巴丹吉林沙漠包气带水热特征及其关系

赵烨，赵贵章

（华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450046）

0 前言

巴丹吉林沙漠属于典型干旱气候类型区，位于中国阿拉善高原，其高大沙山、湖泊和地下水之间有着十分紧密的联系，吸引了许多研究者的关注。目前，在巴丹吉林沙漠地区，对其水热关系的研究还不多见。因此有必要深入了解、定量刻画巴丹吉林沙漠地区水热关系，使巴丹吉林沙漠的研究更加全面。文章以典型干旱区巴丹吉林沙漠南部湖泊区为研究对象，分析土壤含水率及温度的时间变化特征以及地下10 cm 土层水热相关关系。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

巴丹吉林沙漠位于内蒙古自治区阿拉善盟境内。沙漠主体部分的经纬度坐标为39°20’～41°40’N、100°00’～103°30’E，涵盖拐子湖以南、古日乃湖以东、北大山以北、雅布赖山和宗乃山以西，面积近5×104km2，是中国第二大沙漠。沙漠具有温带大陆性荒漠草原气候，总体表现为日照充足、降水稀少、蒸发强烈、昼夜温差大的特点。沙漠的多年平均降水量为50～100 mm，自东向西递减，而多年平均蒸发量达到3 500～4 000 mm，说明蒸发潜力远大于降水量。平均最低气温-13 ℃～-7 ℃，平均最高气温25 ℃～33 ℃，降水主要集中在6-9月，无霜期140-163 d，1、2和12月为冻结期，干旱指数为14～32。

巴丹吉林沙漠位于阿拉善地块北部，华北板块、塔里木板块等构造单元对其也有影响。总体地势东南高、西北低，主要由沙漠和沙丘、冲积平原和山区构成。第四系风积砂覆盖了沙漠表层的大部分区域，且其分选良好。沙漠东南部砂样中粒径为0.075 ～2 mm的颗粒占比超过80%，属于细砂。

1.2 数据采集

在沙漠南部湖泊区打一个深度为300 cm 的钻孔，钻孔周围植被稀少，表面被第四系风积砂覆盖，土壤主要由砂粒组成。地下水埋深约6 m，在地面以下10、30、50、120、200 cm 处分别安装传感器，获取土壤含水率和土壤温度的数据，数据采集的时间间隔为1 h。监测期为2020 年1 月10 日到2021 年1月8日。

1.3 数据处理

数据分析前先对小时数据进行预处理，通过SPSS 软件分类汇总功能得到逐日平均数据。采用Pearson相关分析确定土壤含水率与土壤温度的相关关系，并建立回归方程。

2 结果与分析

2.1 土壤温度-时间变化特征

土壤温度随时间变化特征如图1所示。

图1 土壤温度随时间的变化情况图

由图1 可知：不同深度土层温度呈现先升高后降低的特点，浅层土壤温度逐日波动较大，随着土层深度的增大，土壤温度曲线逐渐平缓。监测期间，深度10 cm土壤温度在2020年7月14日达到最高，为33.60 ℃，土壤最低温度则出现在2021年1 月8 日，降至-9.20 ℃。研究区土壤温度在6 月升温最剧烈，10月降温最剧烈。总体上看，随着土层深度增加，土壤热量向下层及上层的传递存在一定延迟。在气温逐步攀升的上半年，土壤热量主要向深层转移；在下半年，土壤热量则以向浅层地表传递为主。

