遼西北流動(dòng)沙丘土壤水分運(yùn)動(dòng)時(shí)空變化規(guī)律研究

姜 濤

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

遼西北流動(dòng)沙丘土壤水分運(yùn)動(dòng)時(shí)空變化規(guī)律研究

姜 濤

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

遼西北沙漠化地區(qū)沙地水分的運(yùn)動(dòng)變化有其獨(dú)到的運(yùn)行軌跡,本文通過試驗(yàn)的方法來研究沙丘區(qū)土壤水分的時(shí)空變化特征,從土壤含水率隨時(shí)間變化而變化的角度分析了沙地水分的動(dòng)態(tài)變化,對(duì)保護(hù)當(dāng)?shù)赜邢薜乃Y源、提高水資源有效利用率具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

土壤水分;沙丘土;時(shí)空分布;變化

水是研究沙丘土壤生態(tài)影響的重要因素，近年來，隨著沙漠化地區(qū)干旱的加劇，一些沙地的灌草植被出現(xiàn)了枯死現(xiàn)象，造成固定沙丘活化，使脆弱的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步惡化。由于地理位置、氣候條件和土壤特性的差異，開發(fā)利用沙地資源，發(fā)展沙地產(chǎn)業(yè)及沙地治理的生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式對(duì)固沙植物選種、防風(fēng)固沙、退化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)具有重大理論意義。

1 概述

彰武縣地處科爾沁沙地的東南部，屬于遼寧省西北部風(fēng)沙干旱區(qū)，位于東經(jīng)121°53′～122°59′，北緯42°7′～45°51′，海拔57.6～313.4m。全縣總土地面積361 393hm2，其中沙地84700hm2，占23.4 %。彰武縣沙地分布在北部的阿爾鄉(xiāng)、章古臺(tái)、四合城、大冷、滿堂紅、四堡子和馮家等地，以及柳河等河流沿岸。北部邊界與內(nèi)蒙古科左后旗鄰接，是遼寧省的重點(diǎn)風(fēng)沙區(qū)。

2 降雨條件下沙地土壤水分變化特征

入滲是水分進(jìn)入土壤形成土壤水的過程，降雨入滲是沙地土壤水補(bǔ)給的主要來源。該研究主要探討降雨后，沙地土壤水分的分布狀況及各層土壤含水量的變化，以期在有限的水資源條件下，提高土壤水的利用率，發(fā)揮沙地有限水的最大效益，恢復(fù)植被，為保持沙地生態(tài)系統(tǒng)的平衡提供理論依據(jù)。

2.1試驗(yàn)方法

選擇一處裸平地(2m×2m)作為測試小區(qū)，在測試區(qū)附近選擇另一裸平地作為對(duì)照區(qū)。采用土鉆法測定土壤含水量，測定深度為160c m，按0～10，10～20，20～160c m每20c m為一層劃分層次，共分9層，每層3次重復(fù)(取3個(gè)測點(diǎn))。降雨后，立即進(jìn)行測試，每隔1、3、5、12h，1、2、3、5、7d進(jìn)行測試，直到前后2次的含水量無顯著差異，水分運(yùn)動(dòng)基本平衡時(shí)為止。采用注水法，通常使用同心環(huán)入滲裝置，一般常用的同心環(huán)為二同心鐵環(huán)，內(nèi)外環(huán)中維持同樣水層深度，通過記錄某一時(shí)段的入滲量來計(jì)算土壤入滲率變化過程。

本次降雨發(fā)生在2014年7月23日，降雨量為79.1m m，為避免土表蒸發(fā)和雨水淋入，表土覆蓋干草后，再覆蓋塑料布。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 土壤含水量隨時(shí)間的變化特征

降雨后，沙地土壤水分在不同時(shí)間出現(xiàn)了不同的動(dòng)態(tài)分布趨勢。雨后監(jiān)測結(jié)果表明，0～60c m的土壤含水量急劇上升，顯著高于對(duì)照，而60～160c m變化不大。0～60c m平均含水量比對(duì)照區(qū)高136%，20～40c m含水量達(dá)到最大，為 16.83%，比對(duì)照區(qū)高282.8%，這說明60c m深度是沙地水分活躍程度的一個(gè)重要分界線，與前人研究結(jié)論基本一致。如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著時(shí)間的延續(xù)，土壤含水量峰值降低，并逐漸向土壤深層推移，在140～160c m基本穩(wěn)定。降雨1h后，由于水分入滲下移，0～60c m各層土壤含水量有所降低，比前1h平均降低12%;而60～160c m各層土壤水分有所增加，比前1h平均增加25%;60c m成為土壤含水量增減變化的分界線;60～80c m土壤含水量為8.3%，比前1h增加39%，變化幅度最大。

圖1 降雨后沙地各層土壤水分變化

降雨4h后，由于水分繼續(xù)入滲下移，0～80c m各層土壤含水量有所降低，比前3h平均降低18%;而80～160c m各層土壤水分有所增加，比前3h平均增加20%;80c m成為土壤含水量增減變化的分界線;100～120c m土壤含水量為8.0%，比前3h增加37.8%，變化幅度最大。

