毛烏素沙地流動(dòng)沙丘不同深度土壤滲漏特征

吳麗麗,程一本,楊文斌,*,朱 斌,黨宏忠,李 衛(wèi),馮 偉

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091 2 中國治沙暨沙業(yè)學(xué)會(huì),北京 100714 3 錫林郭勒職業(yè)學(xué)院,錫林浩特 026000

降雨入滲到土體后,從某一深度的土層滲漏出去的水量稱為土壤滲漏水量[1- 2]。由于沙區(qū)的地下水埋藏較深,深層滲漏過程一般是不連續(xù)的,受到降雨、蒸散和地形、地貌特征的綜合影響,定量估算深層滲漏量尤為困難[3- 4]。之前對(duì)于土壤滲漏的研究多集中在森林、農(nóng)田等方面,與這些生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)其他幾個(gè)水分循環(huán)分量相比,土壤滲漏水量所占比例較小,大多數(shù)的研究都將這一分量進(jìn)行簡單的估算,或者直接忽略不計(jì)[5- 7]。而沙地的土壤深漏是大氣降水轉(zhuǎn)化為地下水的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是沙地水分循環(huán)及水量平衡中的重要環(huán)節(jié)[8- 11]。對(duì)這一分量的準(zhǔn)確測(cè)算,能夠增進(jìn)對(duì)沙地降雨的分配、轉(zhuǎn)移及運(yùn)輸過程中定性與定量規(guī)律的認(rèn)識(shí)[12- 15]。

目前針對(duì)土壤水分深層滲漏研究方法和監(jiān)測(cè)手段上,主要有經(jīng)驗(yàn)方程法、物理方法、示蹤方法和數(shù)值模擬等[16-18]。近些年,一種滲漏水量的直接監(jiān)測(cè)儀器在研究中逐漸應(yīng)用(土壤深層滲漏水量記錄儀,專利號(hào)：ZL201110252184.7),它適應(yīng)于沙漠、森林、農(nóng)田、河道等多種土壤類型深層滲漏水量監(jiān)測(cè),并在沙漠水分深層滲漏監(jiān)測(cè)方面取得了較為準(zhǔn)確的滲漏量數(shù)據(jù)及滲漏過程動(dòng)態(tài)特征[19-21]。本研究利用土壤深層水量滲漏測(cè)試記錄儀對(duì)毛烏素沙地典型的流動(dòng)沙丘50、100 cm和200 cm 3個(gè)層次的土壤滲漏水量進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),定量分析降雨條件下沙地土壤滲漏特征,研究將對(duì)系統(tǒng)揭示沙地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)水分的動(dòng)態(tài)過程提供依據(jù),并為毛烏素沙區(qū)水資源評(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

依據(jù)我國干旱、半干旱區(qū)流動(dòng)沙地降雨的深層滲漏量及動(dòng)態(tài)變化的研究結(jié)果看,除遇極端降雨年份外,自然降水條件下,半干旱區(qū)深層土壤(150 cm以下)具有明顯的滲漏[1],故在本項(xiàng)研究中,將研究區(qū)選在半干旱區(qū)的毛烏素沙地(年降雨量250—400 mm)的東北緣(圖1),行政區(qū)劃隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗查干淖爾嘎查(39°05′N,109°36′E,海拔1306 m),丘間地地下水埋深5.3—6.8 m。年均氣溫6.4℃,年降水量360.8 mm,年蒸發(fā)量2592 mm,年平均風(fēng)速3.6 m/s,平均日照時(shí)間2900 h,平均相對(duì)濕度52%,屬于典型的溫帶大陸性氣候。地貌以流動(dòng)沙丘為主,沙丘高6—12 m。研究區(qū)風(fēng)沙土的土壤容重為1.57 g/cm3,田間持水量為6.85%,最大持水量為14.82%,表層(0—5 cm)穩(wěn)定入滲速率為3.8 mm/min。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

