中國沙漠(地)土壤水分深層滲漏研究進展

特日格勒，馮 偉，楊文斌，李鋼鐵，李 衛(wèi)

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.錫林郭勒職業(yè)學院，內蒙古 錫林浩特 026000;3.中國林業(yè)科學研究院 荒漠化研究所，北京 100091)

1 引言

沙地作為一種裸露的生態(tài)系統(tǒng)，因受到基質貧瘠和干旱氣候的影響，通常是風沙活動強烈、土層水分嚴重不足的地區(qū)[1]。沙地土壤水分的變化不僅受到土壤機械組成、地形以及植被的影響，還強烈依賴于降雨的時空變化[2]，土壤水分是影響植物生長和發(fā)育的最重要的環(huán)境因素之一，尤其是在干旱、半干旱地區(qū)，降水量少且蒸發(fā)強烈，土壤含水率低(體積含水率一般<10%)，土壤水分是影響植被恢復與重建的關鍵因素[3，4]，沙丘水分的狀況直接決定著沙地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的方向[5]。降水入滲是研究沙地水分循環(huán)和水量平衡的重要環(huán)節(jié)[6]，而深層土壤水的入滲是大氣降水轉化為地下水資源的關鍵環(huán)節(jié), 對地下水資源的形成起著重要作用[7]。

利用人工固沙植被防止沙害是國際公認的沙區(qū)生態(tài)重建最有效的方法和途徑之一[8]，經過多年的發(fā)展，我國沙區(qū)人工植被建設取得了顯著成就，有效遏制了沙漠化發(fā)展，促進了當地生境恢復[9]。但是在實際工作當中，營造防風固沙林方面也存在一些問題。其主要原因是未觀測到干旱半干旱風沙土土壤水分尤其是深層土壤水分滲漏的動態(tài)特征和植被需水量，缺乏大氣-植被-土壤連續(xù)體水分動態(tài)的基礎理論，在選擇適宜樹種、適宜造林密度、合理造林模式等方面缺乏科學研究和認證[10]。深入研究沙地土壤水分深層滲漏的時空分布特征、降雨格局的動態(tài)變化以及深層滲漏的研究方法已成為當前研究的關鍵問題。

2 沙地土壤水分深層滲漏量的研究方法

關于干旱-半干旱地區(qū)深層滲漏的研究，取得了重要進展[11]，其研究手段與方法尤為重要，目前，在土壤水分深層滲漏研究方法和監(jiān)測手段上，主要有經驗方程、物理方法(蒸滲儀法、土壤水分通量法、水量平衡方法、達西方法、地下水位動態(tài)監(jiān)測法)、示蹤方法和數值模擬方法等[12]。劉元波等[13]1993年，應用土壤水動力學基本原理，使用中子水分儀監(jiān)測騰格里沙漠水分動態(tài)。劉新平等[14]通過野外監(jiān)測和模擬降雨、CNC503DR型中子水分儀、TDR(時域反射儀)管等結合試驗對科爾沁沙地流動沙丘降雨入滲補給、再分配過程和蒸發(fā)消耗等方面作了定量研究。原鵬飛等[15]室內和野外模擬降雨的入滲和蒸發(fā)實驗，研究不同降雨量條件下, 毛烏素沙地的最大入滲深度、入滲速率以及每天的蒸發(fā)量。曹靜等[16]利用自制的滲漏水和側向運移監(jiān)測裝置，測量了雨水沿坡面0～100 cm土層的側向運移和100 cm以下的深層滲漏。王宇祥等[17]通過Hydrus-1D 模型對科爾沁沙地半流動沙丘的深層滲漏量進行數值模擬分析，得出半流動沙丘的深層滲漏特征以及對降雨格局的響應。Yang W B等[7]，馮偉等[18]，李衛(wèi)等[19]，吳麗麗等[20]，姚冬梅等[21]，程一本等[10]多人采用土壤深層水量滲漏測試記錄儀YWB-01(自主研發(fā)國家專利號：ZL201110252184.7)，該記錄儀可直接測量土壤水分入滲量，并采用數字化自動記錄方式能連續(xù)觀測[22]。

