土壤冻融循环伴随水分相变、水热传输和盐分积累等过程^[1-3]。冬灌直接改变冻融期间土壤水分、温度和土壤理化性质等，可有效降低土壤盐分，是治理土壤盐渍化的重要措施^[4]，也间接影响作物生长和产量。针对冻融期土壤水热盐运移规律及对作物生长影响，Hou等^[5]建立了室内单向冻结试验，有效地识别了冻结过程中土壤水热盐的变化特征及其相互作用；李晶等^[6]通过探究冻融期干旱荒漠区不同开垦年限的农田土壤水热变化特征，揭示冬灌对土壤水热变化及农田水量平衡的影响；王海霞等^[7]通过野外田间灌溉试验探讨了微咸水对土壤水盐分布特征及冬小麦生长、产量、光合作用特性的影响，并提出了土壤水盐调控措施。Feng等^[8]研究表明土壤盐分、粮食产量与灌溉水盐分之间存在显著的指数关系。目前，针对不同条件下非冻融期土壤水热盐迁移规律的研究较多，而考虑冬灌和冻融条件下土壤水热盐迁移规律及对作物生长影响的研究较少。

中国季节性冻土主要分布在北纬30°以北的干旱和半干旱地区，这些地区土壤季节性冻融所诱发的土壤积盐是造成土地盐渍化的重要组成部分^[9]。宁夏盐碱土主要分布在北部的引黄灌区，该区盐渍化耕地面积占现有耕地面积的48.93%，其轻、中、重度盐渍土土壤面积比例为2.1∶1.4∶1.0，土壤盐碱化制约着该区农业的发展^[10-12]。本研究在宁夏引黄灌区青铜峡灌区选取气候、土壤、管理方式接近的试验田开展试验，研究冬灌对冻融期土壤水热盐分布及作物生长影响，旨在揭示冬灌和冻融条件下土壤水热盐的再分布规律及其对作物生长影响，为土壤盐渍化的治理和农业生产提供科学依据。

青铜峡灌区位于宁夏平原北部(105°85′—106°90′E，37°74′—39°25′N)，南起青铜峡水利枢纽，北至石嘴山，西抵贺兰山脉，东至鄂尔多斯台地西缘，总土地面积为6 239 km²，是中国最古老的特大型灌区之一^[13]，灌区主要土壤类型是灌淤土、盐渍土和淡灰钙土。灌区地处中温带干旱区，属典型温带大陆性气候，日照充足，蒸发强烈，昼夜温差大，年均气温8~9 ℃，年均蒸发量1 000~1 550 mm，年均降水量180~220 mm，时空分布极不均匀。夏季降雨多，农田淋洗脱盐，春、秋季节蒸发量大于降水量，土壤返盐，土壤盐渍化状况随季节变化呈周期性特点。试验田选取贺兰山农牧场典型粉壤土地块，地下水埋深介于1.30~2.34 m，灌溉水矿化度为448 mg/L，田间持水量为21.2%(质量含水率)，pH值为8.23，全盐量为3.34 g/kg，钠吸附比(SAR)为4.93(mmol/L)^1/2，盐渍化程度较弱。土壤有机质含量17.73 g/kg，全氮1.18 g/kg，速效氮51.20 g/kg，速效磷9.85 mg/kg，速效钾77.23 mg/kg，土壤肥力较差。灌区土壤一般12月初开始冻结，次年3月中旬融沉结束，冻结时间3~4个月。

试验时间为2018年10月25日至2020年10月3日。在总面积约0.28 hm²的两块临近试验农田设置冬灌和非冬灌对比试验，对不同土层深度的土壤温度和含水率每间隔1 h传输一次实时数据。小麦生长周期为3月15日至7月20日，玉米生长周期为4月28日至10月3日，对小麦和玉米的株高与产量监测分别取5组重复，其中，株高监测每组取10个样点，产量监测每组取样面积为23.2 m²。电导率(盐分)和其他土壤理化指标随机选择6个样点分别采集土样混匀成1个混合土样密封带回实验室测得，气象数据采用试验场邻近的惠农气象站监测数据。

