農業凍土冰含量測量方法試驗研究

摘" 要：農業凍土中的冰含量作為凍土凍融過程的關鍵變量之一，影響著土壤水分動態變化、土壤養分流失和農田生態環境維穩等。根據質量守恒原理和體積變換關系，自制一種農業凍土冰含量測量的試驗裝置，進行-20、-25、-30 ℃和土壤含水率為15.7%、23.5%、31.4%的冰含量測量試驗。結果表明，農業凍土樣品中冰含量隨凍結溫度降低冰質量含量增加。凍結溫度達到-30 ℃時，冰質量含量達到一個恒定的峰值。相同凍結溫度不同含水率狀態下，冰質量含量百分比趨于一個平均值，且最大值和最小值之差約為2%。

關鍵詞：農業；凍土；冰含量；測量；凍結溫度

中圖分類號：S271" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0080-04

Abstract： As one of the key variables in the freezing and thawing process of agricultural permafrost， the ice content in agricultural permafrost affects the dynamic change of soil moisture， the loss of soil nutrients and the stability of farmland ecological environment. According to the principle of mass conservation and volume transformation， a self-made experimental device for measuring ice content in agricultural frozen soil was made， and ice content measurements were carried out at-20，-25， and -30 ℃ and soil moisture content of 15.7%， 23.5% and 31.4%. The results show that the ice content in agricultural frozen soil samples increases with the decrease of freezing temperature. When the freezing temperature reaches -30 ℃， the mass content of ice reaches a constant peak. At the same freezing temperature and with different moisture content， the percentage of ice mass content tends to be an average， and the difference between the maximum value and the minimum value is about 2%.

Keywords： agriculture; frozen soil; ice content; measurement; freezing temperature

凍土是指具有負溫且含冰的各類土，由土壤顆粒、冰、液相水和氣體組成[1]。按凍結保持的時間分為短時凍土、季節性凍土和多年凍土。其中季節性凍土面積占全國總面積的53.5%[2]。季節性凍土凍融過程中，土壤的物理特性會發生改變，如土壤顆粒的重新排列、土壤結構的改變等，影響了土壤肥力和通透性，不利于農作物生長。解凍過程中下層土壤解凍速度比上層土壤解凍速度遲緩，中間形成不透水層，土壤水分滲透性下降，導致耕作層土壤過濕，地溫較低，推遲了農作物播種時間。土壤水分運移和根系生長速度減緩，導致土壤墑情不佳，限制農作物吸收養分和水分的能力，抑制土壤微生物繁衍及代謝活動，導致農作物正常生長緩慢，產量和品質下降。此外，農業生產中的灌溉定額、旱澇、地下補水和農田水利設施等均受到一定的影響[3-8]。因此，掌握季節性凍土凍融信息，減輕季節性凍土對農業的危害，調整農事活動和指導農業生產具有重要意義。

冰作為凍土凍融信息的關鍵變量之一，對溫度和壓力極其敏感[9]。在不同的氣候環境條件下農田凍土中的冰與未凍水在季節性凍融過程中發生相互定量轉化。冰含量的變化相當于液態水的動態儲量，也等價于熱量的動態變化[10]。因此，準確測量農業凍土中的冰含量，利于揭示出凍土區土壤水分變化規律，有助于決策出合理的農田規劃、優化耕作土壤水分管理，減少耕作土壤侵蝕和養分流失，維穩農田生態環境等。

1" 試驗方法

1.1" 試驗原理

針對單相物質，可根據測量該物質體積和質量2個物理量，通過質量和體積關系，確定該物質密度。若為3種混合物時，通過稱重設備測量混合物質量，采用體積測量裝置測量混合物總體積，因此，可單獨構建出混合物中各物質間的質量和體積關系。就三相混合物而言，各相物質物理性質穩定。將混合物中一相物質分離出來，測量分離相物質體積，建立剩余兩相物質的總質量和總體積關系，即可確定分離相物質在三相混合物中的含量。凍土是由土壤、冰、水、空氣組成的三相混合體系，該混合體系中各物質之間的質量和體積的關系為（空氣質量可以忽略）