以上研究方法均有各自特點，烘干法作為傳統(tǒng)且經典的土壤水分測量方法，操作簡單，但不利于連續(xù)測定。TDR法使用便捷、精度高，但耗費大量勞動力，價格昂貴。中子水分儀測定法作為國際公認的先進的土壤含水量測定方法，適用于深層含水量的測定，然而儀器的分辨率需要通過方法來矯正。數值模擬是計算深層滲漏的一種方法，可以預測和模擬深層滲漏，但最大的困難在于獲取準確的輸入參數。通過對比，土壤深層水量滲漏測試記錄儀為直接監(jiān)測土壤滲漏量的儀器，具有定點、實時、連續(xù)記錄滲漏量的優(yōu)點，更受當前學者們的廣泛關注。

3 沙地土壤水分深層滲漏量的時間分布變化

3.1 季節(jié)變化

按沙地水分變化趨勢、剖面水分分布及與氣象條件的關系，將沙地水分年內變化按季節(jié)劃分春季水分變化較微弱(弱失水階段)、夏季水分變化劇烈(降水補給階段)、秋季變化緩慢(失水階段)、冬季沙地水分變化微弱(調整階段)[23]。深層滲漏具有很大的時間變異性，與降雨量的時間分布較一致，深層滲漏量大小順序依次為夏>秋>春>冬，集中補給期主要在6～9月份，滲漏量分別占年總滲漏量70%以上[21]。李衍青等[24]認為科爾沁沙地在季節(jié)變化上，降雨才是土壤水分的關鍵影響因素，而不是植被蒸騰。在同一時期，土壤水分的空間自相關性隨著深度的增加而降低；相同深度的空間自相關性為雨季大于旱季[25]。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[26]。

3.2 凍融對深層滲漏量的影響

季節(jié)性凍融過程對干旱半干旱地區(qū)深層土壤水分滲漏和補給的動態(tài)變化有一定影響[27]。Yang W B等[7]研究發(fā)現在11月份至次年2月份土壤凍結期，深層土壤水分入滲補給量隨凍結深度增加而減少，直到12月份或1月份結束，消融作用造成3月份土壤水分的深層滲漏量的小峰值，該峰值高于4月份的補給量峰值。李衛(wèi)等[19]對毛烏素沙地土壤水分入滲研究表明冬季由于土壤凍結，入滲量逐漸降低，止于12月份，3月份土壤解凍時土壤含水量的升高在深層補給無雨或少雨條件下出現補給高值期，這與Yang W B等[7]的研究觀點一致。Yiben Cheng[28]等研究表明干旱區(qū)冬春兩季冰凍季節(jié)積累的冰雪在凍融季節(jié)不會補充深層土壤水分，相反，深層土壤中的凝結水是凍融季節(jié)深層滲漏量的主要來源。

3.3 各個沙漠(地)滲漏量的時間動態(tài)特征

不同氣候區(qū)不同沙漠(地)土壤水分深層滲漏的時間動態(tài)特征略有不同。李衛(wèi)等[19]的毛烏素沙地烏審旗流動沙地的研究表明2011年深層滲漏5～11月份為主要補給期，占全年總滲漏量的95%；其中6～8月份總滲漏量為203.2 mm，占2011年全年滲漏補給量的58%。毛烏素沙地東北緣樟子松固沙林5～10月份累積降雨均顯著影響0～200 cm層土壤水分變化，其中5～6月份降雨對150 cm以下土層影響較小、9月份后降雨對土壤水分補給作用顯著[29]。馮偉等[18]得出渾善達克沙地正鑲白旗流動沙地7～9月份為主要滲漏補給期，占監(jiān)測期滲漏總量的83.0%，而古爾班通古特沙漠阜康由于監(jiān)測期內降雨量少，沒有表現出明顯的滲漏補給期，科爾沁沙地章古臺、毛烏素沙地伊金霍洛旗、庫布齊沙漠達拉特旗等地監(jiān)測表明固定沙丘深層滲漏與降雨在時間上沒有一致性，均無明顯集中滲漏補給期。