2.2 土壤水分时空变化规律

不同深度土壤含水率随时间的变化规律如图2所示。

图2 不同深度土壤含水率随时间的变化情况图

浅层土壤（距地面0～30 cm）处于悬着水带，水分主要以悬着水的形式存在于土壤中。该水分带经常直接或间接与外界进行水分交换，水分变化较大，受降雨、蒸发等因素影响较大。春季（3-5 月），气温逐渐上升，降雨量略增加，雨强小，蒸发量较大，期间土壤含水率变化缓慢。夏季（6-8 月，6 月数据缺失），气温最高，降雨集中，且沙漠夏季降水常以阵雨和暴雨的形式发生，单次降雨持续时间往往不足1 h，表现出较强的随机性。同时，小型蒸发皿测得的蒸发量也达到最大值，且蒸发量远大于降雨量。因此，降雨未到达地面就被蒸发掉，地表没有形成入渗，土壤含水率曲线基本无波动。秋季（9-11月），气温逐渐降低，降雨频次减小，但9月仍处于降雨集中的时期，雨过之后，表层土壤较湿润，土壤蒸发大，土壤含水率迅速下降。降雨期间，土壤含水率曲线波动剧烈。10 月份，降水量显著减小，土壤含水率持续下降。冬季（12月至次年2月），降雨少，蒸发小，气温降低，表层土壤开始冻结，土壤含水率降低。自12月13日以后，土壤温度持续低于零度，土壤含水率先降低后维持相对恒定。

深层土壤（距地面50～200 cm）位于悬着水带以下的中间包气带和毛管水带中。地下水埋深约6 m。由于毛管水带下端有充分的水分来源，主要受土壤温度的影响。50 cm深度的土层位于过渡区，该土层既受浅层活跃土层的影响，也受深部土层影响。靠近潜水面时，含水率随着土层深度的增加而增加，这是地下水毛细上升作用对包气带的影响。200 cm 深处土层的土壤含水率在5月末开始大幅度下降，并在8月21日达到最低点，这可能是地下水位下降所导致的。

2.3 土壤水分和温度的关系

温度作为驱动土壤水分迁移的重要因子，决定着水的相变，影响着土壤水分的赋存形式及活动性强度，从而影响土壤水分的入渗速度及再分布状况。

为了探究土壤含水率和土壤温度间的关系，文章对10 cm深度处土层的土壤含水率和土壤温度之间的关系进行研究，并进行了Pearson相关性分析，结果见表1。以确定性系数为主要指标，使用双尾显著性检验，数据均通过了0.05水平的显著性检验，拟合结果如图3所示。

表1 不同时段土壤含水率和土壤温度的相关性分析结果表

图3 土壤含水率与土壤温度的关系图

由图3 可知：10 月至次年1 月上旬，土壤含水率与土壤温度有显著的正相关关系；1-8月，二者没有相关关系；9月，二者呈负相关关系。10月至次年1月上旬，土壤含水率随着土壤温度的降低而减小，拟合得到的确定性系数R2值为0.959 21，拟合效果较好，说明在这期间10 cm深处土壤含水率主要受土壤温度影响。1-8月，随着土壤温度升高，土壤含水率变化不大，说明该时段10 cm 深处土壤含水率基本不受土壤温度的影响。拟合得到的确定性系数R2为0.601 87。9月份，土壤含水率随土壤温度降低而增大，拟合的确定性系数R2为0.652 48。9月降雨对10 cm深处土壤含水率影响较大，点的分布离散。降雨量峰值出现在9月，而该月份蒸发减弱，导致土壤含水率增大。

3 结 论

①土壤温度随季节呈现先升高后降低的变化规律，浅层土壤温度逐日变化幅度较大，随土层深度增大，土壤温度的波动幅度逐渐减小，且土壤热量向相邻土层传递的时间存在延迟。在气温升高的上半年，土壤热量主要向深层转移；在下半年，土壤热量主要向浅层地表传递。②在雨季，气象要素对浅层土壤含水率影响最大，其余时段，浅层土壤含水率受土壤温度和气象要素的双重影响；深层土壤含水率主要受气温主导的土壤温度影响。③对于10 cm深处土层，其土壤含水率和土壤温度呈一定的相关性：10月至次年1月上旬，呈显著的正相关关系；1-8月，二者间呈不相关关系；9月，二者呈负相关关系。