旱生植被影響下土壤水分運(yùn)移規(guī)律及數(shù)值模擬*

孟令群，聶振龍，李琪

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院

民勤盆地地處甘肅省武威市北部，是河西走廊三大內(nèi)流河石羊河下游盆地，荒漠化形勢(shì)嚴(yán)峻，造成該地區(qū)土地荒漠化的主要因素有：降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、大風(fēng)日數(shù)多、環(huán)境惡化、地下水資源環(huán)境持續(xù)惡化等[1-4]。研究民勤盆地旱生植被類型覆蓋下的包氣帶水分運(yùn)移機(jī)理，分析植被與地下水的關(guān)系，可揭示植被的耗水規(guī)律，為地下合理開發(fā)利用提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

土壤是植物根系生長(zhǎng)、發(fā)育和分布的場(chǎng)所，也是為植物生長(zhǎng)繁殖提供水分和養(yǎng)分的重要區(qū)域。土壤水分的含量直接影響和危害植物的生長(zhǎng)發(fā)育，甚至導(dǎo)致植被的死亡。徐偉東[5]以新疆自治區(qū)昌吉市為例來(lái)闡明地下水位發(fā)生變化后，地表植被的變化情況，結(jié)果顯示當(dāng)?shù)叵滤裆?.0m-2.5m時(shí)，平均土壤含水量為22.6%；地下水埋深2.5m-4.5m內(nèi)平均土壤含水量下降至16.4%；當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.5m-6.5m時(shí)，平均土壤含水量為11.3%，此時(shí)土壤含水量接近部分植物凋萎時(shí)的含水量；當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.5m-10m時(shí)，平均土壤含水量達(dá)到7.1%，基本小于植物的凋萎含水量，植物衰敗枯死。武選民[6]把將生長(zhǎng)狀態(tài)良好的某一植被主根區(qū)土壤平均含水量定義為該植被的適生含水量，將生長(zhǎng)狀態(tài)一般的植被其平均含水量定義為臨界生態(tài)含水量。根據(jù)額濟(jì)納盆地野外調(diào)查結(jié)果顯示，土壤類型不同，植被類型不同，適生含水量和臨界生態(tài)含水量也不同。Cooper等[7]發(fā)現(xiàn)水位的下降將導(dǎo)致濕地植被生長(zhǎng)減弱，并逐漸被灌木植被取代。Chen等[8]為了研究影響土壤水分含量的因素，在土壤水文模型中加入了地下水這一影響因子，結(jié)果表明，加入地下水影響因子之后，土壤水分顯著增加，更接近于實(shí)際觀測(cè)值，且土壤水分在空間變異上受到地下水埋深影響。

本文依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題“石羊河流域地下水合理開發(fā)利用與生態(tài)功能保護(hù)研究與示范”，以旱生植被類型下土壤水分運(yùn)移為主要研究方向，采用典型剖面監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的分析方法，分析旱生植被類型影響下包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律及植被根系吸水規(guī)律，為石羊河流域地下水合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

一、材料與方法

（一）研究區(qū)概況

研究區(qū)位于民勤盆地豐慶村（103°29′59E，38°46′35″N）。試驗(yàn)點(diǎn)地勢(shì)低平，年降水量多年平均為 75 mm，全年潛在水面蒸發(fā)量達(dá) 2660 mm。地下水位埋深在6.05m-6.66m之間波動(dòng)，年平均埋深為6.3m；地下水礦化度在2.3g/L-2.5g/L之間波動(dòng)，非常穩(wěn)定，平均為2.46g/L；包氣帶巖性為：0-0.5m為粉細(xì)砂，地表0.5-1.95m，地層中黏粒含量較高的粉質(zhì)粉土，夾薄層粉細(xì)砂；1.95-4.1為細(xì)砂，夾厚層粉土，4.1-4.15為薄層黏土，4.15-7.5為中細(xì)砂層；試驗(yàn)點(diǎn)主要植被為沙棗、檉柳、白刺、枸杞、芨芨草。