降雨9h后，0～100c m各層土壤含水量有所降低，比前5h平均降低18%;而100～160c m各層土壤水分有所增加，比前5h平均增加20%; 100c m成為土壤含水量增減變化的分界線;140～160c m土壤含水量為6.9%，比前5h增加37%，變化幅度最大。降雨21h后，0～120c m各層土壤含水量均有所減少，而140～160c m兩層土壤含水量略為增加。

降雨45h后，0～160c m各層土壤含水量平均為5.11%，與對(duì)照區(qū)各層土壤含水量平均值5.11%持平;120～160c m比24h前降低18%，但比對(duì)照高64%，說明隨著土壤水分的再分配，降雨能夠補(bǔ)給到160c m深度。第5日(96h后)和第7日(144h后)0～120c m各層土壤含水量比對(duì)照低，而120～160c m的土壤含水量略高于對(duì)照，這說明土壤水分再分配過程仍在進(jìn)行。由圖1可以看出，45h后土壤含水量趨于小幅度變化中。45h前各層土壤含水量變幅較大，最大值為16.8%，最小值為3.5%，極差為13.3%;45h后(包括45h)，各層土壤含水量變幅較小，最大值為7%，最小值為3%，極差為4%。

3 流動(dòng)沙丘土壤水分運(yùn)動(dòng)時(shí)空變化特征

3.1 試驗(yàn)方法

挑選典型的流動(dòng)沙丘土壤3處，在各采樣點(diǎn)用土鉆取土，取土深度為 120c m，分 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120c m共7層取土，3次重復(fù)，烘干法進(jìn)行土壤含水量的測定。從2014年4月8日開始，10月末結(jié)束，每周觀測一次，遇降雨加測。觀測情況見表1。

表1 2014年4～10月降雨情況

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 2014年降雨特征

由表1可知，4～10月共降水26次，總降雨量290.6m m，為多年平均降雨量412m m的70%，6和7月降水次數(shù)較多，共計(jì)13次，占總降水次數(shù)的50%;4和10月降水次數(shù)較少，共計(jì)3次，占11.5%。6月降雨量最多，為 136.5m m，占47.0%;4月降雨量最少，為0.2m m，占0.2%。次最大降雨量是79.1m m，占總降雨量的27.2%;次降雨量最小的是0.2m m，占總降雨量的0.2%。該區(qū)降雨主要集中在6～8月，為246.8m m，占4～10月降雨量的85%;4～5月的降雨量為18.2m m，占4～10月降雨量的6.3%;9～10月降雨量為25.6m m，占4～10月降雨量的8.8%。

3.2.2 流動(dòng)沙丘土壤水分時(shí)間變化特征

沙地土壤水分狀況不僅受沙土礦物、機(jī)械組成的影響，也受氣溫、降水、植被類型、植被密度的影響。降雨是該區(qū)土壤水分補(bǔ)給的主要來源。流動(dòng)沙丘土壤含水量變化主要受降雨與蒸發(fā)的影響。沙土含水量的時(shí)間變化與降雨季節(jié)和降雨量有密切關(guān)系，土壤含水量與當(dāng)月降雨量存在顯著的相關(guān)關(guān)系，即土壤含水量隨當(dāng)月降雨量的增加而增大。

經(jīng)測定，流動(dòng)沙丘4～10月0～120c m土壤平均含水量分別為2.4%、2.9%、3.1%、4.0%、3.3%、3.2%、3.0%。從圖2可以看出，各月土壤含水量的變化趨勢與降雨量的變化趨勢幾乎一樣，說明流動(dòng)沙丘各層土壤含水量隨降雨補(bǔ)給而變化，而且各樣點(diǎn)表層土壤含水量受降雨和蒸發(fā)影響十分顯著。如5月14日雨前土壤含水率為2.1%，降雨后達(dá)到5.1%，由于一個(gè)月內(nèi)沒有降雨，6月15日達(dá)到0.3%。

圖2 流動(dòng)沙丘4～10月土壤含水量與降雨量變化比較

4 土壤水分的垂直變化特征

沙丘水分垂直動(dòng)態(tài)受沙丘質(zhì)地、水分來源、植被狀況、地貌特征及氣象條件等諸多因素影響。由于流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡風(fēng)蝕、背風(fēng)坡積沙以及丘底潛水埋深和光照等控制著流動(dòng)沙丘土壤水分分布規(guī)律，同時(shí)，流動(dòng)沙丘的風(fēng)蝕積沙對(duì)降水的再分布產(chǎn)生一定的影響，各部位干沙層的發(fā)育也出現(xiàn)差異，因此，流動(dòng)沙丘各部位土壤水分垂直變化顯得相對(duì)復(fù)雜。流動(dòng)沙丘各層土壤含水量的平均值、極值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)見表2。

