中国沙漠(地)土壤水分深层渗漏研究进展

特日格勒，冯 伟，杨文斌，李钢铁，李 卫

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.锡林郭勒职业学院，内蒙古 锡林浩特 026000;3.中国林业科学研究院 荒漠化研究所，北京 100091)

1 引言

沙地作为一种裸露的生态系统，因受到基质贫瘠和干旱气候的影响，通常是风沙活动强烈、土层水分严重不足的地区[1]。沙地土壤水分的变化不仅受到土壤机械组成、地形以及植被的影响，还强烈依赖于降雨的时空变化[2]，土壤水分是影响植物生长和发育的最重要的环境因素之一，尤其是在干旱、半干旱地区，降水量少且蒸发强烈，土壤含水率低(体积含水率一般<10%)，土壤水分是影响植被恢复与重建的关键因素[3，4]，沙丘水分的状况直接决定着沙地生态系统发展的方向[5]。降水入渗是研究沙地水分循环和水量平衡的重要环节[6]，而深层土壤水的入渗是大气降水转化为地下水资源的关键环节, 对地下水资源的形成起着重要作用[7]。

利用人工固沙植被防止沙害是国际公认的沙区生态重建最有效的方法和途径之一[8]，经过多年的发展，我国沙区人工植被建设取得了显著成就，有效遏制了沙漠化发展，促进了当地生境恢复[9]。但是在实际工作当中，营造防风固沙林方面也存在一些问题。其主要原因是未观测到干旱半干旱风沙土土壤水分尤其是深层土壤水分渗漏的动态特征和植被需水量，缺乏大气-植被-土壤连续体水分动态的基础理论，在选择适宜树种、适宜造林密度、合理造林模式等方面缺乏科学研究和认证[10]。深入研究沙地土壤水分深层渗漏的时空分布特征、降雨格局的动态变化以及深层渗漏的研究方法已成为当前研究的关键问题。

2 沙地土壤水分深层渗漏量的研究方法

关于干旱-半干旱地区深层渗漏的研究，取得了重要进展[11]，其研究手段与方法尤为重要，目前，在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、物理方法(蒸渗仪法、土壤水分通量法、水量平衡方法、达西方法、地下水位动态监测法)、示踪方法和数值模拟方法等[12]。刘元波等[13]1993年，应用土壤水动力学基本原理，使用中子水分仪监测腾格里沙漠水分动态。刘新平等[14]通过野外监测和模拟降雨、CNC503DR型中子水分仪、TDR(时域反射仪)管等结合试验对科尔沁沙地流动沙丘降雨入渗补给、再分配过程和蒸发消耗等方面作了定量研究。原鹏飞等[15]室内和野外模拟降雨的入渗和蒸发实验，研究不同降雨量条件下, 毛乌素沙地的最大入渗深度、入渗速率以及每天的蒸发量。曹静等[16]利用自制的渗漏水和侧向运移监测装置，测量了雨水沿坡面0～100 cm土层的侧向运移和100 cm以下的深层渗漏。王宇祥等[17]通过Hydrus-1D 模型对科尔沁沙地半流动沙丘的深层渗漏量进行数值模拟分析，得出半流动沙丘的深层渗漏特征以及对降雨格局的响应。Yang W B等[7]，冯伟等[18]，李卫等[19]，吴丽丽等[20]，姚冬梅等[21]，程一本等[10]多人采用土壤深层水量渗漏测试记录仪YWB-01(自主研发国家专利号：ZL201110252184.7)，该记录仪可直接测量土壤水分入渗量，并采用数字化自动记录方式能连续观测[22]。

以上研究方法均有各自特点，烘干法作为传统且经典的土壤水分测量方法，操作简单，但不利于连续测定。TDR法使用便捷、精度高，但耗费大量劳动力，价格昂贵。中子水分仪测定法作为国际公认的先进的土壤含水量测定方法，适用于深层含水量的测定，然而仪器的分辨率需要通过方法来矫正。数值模拟是计算深层渗漏的一种方法，可以预测和模拟深层渗漏，但最大的困难在于获取准确的输入参数。通过对比，土壤深层水量渗漏测试记录仪为直接监测土壤渗漏量的仪器，具有定点、实时、连续记录渗漏量的优点，更受当前学者们的广泛关注。