观测试验田深度为10，30，50，70，90 cm的土壤温度、水分和盐分，盐分在此基础上增加了地表(0 cm)和110 cm处的观测。根据灌溉管理处实际统计资料，在2018年11月4日进行冬灌，灌溉量预设为2 250 m³/hm²。采用土壤温度监测仪和土壤水分速测仪(TDR时域反射仪)监测土层温度和含水率变化情况，将温度和含水率传感器分别埋入对应深度土层，设置测定间隔为1 h。TDR测量含水率的原理是利用电磁脉冲在土壤中的传导速度与介电常数之间的函数关系，通过介电常数来推算未冻水的体积含水率^[14]。在冬灌前(2018年11月1日)、冬灌后(2018年11月24日)和冻融期后(2019年3月25日) 钻土取样测量电导率值，有研究表明，土壤电导率与盐分含量呈正相关关系^[1]。本研究取土样风干研磨后过1 mm筛，采用土水混合1∶5配置，震荡仪震荡3 min后静置30 min提取上清液并使用DDS-307雷磁电导率仪测定电导率值，通过所测土壤浸出液的电导率值来反映土壤含盐量的高低。2018年10月25日试验开始后进行2019年和2020年作物生长情况的监测，小麦和玉米种子同等处理后种植在相应的冬灌和非冬灌试验田里，生长期间进行相同的除草和施肥作业，作物成熟后通过鲜产量与作物含水量的关系计算作物产量。

气温与土壤剖面温度随时间变化见图 1。气温变化是导致土壤冻融现象出现的主要原因。土壤冻结深度随着气温的降低不断加深，浅层土壤温度随气温变化较为剧烈，土层越深，变化越平缓，冻融期土壤温度呈先下降后上升的趋势，同气温变化趋势一致。根据土壤冻结特征，将土壤冻融期划分为冻结期、稳定期和消融期3个阶段。冻融期3个阶段土壤剖面的典型特征见图 2。冻结期是从土壤表层出现负温开始，表层土壤开始冻结至50 cm土层冻结，此阶段土壤温度不断降低，冻深不断增加，当冻深超过50 cm时逐渐稳定(图 2a，2b)。稳定期是从50 cm土层出现负温至地表或50 cm土层完全回暖到0 ℃以上。从冻结层开始融化至完全消融为消融期。消融期土壤冻结层从地表向下和下部向上同时消融(图 2c)，当土壤剖面深30 cm处温度回升至0 ℃以上时，冻结层完全消融，整个冻融期共历时98 d。冬灌与非冬灌农田冻融期土壤剖面温度变化特征基本一致(图 1)。整体上，土壤温度变幅小于空气温度变幅，土壤温度随气温的变化趋势具有滞后性。

图 1 气温、地温、降水随时间变化 Figure 1 Temperature, ground temperature and precipitation change with time

图 2 冻融期土壤剖面温度变化特征 Figure 2 Variation characteristics of soil profile temperature during freeze-thaw period

土壤剖面深10，30，50 cm处的冻结时间依次滞后于气温低于0 ℃的时间为6，22，48 d，消融时间依次滞后于气温回升至0 ℃以上的时间为13，23，1 d(图 1)。由此可见，土层越深，土层的冻结时间滞后越长，且消融速度比冻结速度快。冬灌和非冬灌农田土壤温度统计分析见表 1。由图 1和表 1可以看出，冬灌前冬灌农田与非冬灌农田土壤温度变化规律基本一致。冬灌降低土壤剖面温度，其中10 cm土层温差最大为1.72 ℃，70 cm土层温差最小，最大温差为0.92 ℃。冻结期10—70 cm土层，非冬灌农田土壤温度略高于冬灌农田，随着土层深度增加，温度差异越来越小。研究期间90 cm土层非冬灌农田土壤温度明显高于冬灌农田。此外，冬灌农田各层土壤温度的标准差和变差系数均大于非冬灌农田，说明冬灌农田土壤温度受气温影响波动幅度大于非冬灌农田。土壤剖面越深，土壤温度的标准差与变差系数越小，说明土壤温度波动幅度随土层加深不断减小，气温对土壤温度的影响随着土层深度的增加而递减。