（二）試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置

土壤溫度、鹽分及土壤含水率利用TDR-310S進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過測(cè)量土壤的介電常數(shù)來(lái)獲得土壤的體積含水率，測(cè)量范圍在0-100%，誤差為0.1%；土壤電導(dǎo)率測(cè)量范圍為0-5000μs/cm，土壤溫度測(cè)量范圍在-40℃-60℃，誤差為0.1%。在本次試驗(yàn)中，土壤含水率監(jiān)測(cè)頻率均為30min，傳感器布置如圖1。土壤含水率探頭在垂向上的布置為：20cm、40cm、60 cm、80 cm、100 cm、120 cm、140 cm、180 cm、220 cm、250 cm、280 cm、320 cm、360 cm、450 cm。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2018年10月開始直到2019年12月。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)布置示意圖

為監(jiān)測(cè)地下水的動(dòng)態(tài)，在點(diǎn)位布設(shè)地下水位計(jì)，監(jiān)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)，監(jiān)測(cè)頻率為30min。在試驗(yàn)場(chǎng)布設(shè)野外自動(dòng)氣象站，監(jiān)測(cè)記錄降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、風(fēng)速、大氣壓等，并布設(shè)E601蒸發(fā)皿（采用高精度diver監(jiān)測(cè)蒸發(fā)情況）。根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)位置，分別取土樣及環(huán)刀樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)和土壤水分特征參數(shù)試驗(yàn)，取樣埋深如下：25cm、65 cm、105cm、120 cm、145cm、180 cm、210 cm、250 cm、280 cm、330 cm、360 cm、400 cm、430 cm、500 cm、580 cm。

二、結(jié)果與分析

（一）一維垂向包氣帶水分運(yùn)移

圖5 檉柳根系吸水速率特征

試驗(yàn)點(diǎn)土壤含水量隨時(shí)間變化如圖2，由圖可知，該剖面0-75m和100-150cm土壤含水量隨時(shí)間推移變化幅度明顯，其他土層隨時(shí)間無(wú)明顯變化趨勢(shì)，1-3月表層土壤含水量較高，3月份后由于氣候影響，土壤含水量小幅度降低。根據(jù)土壤含水量垂向分布特征可知，0-150cm隨深度增大，土壤含水量逐漸升高，150cm處達(dá)到峰值，變化幅度為0.213-0.218，由于檉柳等灌木根系吸水，使得100-150cm土壤含水量較高，由于植被根系吸水，下層土壤水分補(bǔ)給上層，150-300cm土壤含水量大幅度降低，在220cm出現(xiàn)谷值，變化幅度0.0629-0.0698；220-300cm是沙棗樹的吸水層位，該層土壤含水量升高，下層土壤水分補(bǔ)給上層，由于在埋深410cm以下存在厚約5cm的黏土隔水層，該層的存在使得潛水毛細(xì)水難以上升，而上部的降水及灌溉等在入滲過程中被淺層的植被根系吸水，導(dǎo)致350cm土壤含水量出現(xiàn)谷值，變化幅度為0.0335-0.0341；400cm以下土壤含水量主要受地下水變化影響，在毛細(xì)水作用下含水量隨深度逐漸達(dá)到飽和。

圖2 試驗(yàn)點(diǎn)土壤含水量隨時(shí)間變化圖

（二）二維包氣帶水分運(yùn)移

試驗(yàn)點(diǎn)土壤水分等值線變化，由圖可知，該點(diǎn)位包氣帶土壤含水量變化小，分層明顯，主要受包氣帶巖性控制，近地表土層含水量受氣候條件影響變化較大。由于降水稀少且蒸發(fā)強(qiáng)烈，0-75cm地表土壤含水率全年均小，并在蒸發(fā)最強(qiáng)烈的7-8月形成干旱峰值，50-75cm之間草本植物根系發(fā)育較好，受根系吸水作用的影響，該層位土壤含水率略好。100-150cm土層為粉粘和粉細(xì)砂互層，土壤含水量較高，大于0.1658，為檉柳等灌木的主要吸水層位。埋深150cm-350cm時(shí)，土層為細(xì)砂和粉質(zhì)黏土互層，含水率大幅降低，在細(xì)砂層位含水率為0.05左右，在粉質(zhì)黏土層位含水率略高，達(dá)到0.1105。在埋深410cm以下存在厚約5cm的黏土隔水層，該層的存在使得潛水毛細(xì)水難以上升，而上部的降水及灌溉等在入滲過程中被淺層的植被根系吸水，導(dǎo)致350-400cm存在0.5m厚的干層，含水率在0.052-0.14之間。400-460cm土層含水率主要受潛水變化影響，在毛細(xì)水的作用下含水率從上到下逐漸升高，在潛水面附近達(dá)到飽和。