1.2" 試驗裝置

基于上述試驗原理，設計出一個總高為197 mm，壁厚為3 mm的有機玻璃試驗裝置。整個裝置由上端蓋和下底座兩部分組成，通過10 mm長的螺紋連接組裝成一體。上端蓋的下部為內徑100 mm、高20 mm的圓柱體，中部為內徑100 mm、高25 mm、傾角為30°的圓臺體，上部為內徑10 mm、高80 mm的圓柱體，且在上部圓柱體69 mm處為體積示意刻度線。下底座由內徑為100 mm、高為72 mm的圓柱體構成。裝置結構示意圖如圖1所示。

1.3" 試驗材料

試驗中凍土樣品所用的土壤為吉林農業大學試驗田里種植蔬菜的黑土。將取樣土壤置于室外陽光下自然風干。風干后的土壤需清除土壤中的固體雜質，揉碎較大的團狀土壤顆粒，利用不同目數的土壤篩分工具（圖2）通過人工篩分，選取0～0.2 mm粒徑范圍的土壤顆粒，該土壤平均干密度為1.59 g/cm3。將篩分后的土壤平鋪放入托盤中，將載有篩分后土壤的托盤放置于設定溫度為105 ℃的恒溫干燥箱中（圖3）烘干至恒重時取出。待常溫冷卻后，稱取平均重量60 g的土壤為一份，每份土壤均勻地平鋪在固定大小的保鮮膜上，用噴霧器將10、15和20 mL純凈水分多次噴灑在土壤表面，觀察土壤潤濕情況，待其均勻混合。用保鮮膜包裹混合好的土樣（圖4），多次壓緊密實保鮮膜確保排出空氣后，放入設定參數為-30～-20 ℃的超低溫冰箱中（圖5）進行凍結，制備出試驗所需凍土樣品。

2" 試驗結果及分析

試驗設計凍結溫度為-20、-25、-30 ℃的情況下，分別測量加水量為10、15、20 mL時凍土樣品中的冰質量含量。同一凍結溫度和加水量相同情況下重復測量3～4次，取其平均值，結果如圖6—圖8所示。由圖可知，當土樣加水量相同時，隨著凍結溫度降低凍土樣品中的冰質量含量增加。根據質量守恒原理，凍土樣品中的未凍水含量會相應降低，與楊錫熠、路建國、孫顏頂、王炳祿等試驗結論相同[11-14]。當凍結溫度為-30 ℃時，凍土樣品中的冰質量含量達到一個最大的恒定值，說明凍土中的水基本完全相變成冰。當凍結溫度為-20 ℃，凍土樣品中的冰質量含量最低，說明加入的水并未完全凍結且含量較高。當凍結溫度相同時，土樣初始加水量為10 mL時，凍土樣品中的冰質量含量最低。土樣初始加水量為20 mL時，凍土樣品中的冰質量含量最高。隨著加入水量的增加，冰質量含量呈增大趨勢，說明土樣中水分在未飽和至飽和區間進行凍結時，被凍結的水質量含量也隨之增加。這是因為凍土在負溫條件下冰含量的變化與溫度、顆粒特性及微觀結構密切相關。

針對3種不同含水率的土壤，當土壤凍結溫度為-30 ℃時，如圖9所示，凍土樣品中的未凍水含量較低，與應賽、鄧世磊、羅豪良、樊華等試驗結果基本相同[15-18]，說明當凍結溫度為小于-30 ℃時，凍土中的未凍水含量不受含水率影響，達到某一臨界值后，土壤中的水幾乎全部相變成冰。當土壤含水率為31.4%時，凍土樣品的未凍水含量為負值，其絕對值趨于零。說明試驗過程中存在一定誤差，主要有2方面原因：其一為配置樣品時，加水量的數值需要通過肉眼觀察刻度讀取，讀取視線在非完全水平狀態下會出現讀取數據偏差；其二為凍土樣品待室溫下靜止完全解凍后，需通過肉眼讀取測量裝置的體積變化刻度值，同樣會出現讀取數據偏差。

