沙地水分动力学研究新视角

沙地水分研究正从形态学观点向能态观点转变，本章简述了沙地水分动力学主要研究内容和研究动态，指出当前研究中存在的问题并作了展望     

古尔班通古特沙漠季节性冻土入渗特性试验研究

以古尔班通古特沙漠南缘融雪期冻结土壤入渗试验为依据,分析了沙漠地区季节性冻土水分入渗特性及主要影响因素.结果表明:沙漠地区季节性冻土具有较高的入渗能力,沙漠冻结风沙土的稳渗率为0.26～0.30 mm/min,是田间冻结壤土的10～20倍,可以保证融雪水及时入渗进入土壤,为融雪水的高效储存创造了有利条件.入渗能力随着土壤含水率的升高而减小.沙地土壤初始的低含水率、土壤大孔隙结构特征是沙地冻结土壤具有较高入渗能力的主要原因.研究结果为进一步研究春季融雪水在沙地的再分配过程奠定了基础.     

沙坡头地区土壤水分吸湿凝结的动态观测与理论计算

采用实际观测与理论计算相结合方法研究了沙地表层土壤吸湿凝结水量及其变化过程。沙土水分吸湿凝结过程可分两个阶段：第一阶段是由沙土自身物理性质决定的分子凝结过程,所吸收水量主要受温度和湿度影响,最大不超过沙土最大吸湿水量;第二阶段是由近地面微气象条件决定的水分凝结过程,所吸收水量受空气水汽压、地面温度和地表可利用能量的影响。采用能量平衡和空气动力学综合方法计算沙地吸湿凝水量及其动态变化,与实测值相比结果合理,方法是可行的。     

干旱地区植被影响沙地水分传输机理及其参数化

从植物生长与水分平衡的关系入手,在土壤水分动力学和近地面空气动力学等学科的研究基础上,依据植物生理生态学原理,探讨了干旱地区植被影响沙地水分传输的机理,初步建立了植被参数化模型和土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分传输综合模型。主要研究结果如下:①分析了荒漠植物的生长及其动态变化特征,对沙生植物地上部与根系生长,尤其是根系在土壤中的分布进行了量化。②分析了荒漠植物的蒸腾特性及其气孔调节作用机制,指出了土壤水分亏缺是叶片气孔关闭、蒸腾作用降低的主要原因,探讨了植物蒸腾作用与气孔调节之间的复杂关系及其今后的研究重点。③揭示了沙地植被蒸发蒸腾的变化规律;分析了影响沙地植被蒸发蒸腾的生物因素和环境因素的作用。④初步建立了植被参数化和SPAC水分传输综合模型,模拟了植被结构影响冠层能量平衡过程,探讨了植物状态参数、生理参数与蒸发蒸腾的相互关系。     

沙地水分的研究进展

总结了国内外沙地水分研究进展情况。认为沙地水分研究可划分为:传统的观测、记录、评价分析和模拟理论研究两阶段;对沙地水分的测量仪器、研究机构、改良措施等方面和在实践中取得的成效进行介绍。     

田间测定沙地水分运动参数初步研究

采用田间垂直入渗试验法测定了沙地水分运动参数，并得到经验拟合曲线。沙土水分特征曲线表明，当体积含水率θ＞５％时，吸力Ｓ随θ增加而缓慢下降，而θ＜５％时，Ｓ随θ的减小而趋于急剧上升。非饱和导水率Ｋ～θ关系表明，当θ＞１５％时，导水率Ｋ值急剧上升，而θ＜１５％时，导水率Ｋ变化缓慢．     

用拱棚法对极干旱区沙地水分来源的定性分析

在潜水埋深超过200 m的敦煌莫高窟极干旱沙漠区,用拱棚法和微型空气湿度监测仪对流沙水分的时空分布格局进行监测,并对水分的来源进行分析。拱棚膜面凝结水分的持续抽取表明,在典型干旱气候条件下,有源源不断的沙地水分蒸发,其中1.25 g·m-2·d-1的水分在膜面凝结。沙地水分的时空动态分布格局表明,存在水分向上运移的温湿度条件。由此判定,除降水之外地下潜水蒸发是沙地水分最基础的来源。实验表明,干沙层虽然对沙地水分蒸发具有极强的抑制作用,但在升温过程中仍存在水分蒸发;在降温过程不但可从下层流沙吸收大量的水分,而且可吸收大气水分。沙地的蒸发量大于来自大气的吸湿量,总有少量的水分流失。沙地水分潜水来源的确定,不但对沙漠化的治理提供了新思路,而且对莫高窟文物的保护具有十分重要的意义。     

