辽西北流动沙丘土壤水分运动时空变化规律研究

姜 涛

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

辽西北流动沙丘土壤水分运动时空变化规律研究

姜 涛

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

辽西北沙漠化地区沙地水分的运动变化有其独到的运行轨迹,本文通过试验的方法来研究沙丘区土壤水分的时空变化特征,从土壤含水率随时间变化而变化的角度分析了沙地水分的动态变化,对保护当地有限的水资源、提高水资源有效利用率具有重要现实意义。

土壤水分;沙丘土;时空分布;变化

水是研究沙丘土壤生态影响的重要因素，近年来，随着沙漠化地区干旱的加剧，一些沙地的灌草植被出现了枯死现象，造成固定沙丘活化，使脆弱的生态系统进一步恶化。由于地理位置、气候条件和土壤特性的差异，开发利用沙地资源，发展沙地产业及沙地治理的生态经济模式对固沙植物选种、防风固沙、退化生态系统的修复具有重大理论意义。

1 概述

彰武县地处科尔沁沙地的东南部，属于辽宁省西北部风沙干旱区，位于东经121°53′～122°59′，北纬42°7′～45°51′，海拔57.6～313.4m。全县总土地面积361 393hm2，其中沙地84700hm2，占23.4 %。彰武县沙地分布在北部的阿尔乡、章古台、四合城、大冷、满堂红、四堡子和冯家等地，以及柳河等河流沿岸。北部边界与内蒙古科左后旗邻接，是辽宁省的重点风沙区。

2 降雨条件下沙地土壤水分变化特征

入渗是水分进入土壤形成土壤水的过程，降雨入渗是沙地土壤水补给的主要来源。该研究主要探讨降雨后，沙地土壤水分的分布状况及各层土壤含水量的变化，以期在有限的水资源条件下，提高土壤水的利用率，发挥沙地有限水的最大效益，恢复植被，为保持沙地生态系统的平衡提供理论依据。

2.1试验方法

选择一处裸平地(2m×2m)作为测试小区，在测试区附近选择另一裸平地作为对照区。采用土钻法测定土壤含水量，测定深度为160c m，按0～10，10～20，20～160c m每20c m为一层划分层次，共分9层，每层3次重复(取3个测点)。降雨后，立即进行测试，每隔1、3、5、12h，1、2、3、5、7d进行测试，直到前后2次的含水量无显著差异，水分运动基本平衡时为止。采用注水法，通常使用同心环入渗装置，一般常用的同心环为二同心铁环，内外环中维持同样水层深度，通过记录某一时段的入渗量来计算土壤入渗率变化过程。

本次降雨发生在2014年7月23日，降雨量为79.1m m，为避免土表蒸发和雨水淋入，表土覆盖干草后，再覆盖塑料布。

2.2 试验结果

2.2.1 土壤含水量随时间的变化特征

降雨后，沙地土壤水分在不同时间出现了不同的动态分布趋势。雨后监测结果表明，0～60c m的土壤含水量急剧上升，显著高于对照，而60～160c m变化不大。0～60c m平均含水量比对照区高136%，20～40c m含水量达到最大，为 16.83%，比对照区高282.8%，这说明60c m深度是沙地水分活跃程度的一个重要分界线，与前人研究结论基本一致。如图1所示。

由图1可以看出，随着时间的延续，土壤含水量峰值降低，并逐渐向土壤深层推移，在140～160c m基本稳定。降雨1h后，由于水分入渗下移，0～60c m各层土壤含水量有所降低，比前1h平均降低12%;而60～160c m各层土壤水分有所增加，比前1h平均增加25%;60c m成为土壤含水量增减变化的分界线;60～80c m土壤含水量为8.3%，比前1h增加39%，变化幅度最大。

图1 降雨后沙地各层土壤水分变化

降雨4h后，由于水分继续入渗下移，0～80c m各层土壤含水量有所降低，比前3h平均降低18%;而80～160c m各层土壤水分有所增加，比前3h平均增加20%;80c m成为土壤含水量增减变化的分界线;100～120c m土壤含水量为8.0%，比前3h增加37.8%，变化幅度最大。