4 沙地土壤水分深層滲漏量的空間分布變化

4.1 不同類型沙地的空間分布變化

不同類型沙丘具有不同的土壤水分循環(huán)過程，土壤水分在整個土體剖面中的動態(tài)變化和變異性反映出一定的層次性和差異性[30]。呂貽忠[31]等利用毛烏素沙地不同沙丘進行的沙丘土壤水分變化和差異性分析表明，土壤水分存在明顯的時空變異性，無論是春季還是夏季，流動沙丘的含水量>半固定沙丘的含水量>固定沙丘的含水量。李森等[32]對騰格里沙漠東南緣不同固定程度沙地土壤水分時空變化進行遙感分析，得出流動沙地和半固定沙地年降雨量的變化一致，而固定沙地的年際變化不明顯。在不同固定程度的沙丘上，不同植被覆蓋度和根系分布對土壤耗水量和蒸散量的影響不同，導致土壤水分差異明顯[33]。與其他類型沙地相比，流動沙地可以在一定程度上儲存降雨和補給地下水，甚至可能向周圍其他類型的沙地補給深層土壤水分，人工植被建設的土壤水分條件更好[34]。G.W.Gee等[35]指出，在干旱半干旱地區(qū)，植被明顯減少了深層滲漏量，同時植被類型對深層滲漏也有很大的影響。因此，流動沙地的深層滲漏量往往高于其他類型的沙地，而固定沙地的土壤水分被植物根系所吸收，所以深層滲漏量最低。

4.2 垂直變化

劉元波等[13]指出，在騰格里沙漠吸水過程變化很快，而脫水過程變化緩慢，在降雨入滲的動態(tài)變化過程中，沙體的體積含水率和吸力變幅由淺至深由大到小，且0.6 m深度是沙地活躍程度的重要分界線。楊佩國等[36]根據毛烏素沙地土壤水分垂直變化把土壤剖面劃分為土壤水分易變層(0～30 cm)、利用層(30～90 cm)和調節(jié)層(90～120 cm)。劉新平等[14]研究表明科爾沁沙地流動沙丘0～200 cm 深度土層有明顯的垂直特征, 0～20 cm為表層干沙層；20～140 cm為降雨影響的變化層；140 cm以下為深部穩(wěn)定層。曹靜等[16]指出科爾沁沙地典型流動沙丘5～10月份生長期的不同坡向和坡位的累積深層滲漏存在一定差異，不同坡位累積深層滲漏為坡底>坡中>坡頂。李新凱等[37]認為蘚結皮的存在可增加毛烏素沙地東南緣沙蒿、沙柳、檸條根層0～80 cm土壤水分，同時降低80～200 cm深層土壤水分。

4.3 各個沙漠(地)滲漏量的空間動態(tài)特征

不同氣候區(qū)的各個沙漠(地)土壤水分的深層滲漏量存在明顯的空間差異，見表1。Yang W B等[7]對毛烏素沙地等4大沙漠(地)的流動沙地連續(xù)2年的監(jiān)測資料表明，降雨的深層滲漏水量自東向西由半干旱區(qū)向干旱區(qū)遞減。馮偉等[18]對亞濕潤干旱區(qū)科爾沁沙地南緣的章古臺，半干旱區(qū)渾善達克沙地南緣的正鑲白旗渾善達克沙地等6個沙漠(地)的7個地區(qū)作為樣地進行連續(xù)監(jiān)測，表明流動沙丘的空間差異顯著，變化趨勢與降雨量空間變化較一致，從半干旱區(qū)向干旱區(qū)呈現由東向西逐漸減小的趨勢，滲漏量占降雨量的比例差異較大；固定沙丘空間差異不明顯，深層滲漏量均不超過同期降雨的2.0%，降雨量不是影響深層滲漏的主要因素，而沙丘植被蓋度對深層滲漏量的影響較大。

