毛烏素沙地流動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,馮 偉

1 中國林業科學研究院荒漠化研究所,北京 100091 2 中國治沙暨沙業學會,北京 100714 3 錫林郭勒職業學院,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]。由于沙區的地下水埋藏較深,深層滲漏過程一般是不連續的,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]。之前對于土壤滲漏的研究多集中在森林、農田等方面,與這些生態系統內其他幾個水分循環分量相比,土壤滲漏水量所占比例較小,大多數的研究都將這一分量進行簡單的估算,或者直接忽略不計[5- 7]。而沙地的土壤深漏是大氣降水轉化為地下水的關鍵環節,也是沙地水分循環及水量平衡中的重要環節[8- 11]。對這一分量的準確測算,能夠增進對沙地降雨的分配、轉移及運輸過程中定性與定量規律的認識[12- 15]。

目前針對土壤水分深層滲漏研究方法和監測手段上,主要有經驗方程法、物理方法、示蹤方法和數值模擬等[16-18]。近些年,一種滲漏水量的直接監測儀器在研究中逐漸應用(土壤深層滲漏水量記錄儀,專利號：ZL201110252184.7),它適應于沙漠、森林、農田、河道等多種土壤類型深層滲漏水量監測,并在沙漠水分深層滲漏監測方面取得了較為準確的滲漏量數據及滲漏過程動態特征[19-21]。本研究利用土壤深層水量滲漏測試記錄儀對毛烏素沙地典型的流動沙丘50、100 cm和200 cm 3個層次的土壤滲漏水量進行定點實時監測,定量分析降雨條件下沙地土壤滲漏特征,研究將對系統揭示沙地生態系統內水分的動態過程提供依據,并為毛烏素沙區水資源評估提供可靠的數據。

1 研究區概況

依據我國干旱、半干旱區流動沙地降雨的深層滲漏量及動態變化的研究結果看,除遇極端降雨年份外,自然降水條件下,半干旱區深層土壤(150 cm以下)具有明顯的滲漏[1],故在本項研究中,將研究區選在半干旱區的毛烏素沙地(年降雨量250—400 mm)的東北緣(圖1),行政區劃隸屬于內蒙古自治區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,年蒸發量2592 mm,年平均風速3.6 m/s,平均日照時間2900 h,平均相對濕度52%,屬于典型的溫帶大陸性氣候。地貌以流動沙丘為主,沙丘高6—12 m。研究區風沙土的土壤容重為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)穩定入滲速率為3.8 mm/min。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of study area

2 試驗方法

2.1 滲漏水量的測定

本研究采用土壤深層水分滲漏計量儀(分辨率0.2 mm,精度±2%)實時監測。深度為200 cm沙層滲漏儀布設過程如下：首先在沙丘的丘間低地選定監測點,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)緊靠完整剖面一側裝入,此時毛管持水部上沿在土壤200 cm深度,計量部將記錄滲漏到200 cm以下的水量；用水平儀調平后,將滲漏儀置入并將數據采集線接出地面。滲漏桶內加入足量的水,并對滲漏儀進行檢驗,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日的連續數據,可以將儀器安裝對土壤結構的影響忽略。定期對儀器進行維護,并確保沙地處于裸露流動狀態。監測數據每30 min記錄一次,0:30—24:00記錄數據的和為當天的滲漏量。

2.2 降雨量的測定

采用美國AVALON公司AV- 3665R雨量自動監測系統(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 數據處理

本實驗中,對所有的數據采用EXCEL軟件進行統計分析,并采用IBM SPSS Statistics 19軟件進行Pearson相關性分析,分析降雨量和土壤深層滲漏量之間的相關性,當顯著性檢驗值P<0.05時為顯著性差異,P<0.01為極顯著性差異。利用Origin 9.1軟件進行圖表的繪制。

3 結果

3.1 流動沙丘不同深度土壤滲漏的動態特征

3.1.1 沙地土壤滲漏的日動態特征分析

整個監測期內,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%。總體來看,50 cm沙層第一次明顯滲漏出現在2016年7月9日,為30 mm,最多連續滲漏天數為35天,日滲漏水量的波動系數為4.7052,波動較大；100 cm沙層第一次明顯滲漏出現在7月10日,為16 mm,最多連續滲漏天數為111 d,日滲漏水量的波動系數為3.0993,波動有所降低；200 cm沙層第一次明顯滲漏出現在7月9日,為5.4 mm,最多連續滲漏天數為121 d,日滲漏水量的波動系數為2.1742,波動較小(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態特征分析