表 1 Table 1

表 1 土壤温度统计分析结果 Table 1 Statistical analysis results of soil temperature 处理 深度/cm 最小值/℃ 最大值/℃ 均值μ/℃ 标准差S/℃ 变差系数Cv 冬灌 10 -3.6 11.6 0.96 4.03 4.20 30 -2 11.8 1.74 3.7 2.13 50 -0.5 12.4 2.76 3.73 1.35 70 0.9 13.3 4.07 3.64 0.89 90 1.9 13.9 5.17 3.57 0.69 平均值 -0.66 12.6 2.94 3.73 1.85 非冬灌 10 -3.04 11.27 1 3.78 3.78 30 -1.8 11.95 1.87 3.69 1.97 50 -0.13 12.51 3 3.57 1.19 70 1.12 13.37 4.2 3.55 0.85 90 2.69 14.77 5.89 3.52 0.60 平均值 -0.23 12.77 3.19 3.62 1.68

表 1 土壤温度统计分析结果 Table 1 Statistical analysis results of soil temperature

冬灌与非冬灌农田土壤含水率时空变化过程和差异见图 3。由图 3a可以看出，非冬灌农田土壤越深含水率越高，10—30 cm土层含水率变化趋势显著，90 cm土层含水率变化趋势相对稳定。10—50 cm土层含水率在冻结期呈下降趋势，消融期含水率增加，70—90 cm土层含水率在整个冻融期内均呈缓慢下降趋势。消融期末(3月6日)，表层土壤全部融化，气温回升至0 ℃以上，10—30 cm土层含水率回升至冻结初期土壤含水率水平，随着温度进一步回升，土壤含水率开始下降。2018年11月4日进行了冬灌，由图 3b可以看出，与非冬灌农田相比，冬灌后土壤含水率大幅增加。12月8日前土壤未冻结，含水率逐渐降低。冻结期土壤水分逐渐发生相变，液态水减少，TDR测得土壤未冻结含水率呈持续降低趋势，其中，10—50 cm土层含水率下降趋势显著，50—70 cm土层含水率下降幅度较小，70 cm以下土层含水率有先下降后增加的趋势。稳定期土壤含水率变化幅度较小。消融期气温回升，土壤水分由冻结态逐渐变成液态，TDR测得含水率均有不同程度的增加。冻土全部融化后，随着气温的上升，土壤含水率逐渐减少。冻融期内冬灌农田土壤含水率浅层变化较大，深层相对稳定，与非冬灌农田变化特征基本一致。

图 3 土壤含水率时空变化过程 Figure 3 Temporal and spatial variation of soil moisture content

冬灌与非冬灌农田土壤未冻结含水率差值见图 3c。灌溉后冬灌农田土壤含水率均大于非冬灌农田土壤含水率。冻结前(12月8日)，冬灌农田相较于非冬灌农田，从浅层到深层土壤含水率差值逐渐减小。冻融期内，冬灌农田与非冬灌农田土壤未冻结含水率差值从50 cm土层向上层和下层递减，其中，10 cm和30 cm土层含水率差先减小后又逐渐增大，70 cm和90 cm土层含水率差值较稳定。完全消融后，冬灌农田含水率较高，从浅层到深层土壤含水率差值逐渐减小。

研究期间冬灌与非冬灌农田土壤剖面盐分变化见图 4。非冬灌农田土壤电导率从表层到深层有减小的趋势。2019年3月25日非冬灌农田各土层电导率均比冻融期前有所下降，2018年11月24日相比于2018年11月1日，表层盐分略高，10 cm以下土层盐分小幅下降。此时农田还未冻结，土壤表层(＜10 cm)受到微弱的蒸发作用使得盐分略高，10 cm以下土层受温度梯度和水势的共同影响，土壤水分运移带走了部分盐分。冬灌农田在灌溉前土壤电导率从浅层到深层有逐渐下降趋势，灌溉后各土层电导率值差异较小且相较于灌溉前均下降。冻融期后(2019年3月25日)冬灌农田土壤电导率均有不同幅度的增加，10—70 cm土层电导率增长至超过冬灌前，出现返盐现象。整体上，灌溉前(2018年11月1日)，非冬灌农田土壤电导率略小于冬灌农田，变化趋势相近，其中非冬灌农田70 cm土层出现积盐现象，冬灌农田90 cm土层出现积盐现象。灌溉后(2018年11月24日)，冬灌农田表层电导率远低于非冬灌农田，30 cm以下土层电导率值接近，冻融期后(2019年3月25日)冬灌农田各土层电导率均高于非冬灌农田，平均含盐量高出50%(p＜0.05)，出现返盐现象，非冬灌农田未出现返盐现象。