降雨9h后，0～100c m各层土壤含水量有所降低，比前5h平均降低18%;而100～160c m各层土壤水分有所增加，比前5h平均增加20%; 100c m成为土壤含水量增减变化的分界线;140～160c m土壤含水量为6.9%，比前5h增加37%，变化幅度最大。降雨21h后，0～120c m各层土壤含水量均有所减少，而140～160c m两层土壤含水量略为增加。

降雨45h后，0～160c m各层土壤含水量平均为5.11%，与对照区各层土壤含水量平均值5.11%持平;120～160c m比24h前降低18%，但比对照高64%，说明随着土壤水分的再分配，降雨能够补给到160c m深度。第5日(96h后)和第7日(144h后)0～120c m各层土壤含水量比对照低，而120～160c m的土壤含水量略高于对照，这说明土壤水分再分配过程仍在进行。由图1可以看出，45h后土壤含水量趋于小幅度变化中。45h前各层土壤含水量变幅较大，最大值为16.8%，最小值为3.5%，极差为13.3%;45h后(包括45h)，各层土壤含水量变幅较小，最大值为7%，最小值为3%，极差为4%。

3 流动沙丘土壤水分运动时空变化特征

3.1 试验方法

挑选典型的流动沙丘土壤3处，在各采样点用土钻取土，取土深度为 120c m，分 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120c m共7层取土，3次重复，烘干法进行土壤含水量的测定。从2014年4月8日开始，10月末结束，每周观测一次，遇降雨加测。观测情况见表1。

表1 2014年4～10月降雨情况

3.2 结果与分析

3.2.1 2014年降雨特征

由表1可知，4～10月共降水26次，总降雨量290.6m m，为多年平均降雨量412m m的70%，6和7月降水次数较多，共计13次，占总降水次数的50%;4和10月降水次数较少，共计3次，占11.5%。6月降雨量最多，为 136.5m m，占47.0%;4月降雨量最少，为0.2m m，占0.2%。次最大降雨量是79.1m m，占总降雨量的27.2%;次降雨量最小的是0.2m m，占总降雨量的0.2%。该区降雨主要集中在6～8月，为246.8m m，占4～10月降雨量的85%;4～5月的降雨量为18.2m m，占4～10月降雨量的6.3%;9～10月降雨量为25.6m m，占4～10月降雨量的8.8%。

3.2.2 流动沙丘土壤水分时间变化特征

沙地土壤水分状况不仅受沙土矿物、机械组成的影响，也受气温、降水、植被类型、植被密度的影响。降雨是该区土壤水分补给的主要来源。流动沙丘土壤含水量变化主要受降雨与蒸发的影响。沙土含水量的时间变化与降雨季节和降雨量有密切关系，土壤含水量与当月降雨量存在显著的相关关系，即土壤含水量随当月降雨量的增加而增大。

经测定，流动沙丘4～10月0～120c m土壤平均含水量分别为2.4%、2.9%、3.1%、4.0%、3.3%、3.2%、3.0%。从图2可以看出，各月土壤含水量的变化趋势与降雨量的变化趋势几乎一样，说明流动沙丘各层土壤含水量随降雨补给而变化，而且各样点表层土壤含水量受降雨和蒸发影响十分显著。如5月14日雨前土壤含水率为2.1%，降雨后达到5.1%，由于一个月内没有降雨，6月15日达到0.3%。

图2 流动沙丘4～10月土壤含水量与降雨量变化比较

4 土壤水分的垂直变化特征

沙丘水分垂直动态受沙丘质地、水分来源、植被状况、地貌特征及气象条件等诸多因素影响。由于流动沙丘迎风坡风蚀、背风坡积沙以及丘底潜水埋深和光照等控制着流动沙丘土壤水分分布规律，同时，流动沙丘的风蚀积沙对降水的再分布产生一定的影响，各部位干沙层的发育也出现差异，因此，流动沙丘各部位土壤水分垂直变化显得相对复杂。流动沙丘各层土壤含水量的平均值、极值、极差、标准差和变异系数见表2。