3 沙地土壤水分深层渗漏量的时间分布变化

3.1 季节变化

按沙地水分变化趋势、剖面水分分布及与气象条件的关系，将沙地水分年内变化按季节划分春季水分变化较微弱(弱失水阶段)、夏季水分变化剧烈(降水补给阶段)、秋季变化缓慢(失水阶段)、冬季沙地水分变化微弱(调整阶段)[23]。深层渗漏具有很大的时间变异性，与降雨量的时间分布较一致，深层渗漏量大小顺序依次为夏>秋>春>冬，集中补给期主要在6～9月份，渗漏量分别占年总渗漏量70%以上[21]。李衍青等[24]认为科尔沁沙地在季节变化上，降雨才是土壤水分的关键影响因素，而不是植被蒸腾。在同一时期，土壤水分的空间自相关性随着深度的增加而降低；相同深度的空间自相关性为雨季大于旱季[25]。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[26]。

3.2 冻融对深层渗漏量的影响

季节性冻融过程对干旱半干旱地区深层土壤水分渗漏和补给的动态变化有一定影响[27]。Yang W B等[7]研究发现在11月份至次年2月份土壤冻结期，深层土壤水分入渗补给量随冻结深度增加而减少，直到12月份或1月份结束，消融作用造成3月份土壤水分的深层渗漏量的小峰值，该峰值高于4月份的补给量峰值。李卫等[19]对毛乌素沙地土壤水分入渗研究表明冬季由于土壤冻结，入渗量逐渐降低，止于12月份，3月份土壤解冻时土壤含水量的升高在深层补给无雨或少雨条件下出现补给高值期，这与Yang W B等[7]的研究观点一致。Yiben Cheng[28]等研究表明干旱区冬春两季冰冻季节积累的冰雪在冻融季节不会补充深层土壤水分，相反，深层土壤中的凝结水是冻融季节深层渗漏量的主要来源。

3.3 各个沙漠(地)渗漏量的时间动态特征

不同气候区不同沙漠(地)土壤水分深层渗漏的时间动态特征略有不同。李卫等[19]的毛乌素沙地乌审旗流动沙地的研究表明2011年深层渗漏5～11月份为主要补给期，占全年总渗漏量的95%；其中6～8月份总渗漏量为203.2 mm，占2011年全年渗漏补给量的58%。毛乌素沙地东北缘樟子松固沙林5～10月份累积降雨均显著影响0～200 cm层土壤水分变化，其中5～6月份降雨对150 cm以下土层影响较小、9月份后降雨对土壤水分补给作用显著[29]。冯伟等[18]得出浑善达克沙地正镶白旗流动沙地7～9月份为主要渗漏补给期，占监测期渗漏总量的83.0%，而古尔班通古特沙漠阜康由于监测期内降雨量少，没有表现出明显的渗漏补给期，科尔沁沙地章古台、毛乌素沙地伊金霍洛旗、库布齐沙漠达拉特旗等地监测表明固定沙丘深层渗漏与降雨在时间上没有一致性，均无明显集中渗漏补给期。

4 沙地土壤水分深层渗漏量的空间分布变化

4.1 不同类型沙地的空间分布变化

不同类型沙丘具有不同的土壤水分循环过程，土壤水分在整个土体剖面中的动态变化和变异性反映出一定的层次性和差异性[30]。吕贻忠[31]等利用毛乌素沙地不同沙丘进行的沙丘土壤水分变化和差异性分析表明，土壤水分存在明显的时空变异性，无论是春季还是夏季，流动沙丘的含水量>半固定沙丘的含水量>固定沙丘的含水量。李森等[32]对腾格里沙漠东南缘不同固定程度沙地土壤水分时空变化进行遥感分析，得出流动沙地和半固定沙地年降雨量的变化一致，而固定沙地的年际变化不明显。在不同固定程度的沙丘上，不同植被覆盖度和根系分布对土壤耗水量和蒸散量的影响不同，导致土壤水分差异明显[33]。与其他类型沙地相比，流动沙地可以在一定程度上储存降雨和补给地下水，甚至可能向周围其他类型的沙地补给深层土壤水分，人工植被建设的土壤水分条件更好[34]。G.W.Gee等[35]指出，在干旱半干旱地区，植被明显减少了深层渗漏量，同时植被类型对深层渗漏也有很大的影响。因此，流动沙地的深层渗漏量往往高于其他类型的沙地，而固定沙地的土壤水分被植物根系所吸收，所以深层渗漏量最低。

