沙地蒸散发及地下水动态变化试验分析

2019-08-08郭艳春

水利技术监督 2019年4期

郭艳春

(辽宁省营口水文局，辽宁营口 115003)

1 概述

彰武北部沙地是辽宁省主要风沙源之一，早在19世纪以前，沙地较为平坦，植被覆盖率较高，形成了较为稳定的稀疏森林草原生态系统。后来由于过度开垦和放牧，导致出现了次生沙丘，在过去的40～50年间，由于人口的增加和土地压力的增大，天然林被砍伐，草原退化，土地沙漠化，导致农业生产不稳定，沙尘暴灾害频发[1]。近年来，随着我国农村经济体制的改革，以前属于集体所有制的沙丘地已由农民承包经营，由农民自主经营，有的过度使用，开辟荒地，放牧和打柴，导致土地严重沙漠化。如何更好地开发和管理这些土地，即投资少、见效快、效益高，已成为农村生态环境建设和农民富裕亟待解决的技术问题。

目前，沙漠化防治研究与控制项目已引起全社会的广泛关注，已融入到各种学科当中，并吸引了许多部门的参与，不仅林业、农业等部门正在开展荒漠化防治工作，水土保持、环境保护等部门也在关注荒漠化防治工作，利用各自的专业条件，建立了实验示范区[2]。

沙漠化的持续发展和扩大离不开人类活动的强烈干扰，主要是指以大规模掠夺性旱作物种植作为特征的经济活动，人类活动不当，破坏了地表保护层，使风直接作用于下伏沙基，加速了土地沙漠化的演变进程[2]。可以说，人为破坏是该地区土地荒漠化自然过程的有力催化剂，如果没有这种催化剂，沙漠化的自然进程将非常缓慢，而且不明显。当人为破坏力与自然破坏力相结合时，沙漠化发展迅速，甚至整个生态系统被破坏，生态系统对外界干扰具有一定的自我修复能力。

当人类活动以草原畜牧业生产为主时，破坏草原生态系统的过程相对缓慢，草原植被发育、层次较深的草原植被的自我修复能力足以抵消人为因素的不利影响，生态系统是完全可靠的，其自身的力量可以逐渐得以恢复，此时，受损程度较低的地区也逐渐恢复，生态系统整体未出现退化状态。

2 草地与裸地蒸发比较

土壤水分蒸发作为一个物理过程，是沙地水循环的重要环节，这不仅与土壤水分的动态变化密切相关，而且直接关系到干旱半干旱地区植被重建的成败[3]，研究沙漠化草地蒸散发和裸地蒸发，对于采用合理的灌溉系统和节水技术，合理利用有限的水资源，在一定的水分条件下开发利用沙地具有重要的现实意义。

2.1 试验设计

采用蒸发桶测定草地蒸散量和裸地蒸发量，即蒸发桶由1mm厚的铁皮制成，内筒高45cm，内筒直径25cm，外筒直径25.5cm。外套桶埋在沙土中，桶的边缘比土壤表面高约10cm，它防止沙子吹入，设置遮雨罩，将内筒放入夹套筒内。试验设置两个处理，重复3次，处理一为裸沙土，处理二为碱草3株，桶内填充40cm土壤厚度，33.0kg干沙重量，用精度为0.1g的电子秤测量灌溉至田间的水量，每隔一天称重一次，实验于2018年8月进行。

2.2 试验结果

土壤水分蒸发是土壤水分通过土壤表面进入大气，导致土壤水分逐渐减少，土壤表面逐渐干燥的过程[4]。如图1所示可以看出，草地蒸散量和裸地蒸发量变化趋势大致一致，在相同控制条件下，草地蒸发量大于裸地蒸发量，平均为裸地蒸发量的1.5倍，草地蒸散量为3.7～8.5mm，平均为6.0mm；裸地蒸散量为2.0～6.1mm，平均为4.0mm。由于草地蒸散量较大，在整个观测期间，裸地土壤含水量始终大于草地土壤含水量，裸地土壤含水量为3.3%～8.7%，平均为5.8%；草地土壤含水量为1.4%～4.6%，平均为2.5%。由此可见，在沙漠化地区，从水量平衡的角度来看，在一定区域内的绿色植分布面积或覆盖范围应具有适当的比例，以保持有限水资源的可持续利用，不因缺水而导致植被枯萎，导致沙地的进一步活化。