表1 各個沙漠(地)降雨量與深層土壤水分滲漏補給量

5 沙地土壤水分深層滲漏量的影響因素

5.1 降雨量對深層滲漏量的影響

降雨是沙地土壤水分的供給源, 沙地土壤水分的空間異質性與降水季節(jié)和降雨量密切相關[38]。降雨與入滲深度有著密切的關系,相同降雨強度下,降雨入滲深度隨降雨量的增加而增加,降雨量越大,入滲越深,在相同的溫度下,水分在沙地中儲存時間越長,植物可以利用的時間就越長[15]。小降水事件只能補給土壤的表層，而一定規(guī)模范圍以上的強降水事件才可以有效補給深層土壤水分[39]。土壤補水量是制約缺水地區(qū)土壤植被承載力的重要因素之一[40]。劉新平等[14]研究發(fā)現科爾沁沙地流動沙丘13.4 mm 的降雨量是無效降水和地下水補給的分界點；降雨量≥20 mm可使蒸發(fā)層土壤在重新分配后達到最小持水量；降雨量≥50 mm可通過土壤水分的再分配使120 cm深度的土壤水分達到飽和持水量, 然后下層被排水入滲飽和。Ayalon等[41]研究認為大于15 mm 的降水對沙地土壤水分有一定的滲漏補給。閆德仁等[42]研究表明，渾善達克沙地流動沙丘小于20 mm降雨的濕潤深度低于20 cm，30 mm左右降雨濕潤深度為40～80 cm，39.39 mm和78.49 mm降雨的濕潤深度可達120 cm土層。Yang W B等[7]研究認為≥25 mm 的強降雨對干旱半干旱區(qū)流沙地深層土壤水分的滲漏和補給具有重要作用。

5.2 降雨強度、歷時以及降雨頻次對深層滲漏量的影響

中國沙區(qū)深層土壤水分補給主要來自于強降雨或高頻次小降雨事件，特別是干旱區(qū)降水少、頻次低，其深層土壤水分補給更加依賴于強降水[21]。王建新等[43]從能量(水勢)的角度建立降雨入滲模型，發(fā)現降雨開始后，土體負壓值迅速下降，降雨強度越大，下降速度越快，當土壤達到穩(wěn)定含水率時，負壓達到穩(wěn)定值，降雨強度對土壤非飽和滲透系數影響較大。Yi Bencheng等[44]研究發(fā)現在沙地降雨發(fā)生后71 h和306 h之間的降水對200 cm的深層入滲或滲漏量沒有貢獻，換言之，在200 cm深度出現的滲漏量應歸因于71 h之前的降水事件，其中累積降水量為53.8 mm。李衛(wèi)等[16]發(fā)現當風沙土含水量處于田間持水量以上時，在降雨量累積達到20.0 mm 左右時，雨后36～48 h可以入滲到150 cm土層以下。張軍紅等[45]研究發(fā)現，無論降水強度如何，生物結皮對降水入滲都有一定的影響，且降水強度越小影響越大，小于5 mm的降水被地表結皮完全吸收，使得對10 cm之下的土壤水分無法進行補給，小于20 mm的降水量無法補給40 cm之下的土壤水分。

