遼西北流動沙丘土壤水分運動時空變化規律研究

姜 濤

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

遼西北流動沙丘土壤水分運動時空變化規律研究

姜 濤

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

遼西北沙漠化地區沙地水分的運動變化有其獨到的運行軌跡,本文通過試驗的方法來研究沙丘區土壤水分的時空變化特征,從土壤含水率隨時間變化而變化的角度分析了沙地水分的動態變化,對保護當地有限的水資源、提高水資源有效利用率具有重要現實意義。

土壤水分;沙丘土;時空分布;變化

水是研究沙丘土壤生態影響的重要因素，近年來，隨著沙漠化地區干旱的加劇，一些沙地的灌草植被出現了枯死現象，造成固定沙丘活化，使脆弱的生態系統進一步惡化。由于地理位置、氣候條件和土壤特性的差異，開發利用沙地資源，發展沙地產業及沙地治理的生態經濟模式對固沙植物選種、防風固沙、退化生態系統的修復具有重大理論意義。

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沙干旱區，位于東經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、章古臺、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。北部邊界與內蒙古科左后旗鄰接，是遼寧省的重點風沙區。

2 降雨條件下沙地土壤水分變化特征

入滲是水分進入土壤形成土壤水的過程，降雨入滲是沙地土壤水補給的主要來源。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，發揮沙地有限水的最大效益，恢復植被，為保持沙地生態系統的平衡提供理論依據。

2.1試驗方法

選擇一處裸平地(2m×2m)作為測試小區，在測試區附近選擇另一裸平地作為對照區。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(取3個測點)。降雨后，立即進行測試，每隔1、3、5、12h，1、2、3、5、7d進行測試，直到前后2次的含水量無顯著差異，水分運動基本平衡時為止。采用注水法，通常使用同心環入滲裝置，一般常用的同心環為二同心鐵環，內外環中維持同樣水層深度，通過記錄某一時段的入滲量來計算土壤入滲率變化過程。

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

2.2 試驗結果

2.2.1 土壤含水量隨時間的變化特征

降雨后，沙地土壤水分在不同時間出現了不同的動態分布趨勢。雨后監測結果表明，0～60c m的土壤含水量急劇上升，顯著高于對照，而60～160c m變化不大。0～60c m平均含水量比對照區高136%，20～40c m含水量達到最大，為 16.83%，比對照區高282.8%，這說明60c m深度是沙地水分活躍程度的一個重要分界線，與前人研究結論基本一致。如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著時間的延續，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%，與對照區各層土壤含水量平均值5.11%持平;120～160c m比24h前降低18%，但比對照高64%，說明隨著土壤水分的再分配，降雨能夠補給到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照低，而120～160c m的土壤含水量略高于對照，這說明土壤水分再分配過程仍在進行。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 流動沙丘土壤水分運動時空變化特征

3.1 試驗方法

挑選典型的流動沙丘土壤3處，在各采樣點用土鉆取土，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，烘干法進行土壤含水量的測定。從2014年4月8日開始，10月末結束，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月降水次數較多，共計13次，占總降水次數的50%;4和10月降水次數較少，共計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 流動沙丘土壤水分時間變化特征

沙地土壤水分狀況不僅受沙土礦物、機械組成的影響，也受氣溫、降水、植被類型、植被密度的影響。降雨是該區土壤水分補給的主要來源。流動沙丘土壤含水量變化主要受降雨與蒸發的影響。沙土含水量的時間變化與降雨季節和降雨量有密切關系，土壤含水量與當月降雨量存在顯著的相關關系，即土壤含水量隨當月降雨量的增加而增大。

經測定，流動沙丘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，說明流動沙丘各層土壤含水量隨降雨補給而變化，而且各樣點表層土壤含水量受降雨和蒸發影響十分顯著。如5月14日雨前土壤含水率為2.1%，降雨后達到5.1%，由于一個月內沒有降雨，6月15日達到0.3%。

圖2 流動沙丘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

沙丘水分垂直動態受沙丘質地、水分來源、植被狀況、地貌特征及氣象條件等諸多因素影響。由于流動沙丘迎風坡風蝕、背風坡積沙以及丘底潛水埋深和光照等控制著流動沙丘土壤水分分布規律，同時，流動沙丘的風蝕積沙對降水的再分布產生一定的影響，各部位干沙層的發育也出現差異，因此，流動沙丘各部位土壤水分垂直變化顯得相對復雜。流動沙丘各層土壤含水量的平均值、極值、極差、標準差和變異系數見表2。