（三）地下水變化對(duì)土壤水分運(yùn)移影響

試驗(yàn)周期內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)變化對(duì)土壤水分影響如圖3，由圖可知2018年11月至2019年4月，地下水位呈波動(dòng)性變化，平均值為6.2m；4月份后，水位逐漸降低，9月份水位達(dá)到谷值；9月份后，蒸發(fā)強(qiáng)度降低，降水容易入滲補(bǔ)給給地下水，使得地下水位逐漸抬升。根據(jù)地下水位與土壤含水量關(guān)系可知，0-450cm土壤含水量不隨地下水位變化而變化，說(shuō)明該層土壤含水量變化與地下水位無(wú)關(guān)，450cm以下土壤含水量隨地下水位有小幅度的變化，說(shuō)明450cm以下土壤含水量變化受到地下水變化影響。

圖3 地下水位埋深與土壤含水量動(dòng)態(tài)變化特征圖

（四）包氣帶水分運(yùn)移數(shù)值模擬

HYDRUS-1D 是美國(guó)農(nóng)業(yè)部鹽土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬非飽和介質(zhì)中一維水分、熱量、溶質(zhì)運(yùn)移的模型，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和野外試驗(yàn)中水分和溶質(zhì)運(yùn)移模擬等方面[9]。

包氣帶水分運(yùn)移模型采用Richards方程來(lái)描述土壤水分運(yùn)移過程，忽略土壤水分在水平和側(cè)向上的運(yùn)動(dòng)，僅考慮一維垂向水流運(yùn)移，即水流運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榇怪狈较虻膯蜗嘁痪S流時(shí)，建立數(shù)學(xué)模型如下：

式中：C(h)為土壤容水度（1/cm）；

K(h)為非飽和滲透系數(shù)（cm/d）；

h為壓力水頭或基質(zhì)勢(shì)（cm）；

S(z,t)為單位時(shí)間單位體積土壤根系吸水率（1/d）；

t為時(shí)間變量（d）；

Z空間變量（cm），地表為原點(diǎn)，向下為正；

L為潛水埋深（cm）；

h0(z)為初始?jí)毫λ^分布（cm）；

ε(t)為入滲強(qiáng)度（cm/d）。

根系吸水率表示單位土壤體積在單位時(shí)間內(nèi)因根系吸水而損失的水分含量，本文采用Feddes模型，即：

式中：α(h,z)為水分脅迫反應(yīng)方程；

β(z)為根系吸水分布函數(shù)（cm-1）；

TP為作物潛在蒸騰率（cm/d）。

初始條件選擇為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用當(dāng)天剖面各個(gè)傳感器位置實(shí)際測(cè)量的土壤含水率，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間含水率按照線性插值方法自動(dòng)給出。識(shí)別期2018.12.01-2019.03.31，驗(yàn)證期2019.07.01-2019.09.30。上邊界選擇大氣邊界，將下邊界取到潛水面，即定水頭邊界。選擇時(shí)間步長(zhǎng)為1d，剖面深度為600cm，空間步長(zhǎng)Δz為5cm，共剖分121個(gè)節(jié)點(diǎn)。

Hydrus-1D進(jìn)行參數(shù)的反演優(yōu)化過程設(shè)置完畢后，運(yùn)行模型，待模型成功收斂后，在模擬結(jié)果中設(shè)置觀察點(diǎn)，軟件會(huì)自動(dòng)將含水率模擬值和實(shí)測(cè)值繪制圖件進(jìn)行對(duì)比，觀察擬合效果。在充分了解各個(gè)參數(shù)物理意義的基礎(chǔ)上，在模型的擬合過程中不斷調(diào)試相關(guān)參數(shù)，使計(jì)算值和觀測(cè)值的相對(duì)誤差小于15%，方可認(rèn)為識(shí)別出的參數(shù)真實(shí)可靠。

