干旱半干旱地区典型沙地深层土壤水分渗漏过程研究

发布时间：2020-09-11 08:17

　　干旱半干旱地区土地沙漠化是一种生态灾害,它已成为中国干旱半干旱地区面临的最大的生态环境问题。造成土地沙漠化的主要原因是生态系统中水分失衡,水资源失衡也是中国干旱半干旱地区土地沙漠化的主要影响因子。干旱半干旱地区因为特殊的地理位置和气候类型,水资源量自然分布量少,其中主要的水资源以土壤水的形式存在,土壤中的水资源维持着干旱半干旱地区植被的发育和生态环境的稳定。干旱半干旱地区土壤水资源的补给来源为降雨和地下水,干旱半干旱地区地下水补给与埋深有关,人类过度不合理的开发经营活动造成了地下水水位急剧下降,由于地下水补给来源主要为降雨和深层地下水,大部分干旱区缺少浅层地下水露出,使得干旱半干旱地区稀少的降雨成为土壤水重要的补给来源。降雨转化为地下水这一过程主要发生在浅层-深层土壤中,国际上将浅层土壤不饱和水分带称之为地球关键带,浅层土壤水分直接影响该地区植被环境的发育。因此研究降雨-土壤水分入渗过程,以及干旱半干旱地区土壤水分分布规律对植被恢复、生态环境建设以及人工生态林的可持续发展具有十分重要的科学意义。该研究以中国北方干旱半干旱地区典型沙地作为研究对象,通过对典型地区的沙地进行立体观测和持续记录,发掘中国北方干旱半干旱典型沙地的降雨入渗过程的发生机理,统计该地区水资源量及降雨的水分去向分布。其中,干旱区试验地位于乌兰布和沙漠(裸沙地)、半干旱区试验地位于毛乌素沙地(人工樟子松林、人工油蒿固沙林、天然裸沙地)。研究采用雨量传感器、土壤水分传感器、自主研发的深层土壤水分渗漏测量仪。实时、连续、多要素同步监测干旱半干旱地区各类型试验样地小时尺度的降雨量,20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、120 cm、160 cm、200 cm各层土壤水分含量,200 cm深处深层土壤水分渗漏量。通过监测土壤水分的运动规律和浅层土壤水分储量以及渗漏进入深层土壤的(200 cm)水量,系统分析了干旱半干旱地区乔木防风固沙林,灌木人工固沙林以及天然裸沙地在自然条件下土壤水分对降雨的响应,深层土壤水分渗漏量对降雨补给的响应,以及干旱半干旱地区降雨入渗过程中的几种特殊现象和产生深层渗漏的边界条件。统计了不同地区水量平衡各要素的量,评价了人工造林过程中应该注意的水分要素和遵循的合理种植密度,讨论了沙地水分分布特征和人工林地的可持续发展评估,论证了两种人工植被在雨养条件下固沙林建设的可行性,对沙区人工造林以及水量平衡的评估提供指导,试验得出的主要结论如下:(1)通过推导的控制方程,计算出干旱半干旱典型地区风沙土试验区试验土壤的毛管持水高度为30-77 cm。根据这一结论,设计出符合试验样地的新型渗漏测量仪,并进行了四年的连续观测试验,精确测量降雨产生的深层渗漏量。该研究尝试了一种新的直接测量土壤水分渗漏方法,不再需要对地表植被条件及气象条件进行测量就可以实现蒸散发的计算。(2)试验观测数据表明:深层渗漏量的产生与降雨强度密切相关(大于10 mm/d),而与全年总降雨量没有直接关系,使用一个固定的渗漏系数进行模型运算不够精确。试验观测表明干旱半干旱地区大部分降雨事件无法产生深层渗漏。(3)气象条件影响降雨的入渗速度和深层土壤水分渗漏(气温和土壤温度)。对比春-夏、夏-秋时段两次相同规模的降雨事件发现,在降雨强度相似的情况下深层渗漏延迟时间不同,观测到最长延迟时间为78天。(4)半干旱地区雨养型油蒿根系分布范围为0-120 cm,根系主要集中在20-40 cm深度土壤层中。人工种植的油蒿促进了土壤发育,固定了风沙土,但是同时也增加了蒸散发量,消耗了大量的降雨补给,深层土壤水分渗漏量降低了86.4%。(5)半干旱地区人工樟子松林地土壤在一年内有两次明显的水分补给过程,几乎所有的干旱半干旱地区都在一年内有两次明显的深层土壤水分补给时段:春季融雪水分入渗补给过程和夏秋季降雨补给过程,夏秋季降雨能产生明显的深层土壤水分渗漏,现有种植密度下樟子松人工林同样能固定风沙土,同时能够兼顾降雨入渗到深层土壤中,樟子松人工林比油蒿人工林更节水,但是油蒿显著改良了土壤质量。(6)干旱研究区观测年内降雨量只有48.2 mm,仍然会产生深层渗漏。通过对冬季冻土层边界消融状况的观测表明:干旱区降雪事件能够在浅层间歇性冻土中以固态水的方式储存水分,间歇性冻土中的土壤水能够对深层土壤水分产生补充作用,主要的补给方式为:冻土层下界面与深层土壤之间存在能量交换和水分传输。多年观测数据表明:流动沙地土壤间歇性冻土期表现出与未冻结时期相同的渗漏能力。(7)现有种植密度条件下樟子松、油蒿防风固沙林仍然有降雨补给深层土壤水,在该种植密度下的樟子松、油蒿林在雨养条件下能够持续生存,降雨水分除了满足植物生长需要和土壤蒸发,还有剩余水分补给深层土壤水。证明该地区樟子松、油蒿能依靠天然降雨存活,但是随着全球极端天气频发,半干旱区降雨量突变的情况下樟子松、油蒿能否适应这一发展趋势还需要长期观测。
【学位单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S714
【部分图文】：

