区相近，但消退日期稍早。
3.融化阶段
随着冻层从顶、底两个方向向着中间融化，融化速率由小到大，土壤水分向下迁移，土层水量减少。各个灌溉小区下降幅度都较大，未灌溉小区不明显。
以上过程说明土壤冻融过程中确实发生了水分迁移现象。整个冻融期，土壤含水率不仅在60 cm以内发生剧烈冻融作用的土层内有显著变化，而且在下部土层中也发生了变化。
试验结果及分析
答：因此，土壤水相变量小，有效过水断面积增加的幅度小，最终导致相同入渗水温下，冻土厚度大的其H90比冻土厚度小的H90小。但H90随入渗水温增高而增大的这一趋势未变。由以上分析可以看出，在季节性冻土分布区，冬春灌溉期灌溉水温对冻融土的入渗能力有明显影响，土壤入渗能力随入渗水温的升高而增大，冻融...
土壤冻融和水分的再分配规律对旱作农田土壤水分管理有何启示
答：掌握土壤水分动态变化规律、合理安排灌溉时间、优化土壤结构、强化农田管理。1、掌握土壤水分动态变化规律：在旱作农田中，土壤水分的变化受到多种因素的影响，如气候、土壤类型、作物生长状况等。通过了解土壤冻融和水分的再分配规律，可以更好地预测和掌握土壤水分的动态变化，为农田管理提供科学依据。2、合理...
冻融土壤入渗的季节性变化特征
答：因为其含水率很低，地温低于相应含水率下土壤的“结冰点”）厚度和融化层厚度逐渐增加，土壤的储水能力增强，同时冻层对入渗水流的减渗作用随冻层层位的下移和地温的升高而减弱，土壤入渗能力逐渐增大。由于整个越冬期土壤经历多次冻融循环，土壤结构随之改变，加之春季大气的蒸发能力很强，融土的含水...
土壤质地对冻融土壤入渗特性的影响
答：图4-17A′、B′、C′所示为相应土壤冻结状态下的累积入渗过程线。可以看出冻结土壤条件下，土壤质地对土壤入渗特性的影响仍然明显。其影响趋势与非冻结土壤相似，土壤质地由轻变重，土壤入渗能力减小。2.越冬期土壤质地对冻融土壤入渗能力的影响相对稳定 其相对稳定性表现在：①越冬期间轻质土壤的90 mi...
入渗的日变化特征
答：此处,根据越冬期大田土壤入渗能力的日内跟踪试验,分析讨论冻融土壤水分入渗的日变化特性。 (一)非冻结土壤水分入渗的日变化特性 为揭示冻融土壤水分入渗的日变化特性,首先通过非冻结土壤入渗能力的日变化试验对非冻结土壤入渗的日变化进行分析。1995年11月在山西省中心灌溉试验站,分别对冬小麦地和秋耕地进行了非...
不同地下水埋深条件下冻融期间土壤入渗能力的变化过程
答：当土壤负温达到冻融期最低温度时，出现最小入渗能力。尔后，随着土壤温度的回升，入渗能力逐渐增加。②地下水埋深小的土壤的入渗能力始终小于地下水埋深大的土壤的入渗能力。③整个冻融期间，当地下水埋深小于1.5 m时，地下水埋深对土壤入渗能力的影响强烈，而当地下水埋深大于1.5 m时，地下水...
冬春季节田间土壤的冻融特点及其减渗作用
答：底部地热向上传导的影响，双向解冻。冻层厚度不断减小，土壤冻结含水率减少，直到冻层全部融解。此阶段土壤地表之下融化层达20 cm以上，冻层解冻速度较快。此阶段与双冻层阶段相比，地表解冻土层厚度加大，加之冻层整体温度回升，对入渗水流的减渗作用更为薄弱，融土入渗能力逐步恢复到冻结之前的水平。
冻(融)层厚度对冻土入渗特性的影响
答：冻（融）层厚度是综合反映季节性冻融期土壤水热状况的一个物理指标，对非饱和冻融土壤的入渗特性有很大影响。为了了解不同冻融层发育条件下土壤入渗状况，于1995～1996年冬春季节在山西省中心灌溉试验站绿豆茬地、冬小麦田和深耕绿豆地三种试验田中进行了系列入渗试验。下面仅就试验结果进行讨论。对于未...
冻融作用和淋溶作用对土壤异常的影响
答：冻融作用和淋溶作用对地表土壤元素迁移分散有重要的制约和影响。淋溶作用是导致森林沼泽区土壤元素贫化的重要因素。在多年冻土区，冻土上部界面是一个屏蔽层，从其上部通过淋溶作用淋滤下来的金属元素到此不能继续下渗，而是顺着冻土上部界面向坡下流动，在山坡坡脚渗出，形成渗湿土和渗出异常(图3－3)。表3...
冬季咸水灌溉对20到40厘米深度的土壤含盐量影响小的原因?
答：冬季气温低，土壤含水量低，渗透性低，咸水很难渗透20-40cm深度的土壤；2、冬季土壤含水量小，水分渗透的速度也较慢，灌溉前的土壤中的水分蒸发较慢，咸水的活性空间较小，触及20-40cm深度的土壤中的盐分积累较少；3、冬季土壤表层较干，咸水很难渗透深处，所以对20-40cm深度土壤含盐量影响较小。