图 4 土壤电导率分布特征 Figure 4 Soil electrical conductivity change along the soil profile under winter irrigation and non-winter irrigation conditions

冬灌与非冬灌农田作物植株平均高度变化特征见图 5。由图 5a可以看出，冬灌农田小麦植株高度高于非冬灌农田小麦植株高度。生长阶段，植株生长速度相近，成熟阶段，冬灌农田小麦生长速度比非冬灌农田快，且小麦成熟后植株高度比非冬灌植株高。由图 5b可以看出，冬灌农田玉米拔节、小(大)喇叭口、孕穗期比非冬灌农田早，冬灌农田玉米植株高度高于非冬灌农田玉米植株高度。由表 2可以看出，冬灌农田小麦平均株高为0.80 m，平均产量为7 856 kg/hm²，非冬灌农田平均株高为0.67 m，平均产量为6 512 kg/hm²。冬灌农田小麦植株高度和产量均高于非冬灌农田，冬灌后平均株高增加0.13 m(p＜0.01)，产量增长20.64%(p＜0.05)。冬灌农田玉米平均株高3.31 m，非冬灌农田玉米平均株高3.09 m，冬灌后平均株高增加0.22 m(p＜0.01)。冬灌和非冬灌农田玉米平均产量为13 603 kg/hm²和13 055 kg/hm²，冬灌后产量增长4.20%(p＜0.05)，产量受冬灌影响较小。

图 5 作物植株高度变化特征 Figure 5 Variation characteristics of crop height

表 2 Table 2

表 2 冬灌与非冬灌农田作物特征统计(2019) Table 2 Crop characteristics statistics of winter irrigation and non-winter irrigation fields (2019) 指标 玉米株高/m 小麦株高/m 玉米产量/(kg·hm-2) 小麦产量/(kg·hm-2) 冬灌 3.31 0.80 13 603 7 856 非冬灌 3.09 0.67 13 055 6 512 显著性水平(p) p＜0.01 p＜0.01 p＜0.05 p＜0.05

表 2 冬灌与非冬灌农田作物特征统计(2019) Table 2 Crop characteristics statistics of winter irrigation and non-winter irrigation fields (2019)

由此可见，冬灌农田作物生长发育较早，长势好，产量高。其中，冬灌对小麦植株高度影响较大，对玉米生长发育速度影响较大，且冬灌后小麦产量增长率高于玉米产量增长率，冬灌是促进作物增产的有效措施。