深层渗漏,毛乌素沙地,乌兰布和沙漠,立地类型

图 1-1 研究路线图Figure1-1 Research procedure依据研究团队近五年对中国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，除遇极端大降雨年份外，在干旱区降水对深层土壤（200cm 以下）水分几乎无渗漏补给（观测手段限制，只能粗略估算），而在半干旱区具有明显的渗漏补给(杨文斌等，2014b)。故在本项研究中，将研究区域选在半干旱区的毛乌素沙地、乌兰布和沙漠，地貌类型以固定半固定沙丘为主，在研究上具代表性。不同流动沙地风沙土深层渗漏观测样地分别设置在毛乌素沙地（乌审旗查干淖尔）、乌兰布和沙漠（磴口县沙林中心试验二场），分别选择立地类型相近的典型流动沙丘地作为监测点。不同固定程度沙地深层渗漏观测样地设置在毛乌素沙地，选择立地类型相近的典型固定沙地和半流动沙地作为监测点，并以流动沙地为对照。不同植被型固定沙地

分布图,试验区,地理位置,分布图

地形、地貌和植被等立地条件下的沙地入渗特征，并探讨了降雨入渗过程因素，将雨养条件下干旱半干旱地区植被生态系统中土壤水分的季节变化水消耗期、降雨入渗补给期和季节性冻土稳定期(Zhangetal.，2015)。但对水分的动态平衡及渗漏补给过程研究处于探索阶段，且对不同沙地的土壤缺乏长期系统地观测研究。因此，为了弄清干旱半干旱地区土壤水分动态深层土壤水分渗漏过程进行监测研究。如图 2-1 所示，该研究选取的试验分。半干旱试验点位于毛乌素沙地，干旱区试验点位于乌兰布和沙地。试分布在内蒙古中西部地区。

查干淖尔,毛乌素

是世界上陆地表面的 1/3(王涛和朱震达，2003)。半干旱地区面积覆盖了全世0 多个国家地区。广大的干旱半干旱地区是世界文明的发源地，在现代农业和畜牧业发展中占有重要的地位，仅在美国半干旱地区为整个国家提供了 80%的农业和畜牧品。前苏联中亚干旱半干旱地区为整个国家提供了 45%的商用产品(贾永莹，1988)。西部干旱半干旱地区同样为国家提供了大量畜牧业产品。中国是世界上主要的干旱旱分布地区之一，中国的干旱半干旱风沙区面积为300万平方公里，占国土面积的1/些地区主要分布在昆仑山-秦岭-淮河沿线以北，一直到东边的大兴安岭，干旱半干旱覆盖了全国 16 个省市自治区 965 个县。在干旱半干旱地区，耕地面积达到 7.7 亿亩全国耕地面积的 51%，其中 61%的耕地分布在干旱地区，特别是内蒙古包头以东，高原东部的广大地区。因此研究干旱半干旱地区水资源的分布对中国有重要的意义，1983)。

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