4.2 垂直变化

刘元波等[13]指出，在腾格里沙漠吸水过程变化很快，而脱水过程变化缓慢，在降雨入渗的动态变化过程中，沙体的体积含水率和吸力变幅由浅至深由大到小，且0.6 m深度是沙地活跃程度的重要分界线。杨佩国等[36]根据毛乌素沙地土壤水分垂直变化把土壤剖面划分为土壤水分易变层(0～30 cm)、利用层(30～90 cm)和调节层(90～120 cm)。刘新平等[14]研究表明科尔沁沙地流动沙丘0～200 cm 深度土层有明显的垂直特征, 0～20 cm为表层干沙层；20～140 cm为降雨影响的变化层；140 cm以下为深部稳定层。曹静等[16]指出科尔沁沙地典型流动沙丘5～10月份生长期的不同坡向和坡位的累积深层渗漏存在一定差异，不同坡位累积深层渗漏为坡底>坡中>坡顶。李新凯等[37]认为藓结皮的存在可增加毛乌素沙地东南缘沙蒿、沙柳、柠条根层0～80 cm土壤水分，同时降低80～200 cm深层土壤水分。

4.3 各个沙漠(地)渗漏量的空间动态特征

不同气候区的各个沙漠(地)土壤水分的深层渗漏量存在明显的空间差异，见表1。Yang W B等[7]对毛乌素沙地等4大沙漠(地)的流动沙地连续2年的监测资料表明，降雨的深层渗漏水量自东向西由半干旱区向干旱区递减。冯伟等[18]对亚湿润干旱区科尔沁沙地南缘的章古台，半干旱区浑善达克沙地南缘的正镶白旗浑善达克沙地等6个沙漠(地)的7个地区作为样地进行连续监测，表明流动沙丘的空间差异显著，变化趋势与降雨量空间变化较一致，从半干旱区向干旱区呈现由东向西逐渐减小的趋势，渗漏量占降雨量的比例差异较大；固定沙丘空间差异不明显，深层渗漏量均不超过同期降雨的2.0%，降雨量不是影响深层渗漏的主要因素，而沙丘植被盖度对深层渗漏量的影响较大。

表1 各个沙漠(地)降雨量与深层土壤水分渗漏补给量

5 沙地土壤水分深层渗漏量的影响因素

5.1 降雨量对深层渗漏量的影响

降雨是沙地土壤水分的供给源, 沙地土壤水分的空间异质性与降水季节和降雨量密切相关[38]。降雨与入渗深度有着密切的关系,相同降雨强度下,降雨入渗深度随降雨量的增加而增加,降雨量越大,入渗越深,在相同的温度下,水分在沙地中储存时间越长,植物可以利用的时间就越长[15]。小降水事件只能补给土壤的表层，而一定规模范围以上的强降水事件才可以有效补给深层土壤水分[39]。土壤补水量是制约缺水地区土壤植被承载力的重要因素之一[40]。刘新平等[14]研究发现科尔沁沙地流动沙丘13.4 mm 的降雨量是无效降水和地下水补给的分界点；降雨量≥20 mm可使蒸发层土壤在重新分配后达到最小持水量；降雨量≥50 mm可通过土壤水分的再分配使120 cm深度的土壤水分达到饱和持水量, 然后下层被排水入渗饱和。Ayalon等[41]研究认为大于15 mm 的降水对沙地土壤水分有一定的渗漏补给。闫德仁等[42]研究表明，浑善达克沙地流动沙丘小于20 mm降雨的湿润深度低于20 cm，30 mm左右降雨湿润深度为40～80 cm，39.39 mm和78.49 mm降雨的湿润深度可达120 cm土层。Yang W B等[7]研究认为≥25 mm 的强降雨对干旱半干旱区流沙地深层土壤水分的渗漏和补给具有重要作用。

5.2 降雨强度、历时以及降雨频次对深层渗漏量的影响

中国沙区深层土壤水分补给主要来自于强降雨或高频次小降雨事件，特别是干旱区降水少、频次低，其深层土壤水分补给更加依赖于强降水[21]。王建新等[43]从能量(水势)的角度建立降雨入渗模型，发现降雨开始后，土体负压值迅速下降，降雨强度越大，下降速度越快，当土壤达到稳定含水率时，负压达到稳定值，降雨强度对土壤非饱和渗透系数影响较大。Yi Bencheng等[44]研究发现在沙地降雨发生后71 h和306 h之间的降水对200 cm的深层入渗或渗漏量没有贡献，换言之，在200 cm深度出现的渗漏量应归因于71 h之前的降水事件，其中累积降水量为53.8 mm。李卫等[16]发现当风沙土含水量处于田间持水量以上时，在降雨量累积达到20.0 mm 左右时，雨后36～48 h可以入渗到150 cm土层以下。张军红等[45]研究发现，无论降水强度如何，生物结皮对降水入渗都有一定的影响，且降水强度越小影响越大，小于5 mm的降水被地表结皮完全吸收，使得对10 cm之下的土壤水分无法进行补给，小于20 mm的降水量无法补给40 cm之下的土壤水分。