表2 流動(dòng)沙丘土壤含水量的變化趨勢統(tǒng)計(jì)分析

由表2可知，流動(dòng)沙丘0～10c m的含水量變異系數(shù)為51%，變異程度最大，說明此層受降雨及地表蒸發(fā)影響強(qiáng)烈，＜1.7%的含水量出現(xiàn)36次，占24%，在連續(xù)干旱無雨時(shí)期，此層含水量一般在1%以下，因此干旱無雨的季節(jié)，在流動(dòng)沙丘上播種或苗植小灌木很難成功。流動(dòng)沙丘10～80c m的含水量變異系數(shù)在40%左右，和表層比較，土壤含水量變化程度相對(duì)小些，這一層土壤含水量主要受土壤水分下滲和土壤水分再分配的影響， ＜1.7%的含水量平均出現(xiàn)18次，占12%。流動(dòng)沙丘80～120c m是土壤含水量比較穩(wěn)定的層次，但由于2014年7和8月出現(xiàn)的3次較大降雨對(duì)此層進(jìn)行了補(bǔ)給，造成此層土壤含水量變異程度也較大。雖然流動(dòng)沙丘垂直變化相對(duì)復(fù)雜，但流動(dòng)沙丘土壤水分分布也表現(xiàn)出分層性，根據(jù)土壤含水量的變化特征可分為以下幾層。

表層干沙層:干沙層的發(fā)育是沙地水分下滲、蒸發(fā)和凝結(jié)共同作用的結(jié)果。干沙層土壤含水量一般在0.1%～0.7%之間，但該層含水量變動(dòng)很大，在降雨之后含水量迅速升高，雨停之后很快蒸發(fā)和下滲，測定期內(nèi)含水量變幅為0.3%～6.5%。干沙層的厚度隨時(shí)間和空間的變化而變化。干沙層在沙地中四季存在，春季干早，風(fēng)速較大，降雨少，干沙層較厚;夏季進(jìn)入雨季，干沙層受降水影響變化頻繁，干沙層厚度較小，但在夏季連續(xù)無雨的日子里，可能達(dá)到最厚。該層土壤水分主要受降雨和蒸發(fā)的影響，土壤含水量變幅較大，變動(dòng)范圍在1.2%～6.3%。雨季剖面含水量普遍增大，以20～40c m土層為例，無雨季節(jié)水分變動(dòng)范圍在1% ～2.7%，雨季含水量變動(dòng)范圍在3.7%～6.3%之間。

5 流動(dòng)沙丘不同坡向坡位土壤含水量變化特征

研究表明，流動(dòng)沙丘不同坡向坡位對(duì)沙丘土壤水分變化有明顯的影響。流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡主要受風(fēng)蝕，背風(fēng)坡主要受持續(xù)堆沙的影響，形成特有的水分變化趨勢。對(duì)4～10月觀測期內(nèi)流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡坡底、坡中和坡頂不同深度的平均含水量分析得到，迎風(fēng)坡0～20c m含水量變幅較大，為0.3%～3.2%;20～60c m變幅較小，為2.7%～4.6%;60～120c m較為穩(wěn)定，為3.0%左右。背風(fēng)坡0～20c m含水量變化幅度較大，為0.5%～3.4%;20～60c m含水量變化幅度較小，為1.7%～2.2%;60～120c m較為穩(wěn)定，為1.1%左右。流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡各層平均土壤含水量的變幅為0.3% ～4.6%，平均值為3.4%。背風(fēng)坡各層平均土壤含水量的變幅在0.5%～3.4%之間，平均值為1.9%，比迎風(fēng)坡小。這說明背風(fēng)坡由于持續(xù)堆沙的原因，使得整個(gè)土壤剖面土壤含水量較小，在相同的降雨條降下，背風(fēng)坡接受降雨補(bǔ)給的深度比迎風(fēng)坡淺。

6 結(jié)語

通過試驗(yàn)測定可知:流動(dòng)沙地水分的主要來源為降雨，由于流動(dòng)沙丘透水性較好，降雨能迅速下滲，并以懸著毛管水的形式儲(chǔ)存在沙層中。流動(dòng)沙地表層基本無植被覆蓋，氣候干燥，溫度較高，所以表層水分蒸發(fā)非常迅速，形成大約1～15c m左右的干沙層，由于干沙層中毛管水?dāng)嗔眩率瓜聦铀植荒芡ㄟ^毛管上升，所以使干沙層以下各層土壤水分保持相對(duì)穩(wěn)定的含水量。從另一角度考慮，干沙層以下的流動(dòng)沙丘就像一個(gè)“沙地地下水庫”，給干旱的沙漠化地區(qū)提供了較好的水分條件。因此，對(duì)流動(dòng)沙地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)，應(yīng)充分利用其水分條件優(yōu)勢，但要以水分平衡為前提。

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S152.7+2

A

1008-1305(2016)05-0063-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.023

2016-01-26

姜 濤(1984年—)，男，工程師。