巴丹吉林沙漠包氣帶水熱特征及其關系

趙燁，趙貴章

（華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046）

0 前言

巴丹吉林沙漠屬于典型干旱氣候類型區，位于中國阿拉善高原，其高大沙山、湖泊和地下水之間有著十分緊密的聯系，吸引了許多研究者的關注。目前，在巴丹吉林沙漠地區，對其水熱關系的研究還不多見。因此有必要深入了解、定量刻畫巴丹吉林沙漠地區水熱關系，使巴丹吉林沙漠的研究更加全面。文章以典型干旱區巴丹吉林沙漠南部湖泊區為研究對象，分析土壤含水率及溫度的時間變化特征以及地下10 cm 土層水熱相關關系。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

巴丹吉林沙漠位于內蒙古自治區阿拉善盟境內。沙漠主體部分的經緯度坐標為39°20’～41°40’N、100°00’～103°30’E，涵蓋拐子湖以南、古日乃湖以東、北大山以北、雅布賴山和宗乃山以西，面積近5×104km2，是中國第二大沙漠。沙漠具有溫帶大陸性荒漠草原氣候，總體表現為日照充足、降水稀少、蒸發強烈、晝夜溫差大的特點。沙漠的多年平均降水量為50～100 mm，自東向西遞減，而多年平均蒸發量達到3 500～4 000 mm，說明蒸發潛力遠大于降水量。平均最低氣溫-13 ℃～-7 ℃，平均最高氣溫25 ℃～33 ℃，降水主要集中在6-9月，無霜期140-163 d，1、2和12月為凍結期，干旱指數為14～32。

巴丹吉林沙漠位于阿拉善地塊北部，華北板塊、塔里木板塊等構造單元對其也有影響。總體地勢東南高、西北低，主要由沙漠和沙丘、沖積平原和山區構成。第四系風積砂覆蓋了沙漠表層的大部分區域，且其分選良好。沙漠東南部砂樣中粒徑為0.075 ～2 mm的顆粒占比超過80%，屬于細砂。

1.2 數據采集

在沙漠南部湖泊區打一個深度為300 cm 的鉆孔，鉆孔周圍植被稀少，表面被第四系風積砂覆蓋，土壤主要由砂粒組成。地下水埋深約6 m，在地面以下10、30、50、120、200 cm 處分別安裝傳感器，獲取土壤含水率和土壤溫度的數據，數據采集的時間間隔為1 h。監測期為2020 年1 月10 日到2021 年1月8日。

1.3 數據處理

數據分析前先對小時數據進行預處理，通過SPSS 軟件分類匯總功能得到逐日平均數據。采用Pearson相關分析確定土壤含水率與土壤溫度的相關關系，并建立回歸方程。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度-時間變化特征

土壤溫度隨時間變化特征如圖1所示。

圖1 土壤溫度隨時間的變化情況圖

由圖1 可知：不同深度土層溫度呈現先升高后降低的特點，淺層土壤溫度逐日波動較大，隨著土層深度的增大，土壤溫度曲線逐漸平緩。監測期間，深度10 cm土壤溫度在2020年7月14日達到最高，為33.60 ℃，土壤最低溫度則出現在2021年1 月8 日，降至-9.20 ℃。研究區土壤溫度在6 月升溫最劇烈，10月降溫最劇烈。總體上看，隨著土層深度增加，土壤熱量向下層及上層的傳遞存在一定延遲。在氣溫逐步攀升的上半年，土壤熱量主要向深層轉移；在下半年，土壤熱量則以向淺層地表傳遞為主。

