毛乌素沙地流动沙丘不同深度土壤渗漏特征

吴丽丽,程一本,杨文斌,*,朱 斌,党宏忠,李 卫,冯 伟

1 中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091 2 中国治沙暨沙业学会,北京 100714 3 锡林郭勒职业学院,锡林浩特 026000

降雨入渗到土体后,从某一深度的土层渗漏出去的水量称为土壤渗漏水量[1- 2]。由于沙区的地下水埋藏较深,深层渗漏过程一般是不连续的,受到降雨、蒸散和地形、地貌特征的综合影响,定量估算深层渗漏量尤为困难[3- 4]。之前对于土壤渗漏的研究多集中在森林、农田等方面,与这些生态系统内其他几个水分循环分量相比,土壤渗漏水量所占比例较小,大多数的研究都将这一分量进行简单的估算,或者直接忽略不计[5- 7]。而沙地的土壤深漏是大气降水转化为地下水的关键环节,也是沙地水分循环及水量平衡中的重要环节[8- 11]。对这一分量的准确测算,能够增进对沙地降雨的分配、转移及运输过程中定性与定量规律的认识[12- 15]。

目前针对土壤水分深层渗漏研究方法和监测手段上,主要有经验方程法、物理方法、示踪方法和数值模拟等[16-18]。近些年,一种渗漏水量的直接监测仪器在研究中逐渐应用(土壤深层渗漏水量记录仪,专利号：ZL201110252184.7),它适应于沙漠、森林、农田、河道等多种土壤类型深层渗漏水量监测,并在沙漠水分深层渗漏监测方面取得了较为准确的渗漏量数据及渗漏过程动态特征[19-21]。本研究利用土壤深层水量渗漏测试记录仪对毛乌素沙地典型的流动沙丘50、100 cm和200 cm 3个层次的土壤渗漏水量进行定点实时监测,定量分析降雨条件下沙地土壤渗漏特征,研究将对系统揭示沙地生态系统内水分的动态过程提供依据,并为毛乌素沙区水资源评估提供可靠的数据。

1 研究区概况

依据我国干旱、半干旱区流动沙地降雨的深层渗漏量及动态变化的研究结果看,除遇极端降雨年份外,自然降水条件下,半干旱区深层土壤(150 cm以下)具有明显的渗漏[1],故在本项研究中,将研究区选在半干旱区的毛乌素沙地(年降雨量250—400 mm)的东北缘(图1),行政区划隶属于内蒙古自治区伊金霍洛旗查干淖尔嘎查(39°05′N,109°36′E,海拔1306 m),丘间地地下水埋深5.3—6.8 m。年均气温6.4℃,年降水量360.8 mm,年蒸发量2592 mm,年平均风速3.6 m/s,平均日照时间2900 h,平均相对湿度52%,属于典型的温带大陆性气候。地貌以流动沙丘为主,沙丘高6—12 m。研究区风沙土的土壤容重为1.57 g/cm3,田间持水量为6.85%,最大持水量为14.82%,表层(0—5 cm)稳定入渗速率为3.8 mm/min。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

2 试验方法

2.1 渗漏水量的测定

本研究采用土壤深层水分渗漏计量仪(分辨率0.2 mm,精度±2%)实时监测。深度为200 cm沙层渗漏仪布设过程如下：首先在沙丘的丘间低地选定监测点,挖取320 cm深土壤剖面,从下到上依次将渗漏仪排水部(15 cm)、计量部(35 cm)、集流部(5 cm,砾石、陶粒填充)、毛管持水部(65 cm,原状土填充)紧靠完整剖面一侧装入,此时毛管持水部上沿在土壤200 cm深度,计量部将记录渗漏到200 cm以下的水量；用水平仪调平后,将渗漏仪置入并将数据采集线接出地面。渗漏桶内加入足量的水,并对渗漏仪进行检验,以确保工作正常。同理,相邻的挖取220 cm深土壤剖面和170 cm深土壤剖面,分别安装100 cm沙层渗漏仪以及50 cm沙层渗漏仪。

仪器安装的时间为2012年9月,本文选用2016年4月1日到2017年3月31日的连续数据,可以将仪器安装对土壤结构的影响忽略。定期对仪器进行维护,并确保沙地处于裸露流动状态。监测数据每30 min记录一次,0:30—24:00记录数据的和为当天的渗漏量。