土壤含水率在冻融期呈先下降后上升趋势，这主要是由于TDR时域反射仪观测的冻结层游离水逐渐减少导致。在土壤完全消融时，冻结层的土壤含水率略高于冻结前土壤含水率，非冻结层的土壤含水率呈下降趋势，说明土壤冻结时下层非冻结土壤水分向上层冻结层运移，与以往研究结论一致^{[6, 15]}。这主要是当土壤表层发生冻结时，由于深层土壤温度较高，土壤表面张力和水分黏度较高，导致土壤水分向温度较低的区域转移^[16]。冬灌农田土壤含水率高，冻结程度强，土壤孔隙度变小，土壤的渗透性和导水性变弱，限制水在冻结带的迁移^[16-17]，这可以解释部分时段冬灌农田游离态水分含量小于非冬灌农田的现象。冬灌农田冻融期后可为作物提供良好的土壤水分条件，起到蓄水保墒作用^[6]。冬灌通过改变土壤含水率改变了土层的导温系数，土壤含水率高，热容量增大，因而降温过程中土温降低缓慢，升温时冬灌农田各土层温度升高比较慢^[18]。导致冻融期部分时段非冬灌农田土壤温度略高于冬灌农田。非冬灌农田土壤冻结前(2018年11月24日)表层(＜10 cm)盐分较高，10 cm以下土层盐分下降，冻融期后土壤剖面盐分均有所下降。冬灌农田灌溉后各土层电导率均出现了不同程度的下降，冻融期后土层返盐。冬灌后，冬灌农田地表盐分相比于冬灌前明显减少，变化率为-59%。这与唐文政等^[19]和靳志锋等^[15]的研究结果相似，主要是由于水分下渗淋洗盐分所致^{[5, 16, 19]}。冻融期后，冬灌农田土壤剖面(＜70 cm)出现返盐现象。这主要是由于土壤冻结过程中土壤盐分随水分有向冻结层运移的趋势，在临界层不断聚积，同时，在土壤消融时冻结层以上由于蒸发作用，表层会积盐^[20-22]。非冬灌农田含水率较小，潜水蒸发和土壤表层蒸发弱，水盐运移能力较弱，冻融期后土壤表层盐分减少。冬灌前，冬灌农田与非冬灌农田盐分差异较小且变化趋势相近，分别在90 cm土层和70 cm土层出现积盐现象。积盐现象的存在可能主要是浅层土壤水分有向深层运移的趋势，同时地下水埋深较浅，在土壤表面张力和水力梯度的作用下有向上层运移的趋势^[15-16]，因此，在某一临界层形成积盐。积盐层位置由地下水埋深和土壤含水率等因素共同决定。但当受到大量冬灌水的淋洗后各土层盐分含量差异较小且均降低，其中积盐层降幅最大。

冬灌农田小麦植株高度和产量均高于非冬灌农田，玉米生长发育提前，冬灌后小麦产量增长幅度明显高于(20.64%)玉米产量增长(4.20%)。这主要是由于冬灌农田较高的含水率和较低土壤温度促进农作物根系的发育，并可能减少病虫害。非冬灌农田土壤含水率均低于冬灌农田，小麦根系供水不足，导致株高表现出显著差异。冬灌农田土壤储水量较多，促使玉米生长较快、生育期提前。综上所述，在土壤冻结前适时冬灌可以保证墒情并降低病虫害发生概率，对作物的发育和生长具有促进作用。土壤盐分过高容易造成土壤盐渍化，可能对作物产量及区域农业生产造成负面影响^[23]。本研究结果发现冬灌造成来年土壤返盐，但返盐是否对作物生长造成了影响尚无法判断，后续研究中，应选取不同盐渍化程度的试验田研究作物生长对盐渍化程度的响应机制。卢星航等^[24]和彭振阳等^[25]的研究表明，对农田进行覆盖和埋设暗管排水均能有效抑制盐分向上运移，降低冻结层返盐率。因此，科学合理地控制冬灌量，建立良好的排水系统，可降低冬灌返盐对作物造成的不良影响。

(1) 气温变化是土壤发生冻融现象的主要原因，土壤温度变幅小于气温变幅，且土壤温度变化滞后于气温变化，整个土壤冻融过程共历时98 d，农田冬灌和非冬灌条件下土壤温度变化特征基本一致。冬灌显著提高浅层(＜50 cm)土壤含水率，对深层(50—90 cm)土壤含水率影响较小，气温变化和冬灌对于浅层土壤的影响均高于深层土壤。

(2) 冬灌后，非冬灌农田表层盐分略有增加，10 cm以下土层盐分小幅下降，冬灌农田各土层盐分差异较小且相较于灌溉前均下降。冻融期后，非冬灌农田各土层盐分均比冻融期前有所下降，冬灌农田中浅层(10—70 cm)土壤盐分含量超过冬灌前，出现返盐现象。

(3) 冬灌农田的小麦植株高度和产量均高于非冬灌农田，玉米生长发育比非冬灌农田早，冬灌后小麦增产显著(20.64%)，玉米增产较小(4.20%)。冬灌明显改变土壤水热盐条件，对于作物生长及产量具有重要促进作用，对于水资源利用和农业生产具有重要意义。