表2 流动沙丘土壤含水量的变化趋势统计分析

由表2可知，流动沙丘0～10c m的含水量变异系数为51%，变异程度最大，说明此层受降雨及地表蒸发影响强烈，＜1.7%的含水量出现36次，占24%，在连续干旱无雨时期，此层含水量一般在1%以下，因此干旱无雨的季节，在流动沙丘上播种或苗植小灌木很难成功。流动沙丘10～80c m的含水量变异系数在40%左右，和表层比较，土壤含水量变化程度相对小些，这一层土壤含水量主要受土壤水分下渗和土壤水分再分配的影响， ＜1.7%的含水量平均出现18次，占12%。流动沙丘80～120c m是土壤含水量比较稳定的层次，但由于2014年7和8月出现的3次较大降雨对此层进行了补给，造成此层土壤含水量变异程度也较大。虽然流动沙丘垂直变化相对复杂，但流动沙丘土壤水分分布也表现出分层性，根据土壤含水量的变化特征可分为以下几层。

表层干沙层:干沙层的发育是沙地水分下渗、蒸发和凝结共同作用的结果。干沙层土壤含水量一般在0.1%～0.7%之间，但该层含水量变动很大，在降雨之后含水量迅速升高，雨停之后很快蒸发和下渗，测定期内含水量变幅为0.3%～6.5%。干沙层的厚度随时间和空间的变化而变化。干沙层在沙地中四季存在，春季干早，风速较大，降雨少，干沙层较厚;夏季进入雨季，干沙层受降水影响变化频繁，干沙层厚度较小，但在夏季连续无雨的日子里，可能达到最厚。该层土壤水分主要受降雨和蒸发的影响，土壤含水量变幅较大，变动范围在1.2%～6.3%。雨季剖面含水量普遍增大，以20～40c m土层为例，无雨季节水分变动范围在1% ～2.7%，雨季含水量变动范围在3.7%～6.3%之间。

5 流动沙丘不同坡向坡位土壤含水量变化特征

研究表明，流动沙丘不同坡向坡位对沙丘土壤水分变化有明显的影响。流动沙丘迎风坡主要受风蚀，背风坡主要受持续堆沙的影响，形成特有的水分变化趋势。对4～10月观测期内流动沙丘迎风坡和背风坡坡底、坡中和坡顶不同深度的平均含水量分析得到，迎风坡0～20c m含水量变幅较大，为0.3%～3.2%;20～60c m变幅较小，为2.7%～4.6%;60～120c m较为稳定，为3.0%左右。背风坡0～20c m含水量变化幅度较大，为0.5%～3.4%;20～60c m含水量变化幅度较小，为1.7%～2.2%;60～120c m较为稳定，为1.1%左右。流动沙丘迎风坡各层平均土壤含水量的变幅为0.3% ～4.6%，平均值为3.4%。背风坡各层平均土壤含水量的变幅在0.5%～3.4%之间，平均值为1.9%，比迎风坡小。这说明背风坡由于持续堆沙的原因，使得整个土壤剖面土壤含水量较小，在相同的降雨条降下，背风坡接受降雨补给的深度比迎风坡浅。

6 结语

通过试验测定可知:流动沙地水分的主要来源为降雨，由于流动沙丘透水性较好，降雨能迅速下渗，并以悬着毛管水的形式储存在沙层中。流动沙地表层基本无植被覆盖，气候干燥，温度较高，所以表层水分蒸发非常迅速，形成大约1～15c m左右的干沙层，由于干沙层中毛管水断裂，致使下层水分不能通过毛管上升，所以使干沙层以下各层土壤水分保持相对稳定的含水量。从另一角度考虑，干沙层以下的流动沙丘就像一个“沙地地下水库”，给干旱的沙漠化地区提供了较好的水分条件。因此，对流动沙地进行生态修复时，应充分利用其水分条件优势，但要以水分平衡为前提。

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S152.7+2

A

1008-1305(2016)05-0063-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.023

2016-01-26

姜 涛(1984年—)，男，工程师。