圖4-圖6為地下水埋深在6.0m上下波動(dòng)時(shí)，沙棗樹、檉柳和枸杞的根系吸水特征。由圖可以發(fā)現(xiàn)，沙棗樹在垂向上，7月份根系吸水率整體最大，主要是由于地下水埋深越大，上層土壤水分降低，沙棗為了生存，需要扎根到土壤深層中去吸收水分，使得剖面內(nèi)根系吸水率出現(xiàn)波動(dòng)性變化，但20 cm以上9月份根系吸水率最大，7月份根系吸水率最小，這主要是由于9月份相較于7月份降水量大，蒸發(fā)小的緣故；檉柳根系隨深度增加，180-220 cm之間根系吸水率達(dá)到最大，主要是由于地下水埋深越大，上層土壤水分降低，檉柳為了維持生存，需要扎根到土壤深層中去吸收水分；枸杞根系吸水速率在垂向上呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)，由于植被生長(zhǎng)對(duì)水的需求增大，因此根系吸水速率也在增大，吸水層次不斷下移，主要集中在10-20 cm 之間，且枸杞根系在土壤深層90-120 cm上根系吸水也是增大的。

圖4 沙棗根系吸水速率特征

圖6 枸杞根系吸水速率特征

三、結(jié)論

（1）當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥? m時(shí)，土壤溫度和地下水對(duì)包氣帶淺層土壤含水量幾乎沒有影響。

（2）通過對(duì)研究區(qū)優(yōu)勢(shì)植被根系吸水速率分析，得出植被在生長(zhǎng)過程中根系吸水速率分布特征。7-8月植被生長(zhǎng)成熟期間，由于氣溫升高，蒸發(fā)量較大，植物需水量增加，根系吸水速率增強(qiáng)；9月份以后植被進(jìn)入衰退期，植被吸水能力逐漸減弱。另外，9月份后蒸發(fā)量相對(duì)降低，降雨量增加，淺層土壤含水量增大，該區(qū)域根系吸水速率增大。

（3）當(dāng)?shù)叵滤裆睢?.0 m，植被根系完全分布在包氣帶中，由于上層土壤水分含量降低，植被為了維持生長(zhǎng)，部分根系向著土壤深層中土壤含水量高的地方延伸，土壤深層根系吸水速率增大。9月份最大根系吸水深度相對(duì)最淺，這可能是由于9月份降水量增大，蒸發(fā)減小，且在9月份后植被逐漸處于衰敗期，深層吸水能力降低，淺層土壤水分可以供給植被生存。

相關(guān)鏈接

地下水埋深是指地下水水面到地表的距離。一般所稱的地下水是指潛水。

潛水 （Underground water）埋藏在地表以下第一穩(wěn)定隔水層之上，具有自由表面的重力水。潛水的自由表面稱潛水面，潛水面的絕對(duì)標(biāo)高稱為潛水位，潛水面距地面的距離稱為潛水埋藏深度，即地下水埋深。一般埋藏在第四紀(jì)疏松沉積物的孔隙中或出露地表基巖的裂隙中，它的埋藏深度及含水層厚度各處不一，有時(shí)相差很大，山區(qū)地表切割厲害埋藏較深，含水層厚度差異較大；平原地表切割微弱，埋藏淺，甚至出露地表，形成沼澤，含水層厚度差異小。同一地區(qū)，潛水埋藏深度及含水層厚度，有季節(jié)變化，多雨季節(jié)，補(bǔ)給量較多，因而含水層厚度增大，埋藏深度變淺；干旱季節(jié)則相反。潛水一般埋藏較淺，分布較廣，便于開采，廣泛地用作供水水源。但由于含水層之上無(wú)穩(wěn)定隔水層存在，所以容易受到污染。