表2 流動沙丘土壤含水量的變化趨勢統計分析

由表2可知，流動沙丘0～10c m的含水量變異系數為51%，變異程度最大，說明此層受降雨及地表蒸發影響強烈，＜1.7%的含水量出現36次，占24%，在連續干旱無雨時期，此層含水量一般在1%以下，因此干旱無雨的季節，在流動沙丘上播種或苗植小灌木很難成功。流動沙丘10～80c m的含水量變異系數在40%左右，和表層比較，土壤含水量變化程度相對小些，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18次，占12%。流動沙丘80～120c m是土壤含水量比較穩定的層次，但由于2014年7和8月出現的3次較大降雨對此層進行了補給，造成此層土壤含水量變異程度也較大。雖然流動沙丘垂直變化相對復雜，但流動沙丘土壤水分分布也表現出分層性，根據土壤含水量的變化特征可分為以下幾層。

表層干沙層:干沙層的發育是沙地水分下滲、蒸發和凝結共同作用的結果。干沙層土壤含水量一般在0.1%～0.7%之間，但該層含水量變動很大，在降雨之后含水量迅速升高，雨停之后很快蒸發和下滲，測定期內含水量變幅為0.3%～6.5%。干沙層的厚度隨時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，風速較大，降雨少，干沙層較厚;夏季進入雨季，干沙層受降水影響變化頻繁，干沙層厚度較小，但在夏季連續無雨的日子里，可能達到最厚。該層土壤水分主要受降雨和蒸發的影響，土壤含水量變幅較大，變動范圍在1.2%～6.3%。雨季剖面含水量普遍增大，以20～40c m土層為例，無雨季節水分變動范圍在1% ～2.7%，雨季含水量變動范圍在3.7%～6.3%之間。

5 流動沙丘不同坡向坡位土壤含水量變化特征

研究表明，流動沙丘不同坡向坡位對沙丘土壤水分變化有明顯的影響。流動沙丘迎風坡主要受風蝕，背風坡主要受持續堆沙的影響，形成特有的水分變化趨勢。對4～10月觀測期內流動沙丘迎風坡和背風坡坡底、坡中和坡頂不同深度的平均含水量分析得到，迎風坡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較為穩定，為3.0%左右。背風坡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較為穩定，為1.1%左右。流動沙丘迎風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%，比迎風坡小。這說明背風坡由于持續堆沙的原因，使得整個土壤剖面土壤含水量較小，在相同的降雨條降下，背風坡接受降雨補給的深度比迎風坡淺。

6 結語

通過試驗測定可知:流動沙地水分的主要來源為降雨，由于流動沙丘透水性較好，降雨能迅速下滲，并以懸著毛管水的形式儲存在沙層中。流動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斷裂，致使下層水分不能通過毛管上升，所以使干沙層以下各層土壤水分保持相對穩定的含水量。從另一角度考慮，干沙層以下的流動沙丘就像一個“沙地地下水庫”，給干旱的沙漠化地區提供了較好的水分條件。因此，對流動沙地進行生態修復時，應充分利用其水分條件優勢，但要以水分平衡為前提。

［1］王興鵬，張維江，周麗娜.風蝕沙化過渡地帶沙地水分動態的研究進展［J］.農業科學研究，2005(01):85-88.

［2］董勝君，白雪峰，付青山.遼寧西北部地區土地沙漠化成因及防治對策［J］.沈陽農業大學學報(社會科學版)，2006(01): 61-63.

［3］葉飛，戴如飛，韓瓊玥.湖泊生態治理與管理探索［J］.水利技術監督，2013(01):26-28.

［4］劉新平，張銅會，趙哈林，等.科爾沁沙地流動沙丘土壤水分和特征常數的空間變化分析［J］.水土保持學報，2005(03):156-159+164.

［5］劉鑫.遼寧省凌河流域降雨變化規律研究［J］.水利技術監督，2015(02):58-61.

［6］劉新平，張銅會，趙哈林，等.流動沙丘降雨入滲和再分配過程［J］.水利學報，2006(02):166-171.

［7］湯洪潔.地下水庫發展的探究［J］.水利規劃與設計，2014 (06):4-6+10.

［8］李可，張強，尚薇.城市開發建設中裸露坡面治理和生態恢復［J］.水利規劃與設計，2012(05):56-59+90.

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。