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充沙層的含水量,以及滲漏對降雨響應的延遲性等原因,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月達到最大,7—9月的滲漏總量占整個監測期的93.13%；之后一直到2017年3月,期間雖然滲漏頻率占該層整個監測期的47.53%,但總滲漏量僅占整個監測期的6.62%。

100 cm沙層的滲漏總量在7月達到最大,明顯的滲漏一直延續到11月,這段期間的滲漏總量占整個監測期的95.66%；之后一直到2017年3月,期間雖然滲漏頻率占該層整個監測期的28.71%,但總滲漏量僅占整個監測期的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月達到最大,明顯的滲漏延續到10月,這段期間的滲漏總量占整個監測期的94.07%；之后一直到2017年3月,期間雖然滲漏頻率占該層整個監測期的40.91%,但總滲漏量僅占整個監測期的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度累計天數分布特征

如圖5所示,整個監測日期共365 d。其中,監測到降雨的天數為70 d,累計降雨量為549.8 mm,最大日降雨量為66.7 mm。0<降雨強度≤5 mm的天數占全年的12.6%,降雨量>25 mm的天數占全年的1.37%。

監測到50 cm沙層滲漏的天數為162 d,累計滲漏水量為401.6 mm,最大日滲漏水量為37.1 mm。0<滲漏水量≤1 mm的天數占全年的33.15%,滲漏水量>10 mm的天數占全年的2.74%。

監測到100 cm沙層滲漏的天數為209 d,累計滲漏水量382.2 mm,最大日滲漏水量為36.4 mm。0<滲漏水量≤1 mm的天數占全年的39.45%,滲漏水量>10 mm的天數占全年的2.19%。

監測到200 cm沙層滲漏的天數為198 d,累計滲漏水量286.8 mm,最大日滲漏水量為25.2 mm。0<滲漏水量≤1 mm的天數占全年的36.99%,滲漏水量>10 mm的天數占全年的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度累計天數分布圖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度累計量分布特征

監測到0<降雨強度≤5 mm的累計量占總累計降雨量的8.75%；降雨量>25 mm的累計量占總累計降雨量的47.27%。50 cm處沙層0<滲漏水量≤1 mm的累計量占總滲漏水量的10.36%；而滲漏水量>10 mm的累計量達到總滲漏水量的70.09%。100 cm處沙層0<滲漏水量≤1 mm的累計量占總滲漏水量的16.12%；滲漏水量>10 mm的累計量達到總滲漏水量的37.26%。200 cm處沙層0<滲漏水量≤1 mm的累計量占總滲漏水量的18.06%；而滲漏水量>10 mm的累計量達到總滲漏水量的19.87%(圖6)。

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

3.3 降雨量與流動沙丘不同深度土壤滲漏水量的關系

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關系。由于滲漏具有延遲性等特征,對觀測時間進行了累計,分別對日、周、半月、月累計的降雨量和各層滲漏水量之間進行Pearson相關分析,從表1可以看出：日、周、半月、月累計的降雨量和50 cm沙層滲漏水量之間都顯著相關(P<0.01)；周、半月、月累計的降雨量和100 cm沙層滲漏水量之間都顯著相關(P<0.01)；半月累計降雨量和200 cm沙層滲漏水量之間在0.01水平上顯著相關,月累計量在0.05水平上顯著相關。對3組數分別進行線性擬合后發現,對于每一組來說月累計量的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關系

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

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

4 結論與討論

(1)有研究指出[19],流動沙地深層滲漏量與降雨變化時間上具有相對一致性,滲漏補給高峰出現在雨季,但降雨對深層滲漏的補給具有滯后性和延時性。本研究通過對3個沙層土壤滲漏的動態特征分析發現,在降雨條件下,在2016年4—6月監測到總降雨量為122 mm,但3個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間和頻率,隨沙層的增加而逐漸增加。

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

(3)本研究對降雨量和各沙層滲漏水量日、周、半月、月累計量之間進行相關分析和線性擬合后發現,50 cm沙層滲漏水量對降雨的響應最強,越往深處滲漏水量對降雨的響應越弱。有研究發現,深層滲漏量和降雨量之間均呈顯著正相關關系,隨著累計天數的增加,深層滲漏量和降雨量的相關關系更好[21]。本研究結果證明,對于50、100 cm和200 cm3個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系更密切。

(4)由于前期對于沙地土壤深漏水量的研究還比較少,本研究也只是對毛烏素沙地流動沙丘不同深度土壤滲漏水量的分布特征、動態特征以及與降雨量的相關性等方面進行了簡單分析,對影響沙地土壤滲漏的其他因子,如降雨強度、土壤含水量等方面還有待于進一步研究。此外,本研究采用的監測時間還比較短,為了能對影響沙地土壤滲漏有更清楚的認識,還需要進行長期連續的監測。