2.2 土壤水分時空變化規律

不同深度土壤含水率隨時間的變化規律如圖2所示。

圖2 不同深度土壤含水率隨時間的變化情況圖

淺層土壤（距地面0～30 cm）處于懸著水帶，水分主要以懸著水的形式存在于土壤中。該水分帶經常直接或間接與外界進行水分交換，水分變化較大，受降雨、蒸發等因素影響較大。春季（3-5 月），氣溫逐漸上升，降雨量略增加，雨強小，蒸發量較大，期間土壤含水率變化緩慢。夏季（6-8 月，6 月數據缺失），氣溫最高，降雨集中，且沙漠夏季降水常以陣雨和暴雨的形式發生，單次降雨持續時間往往不足1 h，表現出較強的隨機性。同時，小型蒸發皿測得的蒸發量也達到最大值，且蒸發量遠大于降雨量。因此，降雨未到達地面就被蒸發掉，地表沒有形成入滲，土壤含水率曲線基本無波動。秋季（9-11月），氣溫逐漸降低，降雨頻次減小，但9月仍處于降雨集中的時期，雨過之后，表層土壤較濕潤，土壤蒸發大，土壤含水率迅速下降。降雨期間，土壤含水率曲線波動劇烈。10 月份，降水量顯著減小，土壤含水率持續下降。冬季（12月至次年2月），降雨少，蒸發小，氣溫降低，表層土壤開始凍結，土壤含水率降低。自12月13日以后，土壤溫度持續低于零度，土壤含水率先降低后維持相對恒定。

深層土壤（距地面50～200 cm）位于懸著水帶以下的中間包氣帶和毛管水帶中。地下水埋深約6 m。由于毛管水帶下端有充分的水分來源，主要受土壤溫度的影響。50 cm深度的土層位于過渡區，該土層既受淺層活躍土層的影響，也受深部土層影響。靠近潛水面時，含水率隨著土層深度的增加而增加，這是地下水毛細上升作用對包氣帶的影響。200 cm 深處土層的土壤含水率在5月末開始大幅度下降，并在8月21日達到最低點，這可能是地下水位下降所導致的。

2.3 土壤水分和溫度的關系

溫度作為驅動土壤水分遷移的重要因子，決定著水的相變，影響著土壤水分的賦存形式及活動性強度，從而影響土壤水分的入滲速度及再分布狀況。

為了探究土壤含水率和土壤溫度間的關系，文章對10 cm深度處土層的土壤含水率和土壤溫度之間的關系進行研究，并進行了Pearson相關性分析，結果見表1。以確定性系數為主要指標，使用雙尾顯著性檢驗，數據均通過了0.05水平的顯著性檢驗，擬合結果如圖3所示。

表1 不同時段土壤含水率和土壤溫度的相關性分析結果表

圖3 土壤含水率與土壤溫度的關系圖

由圖3 可知：10 月至次年1 月上旬，土壤含水率與土壤溫度有顯著的正相關關系；1-8月，二者沒有相關關系；9月，二者呈負相關關系。10月至次年1月上旬，土壤含水率隨著土壤溫度的降低而減小，擬合得到的確定性系數R2值為0.959 21，擬合效果較好，說明在這期間10 cm深處土壤含水率主要受土壤溫度影響。1-8月，隨著土壤溫度升高，土壤含水率變化不大，說明該時段10 cm 深處土壤含水率基本不受土壤溫度的影響。擬合得到的確定性系數R2為0.601 87。9月份，土壤含水率隨土壤溫度降低而增大，擬合的確定性系數R2為0.652 48。9月降雨對10 cm深處土壤含水率影響較大，點的分布離散。降雨量峰值出現在9月，而該月份蒸發減弱，導致土壤含水率增大。

3 結 論

①土壤溫度隨季節呈現先升高后降低的變化規律，淺層土壤溫度逐日變化幅度較大，隨土層深度增大，土壤溫度的波動幅度逐漸減小，且土壤熱量向相鄰土層傳遞的時間存在延遲。在氣溫升高的上半年，土壤熱量主要向深層轉移；在下半年，土壤熱量主要向淺層地表傳遞。②在雨季，氣象要素對淺層土壤含水率影響最大，其余時段，淺層土壤含水率受土壤溫度和氣象要素的雙重影響；深層土壤含水率主要受氣溫主導的土壤溫度影響。③對于10 cm深處土層，其土壤含水率和土壤溫度呈一定的相關性：10月至次年1月上旬，呈顯著的正相關關系；1-8月，二者間呈不相關關系；9月，二者呈負相關關系。