2 試驗(yàn)方法

2.1 滲漏水量的測(cè)定

本研究采用土壤深層水分滲漏計(jì)量儀(分辨率0.2 mm,精度±2%)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。深度為200 cm沙層滲漏儀布設(shè)過程如下：首先在沙丘的丘間低地選定監(jiān)測(cè)點(diǎn),挖取320 cm深土壤剖面,從下到上依次將滲漏儀排水部(15 cm)、計(jì)量部(35 cm)、集流部(5 cm,礫石、陶粒填充)、毛管持水部(65 cm,原狀土填充)緊靠完整剖面一側(cè)裝入,此時(shí)毛管持水部上沿在土壤200 cm深度,計(jì)量部將記錄滲漏到200 cm以下的水量；用水平儀調(diào)平后,將滲漏儀置入并將數(shù)據(jù)采集線接出地面。滲漏桶內(nèi)加入足量的水,并對(duì)滲漏儀進(jìn)行檢驗(yàn),以確保工作正常。同理,相鄰的挖取220 cm深土壤剖面和170 cm深土壤剖面,分別安裝100 cm沙層滲漏儀以及50 cm沙層滲漏儀。

儀器安裝的時(shí)間為2012年9月,本文選用2016年4月1日到2017年3月31日的連續(xù)數(shù)據(jù),可以將儀器安裝對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響忽略。定期對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù),并確保沙地處于裸露流動(dòng)狀態(tài)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每30 min記錄一次,0:30—24:00記錄數(shù)據(jù)的和為當(dāng)天的滲漏量。

2.2 降雨量的測(cè)定

采用美國AVALON公司AV- 3665R雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(分辨率0.2 mm,精度±2%)記錄降雨量,記錄頻度與滲漏儀保持一致,同為每30 min一次。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)中,對(duì)所有的數(shù)據(jù)采用EXCEL軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并采用IBM SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,分析降雨量和土壤深層滲漏量之間的相關(guān)性,當(dāng)顯著性檢驗(yàn)值P<0.05時(shí)為顯著性差異,P<0.01為極顯著性差異。利用Origin 9.1軟件進(jìn)行圖表的繪制。

3 結(jié)果

3.1 流動(dòng)沙丘不同深度土壤滲漏的動(dòng)態(tài)特征

3.1.1 沙地土壤滲漏的日動(dòng)態(tài)特征分析

整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi),50 cm沙層、100 cm沙層和200 cm沙層的滲漏水量分別是降雨量的73.04%、69.52%和52.16%?？傮w來看,50 cm沙層第一次明顯滲漏出現(xiàn)在2016年7月9日,為30 mm,最多連續(xù)滲漏天數(shù)為35天,日滲漏水量的波動(dòng)系數(shù)為4.7052,波動(dòng)較大；100 cm沙層第一次明顯滲漏出現(xiàn)在7月10日,為16 mm,最多連續(xù)滲漏天數(shù)為111 d,日滲漏水量的波動(dòng)系數(shù)為3.0993,波動(dòng)有所降低；200 cm沙層第一次明顯滲漏出現(xiàn)在7月9日,為5.4 mm,最多連續(xù)滲漏天數(shù)為121 d,日滲漏水量的波動(dòng)系數(shù)為2.1742,波動(dòng)較小(圖2)。

圖2 降雨量與不同深度沙層土壤滲漏水量的日分布Fig.2 Daily precipitation and percolation of different depths of sand soil

3.1.2 沙地土壤滲漏的月動(dòng)態(tài)特征分析

從圖3、圖4可以看出,由于2016年4—6月由于降雨主要用來補(bǔ)充沙層的含水量,以及滲漏對(duì)降雨響應(yīng)的延遲性等原因,使得這期間的滲漏過程都不明顯。

50 cm沙層的滲漏總量和滲漏頻率在8月達(dá)到最大,7—9月的滲漏總量占整個(gè)監(jiān)測(cè)期的93.13%；之后一直到2017年3月,期間雖然滲漏頻率占該層整個(gè)監(jiān)測(cè)期的47.53%,但總滲漏量僅占整個(gè)監(jiān)測(cè)期的6.62%。

100 cm沙層的滲漏總量在7月達(dá)到最大,明顯的滲漏一直延續(xù)到11月,這段期間的滲漏總量占整個(gè)監(jiān)測(cè)期的95.66%；之后一直到2017年3月,期間雖然滲漏頻率占該層整個(gè)監(jiān)測(cè)期的28.71%,但總滲漏量僅占整個(gè)監(jiān)測(cè)期的4.03%,且每月的滲漏量和滲漏頻率都在逐漸減少。