2.2 降雨量的测定

采用美国AVALON公司AV- 3665R雨量自动监测系统(分辨率0.2 mm,精度±2%)记录降雨量,记录频度与渗漏仪保持一致,同为每30 min一次。

2.3 数据处理

本实验中,对所有的数据采用EXCEL软件进行统计分析,并采用IBM SPSS Statistics 19软件进行Pearson相关性分析,分析降雨量和土壤深层渗漏量之间的相关性,当显著性检验值P<0.05时为显著性差异,P<0.01为极显著性差异。利用Origin 9.1软件进行图表的绘制。

3 结果

3.1 流动沙丘不同深度土壤渗漏的动态特征

3.1.1 沙地土壤渗漏的日动态特征分析

整个监测期内,50 cm沙层、100 cm沙层和200 cm沙层的渗漏水量分别是降雨量的73.04%、69.52%和52.16%。总体来看,50 cm沙层第一次明显渗漏出现在2016年7月9日,为30 mm,最多连续渗漏天数为35天,日渗漏水量的波动系数为4.7052,波动较大；100 cm沙层第一次明显渗漏出现在7月10日,为16 mm,最多连续渗漏天数为111 d,日渗漏水量的波动系数为3.0993,波动有所降低；200 cm沙层第一次明显渗漏出现在7月9日,为5.4 mm,最多连续渗漏天数为121 d,日渗漏水量的波动系数为2.1742,波动较小(图2)。

图2 降雨量与不同深度沙层土壤渗漏水量的日分布Fig.2 Daily precipitation and percolation of different depths of sand soil

3.1.2 沙地土壤渗漏的月动态特征分析

从图3、图4可以看出,由于2016年4—6月由于降雨主要用来补充沙层的含水量,以及渗漏对降雨响应的延迟性等原因,使得这期间的渗漏过程都不明显。

50 cm沙层的渗漏总量和渗漏频率在8月达到最大,7—9月的渗漏总量占整个监测期的93.13%；之后一直到2017年3月,期间虽然渗漏频率占该层整个监测期的47.53%,但总渗漏量仅占整个监测期的6.62%。

100 cm沙层的渗漏总量在7月达到最大,明显的渗漏一直延续到11月,这段期间的渗漏总量占整个监测期的95.66%；之后一直到2017年3月,期间虽然渗漏频率占该层整个监测期的28.71%,但总渗漏量仅占整个监测期的4.03%,且每月的渗漏量和渗漏频率都在逐渐减少。

200 cm沙层的渗漏总量同100 cm沙层一样,在7月达到最大,明显的渗漏延续到10月,这段期间的渗漏总量占整个监测期的94.07%；之后一直到2017年3月,期间虽然渗漏频率占该层整个监测期的40.91%,但总渗漏量仅占整个监测期的5.79%,且每月的渗漏量和渗漏频率都在逐渐减少。

3.2 降雨量与流动沙丘不同深度土壤渗漏水量的分布特征

3.2.1 降雨及各沙层渗漏不同强度累计天数分布特征

如图5所示,整个监测日期共365 d。其中,监测到降雨的天数为70 d,累计降雨量为549.8 mm,最大日降雨量为66.7 mm。0<降雨强度≤5 mm的天数占全年的12.6%,降雨量>25 mm的天数占全年的1.37%。

监测到50 cm沙层渗漏的天数为162 d,累计渗漏水量为401.6 mm,最大日渗漏水量为37.1 mm。0<渗漏水量≤1 mm的天数占全年的33.15%,渗漏水量>10 mm的天数占全年的2.74%。

监测到100 cm沙层渗漏的天数为209 d,累计渗漏水量382.2 mm,最大日渗漏水量为36.4 mm。0<渗漏水量≤1 mm的天数占全年的39.45%,渗漏水量>10 mm的天数占全年的2.19%。

监测到200 cm沙层渗漏的天数为198 d,累计渗漏水量286.8 mm,最大日渗漏水量为25.2 mm。0<渗漏水量≤1 mm的天数占全年的36.99%,渗漏水量>10 mm的天数占全年的0.82%。

图3 降雨量与不同深度深渗漏水量的月份分布Fig.3 Monthly precipitation and percolation of different depths of sand soil

图4 降雨与不同深度沙层渗漏频次的月份分布Fig.4 Monthly precipitation frequency and percolation frequency of different depths of sand soil

图5 降雨及各沙层渗漏不同强度累计天数分布图Fig.5 Accumulative days distribution of different precipitation intensities and percolation intensities