3 沙地地下水动态变化

降水量的增加有利于地下水资源的补充和植被的有效生长，同时降水量的减少可以抑制沙漠化的发展。近年来，我国一些沙漠化地区的植被不断恶化，沙漠化程度越来越严重，已从社会、经济、环境等方面对其成因进行了研究。然而，由于缺乏对地下水资源动态的长期定位观测，使得人们对地下水资源变化及其与气候变化和荒漠化发展的关系缺乏足够的认识[5]。因此，研究沙地地下水位的演变规律，绘制观测期降雨和地下水位变化的过程线图，分析地下水位与降雨和沙漠化的关系，对沙化地区地下水的开发利用和保护具有重要意义。

彰武北部年平均降水量为506～532.1mm，年平均气温为6.0～7.3℃，空气相对湿度为59%～60%，风速为3.5～4.2m/s，以彰武北部的气象资料为参考，沙地干旱贫瘠，降水是生态因子的主导因子，彰武地区北部降水的分布特征是由南向北逐渐减少。最南端的彰武平均为532.1mm。北部为506.0mm。

3.1 试验方法

试验区内设置16口地下水观测井，4—10月每5天观测一次地下水位变化过程，11—3月每15天观测一次，在降雨前后对地下水进行加测水位变化，从2017年6月至2018年12月连续18个月采用人工观测方法进行观测。

3.2 地下水水位动态变化分析

3.2.1地下水位日间变化

地下水位随降水量变化而发生相应变化，试验结果表明，降水量是影响地下水位变化的主要影响因素之一，两者之间呈显著的正相关关系，如图2—3所示。可以看出，由于降水量的减小，2018年4月5日至10日地下水位下降了9cm，随着地表蒸发和植物蒸腾作用的逐渐增加，地下水平均下降率为1.8cm/d，为观测期地下水位下降的最大值，8月5日至10日，随着降雨量的逐渐增加，地下水水位相应增加了13cm，平均增长率为2.6cm/d，这是观测期间地下水最大值。

2018年2月10日地下水埋深3.64m，3月1日增加了7cm，这可能是由于温度升高、冰雪融化和地表水的渗入而导致的[6]，随后，地下水位继续下降，到4月10日，地下水位下降了9cm，变化为16cm，这可能是因为植物开始生长并随着温度升高蒸腾消耗水分所导致，4月10日以后，随着降雨量的明显增加，地下水位总体逐渐出现升趋势。

图2 地下水位变化过程线和升降值

图3 2018年降雨量变化过程线

3.2.2地下水位月间变化

该地区地下水位的年变化与降水量的年变化呈显著的正相关关系[7]如图4所示，该区地下水位变幅年内变化较大，地下水位变化范围为2.85～3.64m，地下水位平均埋深为3.35m，到11月最小埋深仅为2.85m，2月最大埋深为3.64m，差异为79cm，第二个最大埋深发生在6月，为3.63m，第二个最小埋深出现在10月，为2.92m。1—4月，由于降水量较少，地表蒸发耗水量和植物蒸腾耗水量逐渐开始增大，地下水位呈逐渐下降趋势，随着5—8月降水量的增多，受降水量补给的影响，地下水位继续上升。

从图4可以看出，地下水位的年变化与降雨量的年变化具有关联性，2018年的两个降雨峰值也造成了两个地下水位向上波动的峰值，但也存在一定的滞后性。2018年5月，降水量为108.7mm，1个月后地下水位上升12cm；2018年8月，最大降雨量为168.8mm，1个月后地下水位上升了23cm，3个月后地下水位上升了34cm。

结果表明，降水是半干旱区东北西沙地地下水补给的主要来源，地下水位变化与同年降水量的相关系数较低[7]，但高于前一年或两年，由于本研究地下水观测资料时间较短，需进一步研究地下水位变化与降水量变化的年际相关性[8]。