依據試驗原理和試驗裝置測得凍土中冰體積的變化量，由式（8）可以計算出冰質量含量，每3次測量為一組并取平均值，采用平均值即可計算凍土樣品中冰質量百分比，如圖10所示。由圖10的試驗結果表明，配置凍土樣品加入相同水量的情況下，得到的冰含量都趨于一致，最大值和最小值相比較，相對誤差約為2%。說明該試方法可以較為準確地測量得到凍土樣品中的冰含量值。

3" 結論

1）土壤含水率相同的情況下，農業凍土樣品中的冰質量含量受凍結溫度影響，且隨著凍結溫度降低冰質量含量增加。凍結溫度相同的情況下，隨著土樣中水分含量的增加，農業凍土樣品中的冰質量含量增加。當凍結溫度達到-30 ℃時，農業凍土樣品中的冰質量含量達到一個最大的恒定值。同時凍土樣品中的未凍水含量較低。

2）相同凍結溫度不同土樣含水率的情況下，農業凍土樣品中的冰含量百分比趨于一個平均值，且相對誤差約為2%，測量方法較準確。

參考文獻：

[1] 馬巍，王大雁.凍土力學[M].北京：科學出版社，2014.

[2] 徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京：科學出版社，2010.

[3] 呂愛麗，霍治國，楊建瑩.季節性凍土的分布與變化特征及對多樣性農區農業生產的影響[J].中國農業資源與區劃，2021，42（7）：99-109.

[4] 戴長雷，于淼，宋成杰，等.凍土水文地質學研究進展[J].南水北調與水利科技（中英文），2022，20（4）：782-801.

[5] 付強，李慶林，李天霄，等.農田土壤凍融過程的水土環境效應理論與實踐研究[J].黑龍江大學工程學報，2021，12（3）：164-175.

[6] SONG X， MIAO L， JIAO X，et al. Regulating Vapor Pressure Deficit and Soil Moisture Improves Tomato and Cucumber Plant Growth and Water Productivity in the Greenhouse[J]. Horticulturae，2022，8（2）：147.

[7] WANG T， YANG D， YANG Y， et al. Permafrost thawing puts the frozen carbon at risk over" the Tibetan Plateau[J]. Science Advances，2020，6（19）：3513.

[8] 鄭策，高萬德，陳云飛，等.季節性凍土區包氣帶水汽熱耦合運移研究進展[J].農業工程學報，2022，38（24）：110-117.

[9] 王自力，李金峰，滕繼東，等.基于未凍水膜壓力判據的凍土水熱力耦合凍脹模型研究[J].巖土工程學報，2023，45（5）：997-1007.

[10] 付強，馬梓奡，李天霄，等.覆蓋物對凍融土壤熱量空間分布與傳遞效率的影響[J].農業機械學報，2018，49（2）：292-298.

[11] 楊錫熠，單煒，郭穎，等.基于差示掃描量熱法的哈爾濱黏土未凍水含量特性[J].科學技術與工程，2023，23（9）：3925-3936.

[12] 路建國，張明義，張熙胤，等.凍融過程中未凍水含量及凍結溫度的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2017，36（7）：1803-1812.

[13] 孫顏頂，劉波，張靜濤，等.凍融狀態下粉質黏土電阻率、未凍水含量及溫度關系[J].中國礦業大學學報，2023，52（1）：52-62.

[14] 王炳祿，劉欣，沈宇鵬，等.飽和砂礫土未凍水含量預測模型的適應性分析[J].鐵道建筑，2023，63（11）：116-121.

[15] 應賽，夏曉舟，文桃，等.基于核磁共振技術的土體凍結特征曲線試驗研究[J].巖土工程學報，2024，46（3）：1-10.

[16] 鄧世磊，萬旭升，路建國，等.粉質黏土未凍水含量預測模型及參數變化規律研究[J].公路交通科技，2021，38（11）：28-36.

[17] 羅豪良，滕繼東，張升，等.凍土未凍水含量與電導率的關系研究[J].巖石力學與工程學報，2021，40（5）：1068-1079.

[18] 樊華，曹廣勇，楊溢，等.飽和砂土低溫未凍水演化規律分析[J].蘭州工業學院學報，2022，29（3）：18-22.