5.3 土壤初始含水率对降雨入渗的影响

初始含水率较低时有利于径向入渗，而初始含水率较高时更有利于垂向入渗[46]。表层土壤水分较低，随着土层厚度的增加而逐渐增加，达到一定土层后逐渐减少,也就是说，随着土层厚度的增加，土壤水分呈“先增加后减少，而后又增加”的趋势[47]。冯伟等[48]研究表明在毛乌素沙地沙柳固定沙丘初始含水量较低水平(0～200 cm为4.26%±0.23%)时单场降雨53.8 mm(<71 h，雨强>0.8 mm/h)通过入渗及再分配入渗湿润锋可达到200 cm，且可使0～60 cm土层含水量达到波动峰值，对60 cm以下土层水分影响较小(变幅<1%)。初始含水量较高水平(0～200 cm为6.16%±0.57%)时单场降雨88.6 mm(<62h，即雨强>1.4mm/h)入渗深度150 cm以下，再分配入渗深度达200 cm以下，且极显著影响0～200 cm土壤水分变化。吴丽丽等[20]通过对2016～2017年毛乌素沙地土壤蓄水量和深层渗漏水量的动态分析显示，降雨量较大时，土壤蓄水量整体上大幅增加，其引起的瞬时渗漏使3个沙层的渗漏量明显增加；在降雨量较小的情况下，仅对0～50 cm层蓄水量影响较大，土壤水分在重力作用下缓慢向下移动，导致下层蓄水量增加并延缓渗漏，土壤蓄水量变化和深层渗漏也比较稳定。

6 讨论及展望

水量平衡与水循环始终是干旱、半干旱区植被建设所面临的核心科学问题, 并决定着植被的可持续发展和系统的稳定性[49]。朱雅娟等[50]认为未来降水减少将导致半干旱区的土壤水分减少，例如，从1988～2007年，呼伦贝尔市的土壤水分与年降水量成显著正相关，降水减少导致0～50 cm土壤水分含量以 3.816～20.723 mm/a速度逐年剧减。然而，在山水林田湖草系统治理、北方防沙带生态保护和修复重大工程中，水是基础，优化配置林、田、草的建设，渗漏水是沙区水循环的关键，沙区的水量平衡与水循环以及沙地植被的可持续发展和沙地深层渗漏水密切相关。

由于监测仪器的测量精度，现阶段对深层土壤水分渗漏过程的研究还没有大规模开展，许多问题仍然是研究的热点[51]，需要我们积极探索。土壤水分入渗是一个比较复杂的过程，在不同沙地类型的土壤水分深层渗漏的研究上当前关于流动沙地的深层渗漏研究较多，而半固定和固定沙地的研究较少。在流动沙地的深层渗漏研究中还需进一步探索沙地土壤理化性质与渗漏量的关系，流动沙地土壤理化性质如容重、孔隙度、田间持水量以及沙土的机械组成等直接影响土壤湿度, 并且对降水的再分配起很大作用[52]。在干旱半干旱地区，植被影响着降水在土层中的分布和地表的蒸散状况，使得土壤的有效水向浅层分布，降水在土壤不同深度的分配和入渗深度决定了地表植被的生活方式，从而影响地表植被的演替方向及顶级类型[53]。固沙植物的生长明显降低了有效土壤水分供给量, 多数植物受到水分胁迫的影响[54]。固沙植被水量平衡包括植被蒸腾、土壤蒸发、冠层截留、地表径流、树干径流、土壤蓄存、土壤渗漏等主要要素，通过不同类型沙地生长季前、后土壤蓄水量的变化值估算沙地土壤水分亏缺状况；并结合降雨截留数据，初步估算不同类型沙地的水量平衡关系[55]。

前人在降雨截留估算、土壤水分蒸发模拟、水量平衡初步估算、利用水量平衡公式估算蒸发量模拟等水量平衡方面均有研究，但在土壤温度对蒸发量及深层渗漏量的影响上未做详细研究，未来应在土壤温度对渗漏速率的影响、通过渗漏量估算实际蒸发量等方面深入研究与探讨。降水影响了土壤水分状态, 而土壤水分状态变化又进一步影响植物的蒸腾和地面的蒸发作用[56]。干旱和半干旱地区的年深层渗漏量主要取决于强降水事件[10]，但目前尚无直接指示强降水事件的阈值研究。将来，可通过人工模拟降雨建立深层渗漏模拟模型，进而利用水量平衡公式模拟出土壤蒸发动态。