3.2.2 降雨及各沙层渗漏不同强度累计量分布特征

监测到0<降雨强度≤5 mm的累计量占总累计降雨量的8.75%；降雨量>25 mm的累计量占总累计降雨量的47.27%。50 cm处沙层0<渗漏水量≤1 mm的累计量占总渗漏水量的10.36%；而渗漏水量>10 mm的累计量达到总渗漏水量的70.09%。100 cm处沙层0<渗漏水量≤1 mm的累计量占总渗漏水量的16.12%；渗漏水量>10 mm的累计量达到总渗漏水量的37.26%。200 cm处沙层0<渗漏水量≤1 mm的累计量占总渗漏水量的18.06%；而渗漏水量>10 mm的累计量达到总渗漏水量的19.87%(图6)。

图6 降雨及各层渗漏不同强度累计量分布图Fig.6 Accumulative amounts distribution of different precipitation intensities and percolation intensities

3.3 降雨量与流动沙丘不同深度土壤渗漏水量的关系

大气降水是沙地的主要来源,因此,降雨量与各层渗漏水量之间必然存在着相关关系。由于渗漏具有延迟性等特征,对观测时间进行了累计,分别对日、周、半月、月累计的降雨量和各层渗漏水量之间进行Pearson相关分析,从表1可以看出：日、周、半月、月累计的降雨量和50 cm沙层渗漏水量之间都显著相关(P<0.01)；周、半月、月累计的降雨量和100 cm沙层渗漏水量之间都显著相关(P<0.01)；半月累计降雨量和200 cm沙层渗漏水量之间在0.01水平上显著相关,月累计量在0.05水平上显著相关。对3组数分别进行线性拟合后发现,对于每一组来说月累计量的R2都是最大的(图7)。

表1 降雨量与不同深度沙层渗漏水量之间的相关关系

** 在.01 水平(双侧)上显著相关,* 在 0.05 水平(双侧)上显著相关

图7 降雨量与各沙层渗漏水量之间的相关关系Fig.7 The correlativity between precipitation and percolation at different layers

4 结论与讨论

(1)有研究指出[19],流动沙地深层渗漏量与降雨变化时间上具有相对一致性,渗漏补给高峰出现在雨季,但降雨对深层渗漏的补给具有滞后性和延时性。本研究通过对3个沙层土壤渗漏的动态特征分析发现,在降雨条件下,在2016年4—6月监测到总降雨量为122 mm,但3个沙层的渗漏过程都不明显；从7月开始,渗漏过程与降雨过程的一致性随沙层的增加而逐渐减弱,记录到明显的渗漏的时间和频率,随沙层的增加而逐渐增加。

(2)通过对3个沙层渗漏水量的分布特征分析发现,在降雨条件下,整个观测期内记录到渗漏的天数,虽然随沙层深度的增加而增加,但累计渗漏水量逐渐减少,主要原因在于渗漏水量>10 mm的天数减少,导致这一部分的累计渗漏水量大幅度的减少,即渗漏强度对3个沙层的累计渗漏水量影响较大。有研究指出[20],地表以下150 cm深度的日入渗补给量≤1 mm有532 d,入渗补给量仅占31%,而>1 mm有85 d,入渗补给量所占比例高达69%,与本研究的结果基本一致。

(3)本研究对降雨量和各沙层渗漏水量日、周、半月、月累计量之间进行相关分析和线性拟合后发现,50 cm沙层渗漏水量对降雨的响应最强,越往深处渗漏水量对降雨的响应越弱。有研究发现,深层渗漏量和降雨量之间均呈显著正相关关系,随着累计天数的增加,深层渗漏量和降雨量的相关关系更好[21]。本研究结果证明,对于50、100 cm和200 cm3个沙层的渗漏水量来说,月累积量的R2都是最大的,即月渗漏水量的变化与月降雨量的变化关系更密切。

(4)由于前期对于沙地土壤深漏水量的研究还比较少,本研究也只是对毛乌素沙地流动沙丘不同深度土壤渗漏水量的分布特征、动态特征以及与降雨量的相关性等方面进行了简单分析,对影响沙地土壤渗漏的其他因子,如降雨强度、土壤含水量等方面还有待于进一步研究。此外,本研究采用的监测时间还比较短,为了能对影响沙地土壤渗漏有更清楚的认识,还需要进行长期连续的监测。