200 cm沙層的滲漏總量同100 cm沙層一樣,在7月達(dá)到最大,明顯的滲漏延續(xù)到10月,這段期間的滲漏總量占整個(gè)監(jiān)測(cè)期的94.07%；之后一直到2017年3月,期間雖然滲漏頻率占該層整個(gè)監(jiān)測(cè)期的40.91%,但總滲漏量僅占整個(gè)監(jiān)測(cè)期的5.79%,且每月的滲漏量和滲漏頻率都在逐漸減少。

3.2 降雨量與流動(dòng)沙丘不同深度土壤滲漏水量的分布特征

3.2.1 降雨及各沙層滲漏不同強(qiáng)度累計(jì)天數(shù)分布特征

如圖5所示,整個(gè)監(jiān)測(cè)日期共365 d。其中,監(jiān)測(cè)到降雨的天數(shù)為70 d,累計(jì)降雨量為549.8 mm,最大日降雨量為66.7 mm。0<降雨強(qiáng)度≤5 mm的天數(shù)占全年的12.6%,降雨量>25 mm的天數(shù)占全年的1.37%。

監(jiān)測(cè)到50 cm沙層滲漏的天數(shù)為162 d,累計(jì)滲漏水量為401.6 mm,最大日滲漏水量為37.1 mm。0<滲漏水量≤1 mm的天數(shù)占全年的33.15%,滲漏水量>10 mm的天數(shù)占全年的2.74%。

監(jiān)測(cè)到100 cm沙層滲漏的天數(shù)為209 d,累計(jì)滲漏水量382.2 mm,最大日滲漏水量為36.4 mm。0<滲漏水量≤1 mm的天數(shù)占全年的39.45%,滲漏水量>10 mm的天數(shù)占全年的2.19%。

監(jiān)測(cè)到200 cm沙層滲漏的天數(shù)為198 d,累計(jì)滲漏水量286.8 mm,最大日滲漏水量為25.2 mm。0<滲漏水量≤1 mm的天數(shù)占全年的36.99%,滲漏水量>10 mm的天數(shù)占全年的0.82%。

圖3 降雨量與不同深度深滲漏水量的月份分布Fig.3 Monthly precipitation and percolation of different depths of sand soil

圖4 降雨與不同深度沙層滲漏頻次的月份分布Fig.4 Monthly precipitation frequency and percolation frequency of different depths of sand soil

圖5 降雨及各沙層滲漏不同強(qiáng)度累計(jì)天數(shù)分布圖Fig.5 Accumulative days distribution of different precipitation intensities and percolation intensities

3.2.2 降雨及各沙層滲漏不同強(qiáng)度累計(jì)量分布特征

監(jiān)測(cè)到0<降雨強(qiáng)度≤5 mm的累計(jì)量占總累計(jì)降雨量的8.75%；降雨量>25 mm的累計(jì)量占總累計(jì)降雨量的47.27%。50 cm處沙層0<滲漏水量≤1 mm的累計(jì)量占總滲漏水量的10.36%；而滲漏水量>10 mm的累計(jì)量達(dá)到總滲漏水量的70.09%。100 cm處沙層0<滲漏水量≤1 mm的累計(jì)量占總滲漏水量的16.12%；滲漏水量>10 mm的累計(jì)量達(dá)到總滲漏水量的37.26%。200 cm處沙層0<滲漏水量≤1 mm的累計(jì)量占總滲漏水量的18.06%；而滲漏水量>10 mm的累計(jì)量達(dá)到總滲漏水量的19.87%(圖6)。

圖6 降雨及各層滲漏不同強(qiáng)度累計(jì)量分布圖Fig.6 Accumulative amounts distribution of different precipitation intensities and percolation intensities