5.3 土壤初始含水率對降雨入滲的影響

初始含水率較低時有利于徑向入滲，而初始含水率較高時更有利于垂向入滲[46]。表層土壤水分較低，隨著土層厚度的增加而逐漸增加，達到一定土層后逐漸減少,也就是說，隨著土層厚度的增加，土壤水分呈“先增加后減少，而后又增加”的趨勢[47]。馮偉等[48]研究表明在毛烏素沙地沙柳固定沙丘初始含水量較低水平(0～200 cm為4.26%±0.23%)時單場降雨53.8 mm(<71 h，雨強>0.8 mm/h)通過入滲及再分配入滲濕潤鋒可達到200 cm，且可使0～60 cm土層含水量達到波動峰值，對60 cm以下土層水分影響較小(變幅<1%)。初始含水量較高水平(0～200 cm為6.16%±0.57%)時單場降雨88.6 mm(<62h，即雨強>1.4mm/h)入滲深度150 cm以下，再分配入滲深度達200 cm以下，且極顯著影響0～200 cm土壤水分變化。吳麗麗等[20]通過對2016～2017年毛烏素沙地土壤蓄水量和深層滲漏水量的動態(tài)分析顯示，降雨量較大時，土壤蓄水量整體上大幅增加，其引起的瞬時滲漏使3個沙層的滲漏量明顯增加；在降雨量較小的情況下，僅對0～50 cm層蓄水量影響較大，土壤水分在重力作用下緩慢向下移動，導致下層蓄水量增加并延緩滲漏，土壤蓄水量變化和深層滲漏也比較穩(wěn)定。

6 討論及展望

水量平衡與水循環(huán)始終是干旱、半干旱區(qū)植被建設所面臨的核心科學問題, 并決定著植被的可持續(xù)發(fā)展和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[49]。朱雅娟等[50]認為未來降水減少將導致半干旱區(qū)的土壤水分減少，例如，從1988～2007年，呼倫貝爾市的土壤水分與年降水量成顯著正相關，降水減少導致0～50 cm土壤水分含量以 3.816～20.723 mm/a速度逐年劇減。然而，在山水林田湖草系統(tǒng)治理、北方防沙帶生態(tài)保護和修復重大工程中，水是基礎，優(yōu)化配置林、田、草的建設，滲漏水是沙區(qū)水循環(huán)的關鍵，沙區(qū)的水量平衡與水循環(huán)以及沙地植被的可持續(xù)發(fā)展和沙地深層滲漏水密切相關。

由于監(jiān)測儀器的測量精度，現階段對深層土壤水分滲漏過程的研究還沒有大規(guī)模開展，許多問題仍然是研究的熱點[51]，需要我們積極探索。土壤水分入滲是一個比較復雜的過程，在不同沙地類型的土壤水分深層滲漏的研究上當前關于流動沙地的深層滲漏研究較多，而半固定和固定沙地的研究較少。在流動沙地的深層滲漏研究中還需進一步探索沙地土壤理化性質與滲漏量的關系，流動沙地土壤理化性質如容重、孔隙度、田間持水量以及沙土的機械組成等直接影響土壤濕度, 并且對降水的再分配起很大作用[52]。在干旱半干旱地區(qū)，植被影響著降水在土層中的分布和地表的蒸散狀況，使得土壤的有效水向淺層分布，降水在土壤不同深度的分配和入滲深度決定了地表植被的生活方式，從而影響地表植被的演替方向及頂級類型[53]。固沙植物的生長明顯降低了有效土壤水分供給量, 多數植物受到水分脅迫的影響[54]。固沙植被水量平衡包括植被蒸騰、土壤蒸發(fā)、冠層截留、地表徑流、樹干徑流、土壤蓄存、土壤滲漏等主要要素，通過不同類型沙地生長季前、后土壤蓄水量的變化值估算沙地土壤水分虧缺狀況；并結合降雨截留數據，初步估算不同類型沙地的水量平衡關系[55]。

前人在降雨截留估算、土壤水分蒸發(fā)模擬、水量平衡初步估算、利用水量平衡公式估算蒸發(fā)量模擬等水量平衡方面均有研究，但在土壤溫度對蒸發(fā)量及深層滲漏量的影響上未做詳細研究，未來應在土壤溫度對滲漏速率的影響、通過滲漏量估算實際蒸發(fā)量等方面深入研究與探討。降水影響了土壤水分狀態(tài), 而土壤水分狀態(tài)變化又進一步影響植物的蒸騰和地面的蒸發(fā)作用[56]。干旱和半干旱地區(qū)的年深層滲漏量主要取決于強降水事件[10]，但目前尚無直接指示強降水事件的閾值研究。將來，可通過人工模擬降雨建立深層滲漏模擬模型，進而利用水量平衡公式模擬出土壤蒸發(fā)動態(tài)。