3.3 降雨量與流動(dòng)沙丘不同深度土壤滲漏水量的關(guān)系

大氣降水是沙地的主要來源,因此,降雨量與各層滲漏水量之間必然存在著相關(guān)關(guān)系。由于滲漏具有延遲性等特征,對(duì)觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行了累計(jì),分別對(duì)日、周、半月、月累計(jì)的降雨量和各層滲漏水量之間進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,從表1可以看出：日、周、半月、月累計(jì)的降雨量和50 cm沙層滲漏水量之間都顯著相關(guān)(P<0.01)；周、半月、月累計(jì)的降雨量和100 cm沙層滲漏水量之間都顯著相關(guān)(P<0.01)；半月累計(jì)降雨量和200 cm沙層滲漏水量之間在0.01水平上顯著相關(guān),月累計(jì)量在0.05水平上顯著相關(guān)。對(duì)3組數(shù)分別進(jìn)行線性擬合后發(fā)現(xiàn),對(duì)于每一組來說月累計(jì)量的R2都是最大的(圖7)。

表1 降雨量與不同深度沙層滲漏水量之間的相關(guān)關(guān)系

** 在.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),* 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖7 降雨量與各沙層滲漏水量之間的相關(guān)關(guān)系Fig.7 The correlativity between precipitation and percolation at different layers

4 結(jié)論與討論

(1)有研究指出[19],流動(dòng)沙地深層滲漏量與降雨變化時(shí)間上具有相對(duì)一致性,滲漏補(bǔ)給高峰出現(xiàn)在雨季,但降雨對(duì)深層滲漏的補(bǔ)給具有滯后性和延時(shí)性。本研究通過對(duì)3個(gè)沙層土壤滲漏的動(dòng)態(tài)特征分析發(fā)現(xiàn),在降雨條件下,在2016年4—6月監(jiān)測(cè)到總降雨量為122 mm,但3個(gè)沙層的滲漏過程都不明顯；從7月開始,滲漏過程與降雨過程的一致性隨沙層的增加而逐漸減弱,記錄到明顯的滲漏的時(shí)間和頻率,隨沙層的增加而逐漸增加。

(2)通過對(duì)3個(gè)沙層滲漏水量的分布特征分析發(fā)現(xiàn),在降雨條件下,整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)記錄到滲漏的天數(shù),雖然隨沙層深度的增加而增加,但累計(jì)滲漏水量逐漸減少,主要原因在于滲漏水量>10 mm的天數(shù)減少,導(dǎo)致這一部分的累計(jì)滲漏水量大幅度的減少,即滲漏強(qiáng)度對(duì)3個(gè)沙層的累計(jì)滲漏水量影響較大。有研究指出[20],地表以下150 cm深度的日入滲補(bǔ)給量≤1 mm有532 d,入滲補(bǔ)給量僅占31%,而>1 mm有85 d,入滲補(bǔ)給量所占比例高達(dá)69%,與本研究的結(jié)果基本一致。

(3)本研究對(duì)降雨量和各沙層滲漏水量日、周、半月、月累計(jì)量之間進(jìn)行相關(guān)分析和線性擬合后發(fā)現(xiàn),50 cm沙層滲漏水量對(duì)降雨的響應(yīng)最強(qiáng),越往深處滲漏水量對(duì)降雨的響應(yīng)越弱。有研究發(fā)現(xiàn),深層滲漏量和降雨量之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系,隨著累計(jì)天數(shù)的增加,深層滲漏量和降雨量的相關(guān)關(guān)系更好[21]。本研究結(jié)果證明,對(duì)于50、100 cm和200 cm3個(gè)沙層的滲漏水量來說,月累積量的R2都是最大的,即月滲漏水量的變化與月降雨量的變化關(guān)系更密切。

(4)由于前期對(duì)于沙地土壤深漏水量的研究還比較少,本研究也只是對(duì)毛烏素沙地流動(dòng)沙丘不同深度土壤滲漏水量的分布特征、動(dòng)態(tài)特征以及與降雨量的相關(guān)性等方面進(jìn)行了簡單分析,對(duì)影響沙地土壤滲漏的其他因子,如降雨強(qiáng)度、土壤含水量等方面還有待于進(jìn)一步研究。此外,本研究采用的監(jiān)測(cè)時(shí)間還比較短,為了能對(duì)影響沙地土壤滲漏有更清楚的認(rèn)識(shí),還需要進(jìn)行長期連續(xù)的監(jiān)測(cè)。