腾格里沙漠人工固沙植被区浅层土壤水分对降水和生物结皮的响应

选择腾格里沙漠东南缘人工植被区3种典型的地表覆被类型（藓类结皮、藻类结皮和流沙）土壤为对象,选取发生在7月和9月的两次降水事件,研究浅层土壤（3、5、10 cm）水分入渗与再分布过程。结果表明：浅表层3 cm深度土壤水分在降雨初期均表现为跳跃式增加,而在降雨中后期由于土壤剖面不同深度水势梯度减小,降水入渗速率降低,土壤水分仅呈现小幅波动。在两次降水事件中,藓类结皮和藻类结皮对降水入渗的阻碍作用比较显著,入渗速率表现为沙土 > 藻类结皮 > 藓类结皮;从水分再分布看,生物土壤结皮的存在致使水分再分配过程表现出明显的浅层化;降水过程结束后,结皮促进水分的蒸发损失,从而减少植被可利用水分含量。人工固沙植被区广泛发育的生物土壤结皮对降水入渗与再分布过程以及土壤水量平衡具有重要影响。     

生长季流动沙地水量平衡研究

利用水分分配箱对流动沙地土面蒸发量和入渗补给量的月动态特征及其水量平衡作了定量研究。结果表明:①生长季流动沙地土面蒸发量从４月开始逐渐增大,至８月达到蒸发的最高点,９月蒸发量开始回落;5月、6月受气温的影响蒸发量相对较小,只占到同期降水量的30%~40％,有利于土壤储存更多的水分;生长季总蒸发量为167.42 mm,占同期降水量的76.07％,远小于固定沙地小叶锦鸡儿灌丛蒸散量占同期降水量的135.83％的比值。②补给量从4月开始逐渐增大,8月达到最大值16.79 mm,进入9月,随着降水量的减少以及8月较大的蒸发消耗,补给量迅速减少。补给系数从5月至8月逐渐增大,最大值可达到26.73％,平均值为15.09％。     

沙地渗灌系统的自动监测与控制

通过沙地渗灌系统的应用实践以及与沟灌、漫灌进行的比较研究,着重介绍了其对水分实行自动监测与控制的功能;分析了其可向植物根群区直接供给水分和养分,减少水分蒸发,保持沙地良好水分状态的优越性。     

青海湖湖东沙地不同沙丘降雨入渗研究

降雨入渗对干旱、半干旱区土壤水分的影响很大,降雨量、降雨强度、土壤前期含水量等要素都会影响水分的入渗过程。本文通过监测青海湖湖东沙地3种类型沙丘的土壤水分和降雨情况,对区内降雨特征以及不同要素对沙丘水分入渗的影响进行了分析。结果表明：降雨量只有达到某一临界值才发生下渗,流动沙丘、固定沙丘、经治理（人工植被+麦草方格沙障）的流动沙丘发生下渗的临界降雨量分别为5.6 mm、1.6 mm、0.2 mm。水分累积入渗量随降雨量增大而增加,降雨量相同的情况下,入渗量大小表现为经治理的流动沙丘>固定沙丘>流动沙丘。当降雨量和土壤前期含水量相近时,入渗量随降雨强度的增大而增加,尤其在小降雨事件下,降雨强度是影响入渗的关键因素,大降雨事件下降雨量则成为影响入渗的决定因素。降雨量和降雨强度相近的情况下,入渗量与土壤前期含水量呈负相关关系。随着降雨量增大,入渗水分全部消耗所需要的时间逐渐增加,尤其当降雨量大于10 mm时,入渗水分消耗所需时间将随着降雨量的增大迅速增加。     

低覆盖度治沙理论的核心水文原理概述

土壤水分的渗漏过程是陆地生态水文的3个最核心过程之一,降水向土壤深层渗漏或者补给地下水,关系到干旱沙区水平衡维持和植被稳定持续发育。多年的治沙实践和研究结果表明：（1）天然分布稳定的沙生植被,覆盖度一般低于30%,降水均能够渗漏到土壤深层或者补给地下水;（2）人工营造的固沙林,当林分的覆盖度大于40%后,林下土壤含水率逐步降低,降水不能够渗漏到土壤深层或者补给地下水,林木出现衰败或者死亡;（3）低覆盖度固沙林设计出了带间的土壤渗漏补给带,确保了降水能够渗漏到深层或者补给地下水,固沙林及其带间植被能够稳定持续发育;（4）在极端干旱区,基本上没有降水能够渗漏到2 m以下土层,灌溉才能确保林分的稳定持续;在干旱区,深层渗漏水量占年降雨量的1%—13%,半干旱地区的深层渗漏水量占年降雨量的11%—23%,半湿润干旱区的深层渗漏水量占年降雨量的15%—45%,能够确保沙区的水平衡和雨养植被的稳定持续发育。这也是低覆盖度治沙理论最基本的生态水文原理,为中国防沙治沙事业开拓了新领域、新方向和新思路,对推动中国今后的防沙治沙工作有着重要意义。     

不同演替阶段油蒿群落土壤水分特征分析

油蒿群落是毛乌素沙地最主要的群落类型之一,在维持当地生态系统稳定中起着重要作用。土壤水分是影响油蒿群落演替的重要环境因子,为深入分析不同油蒿演替阶段土壤水分特征,使用EC-5土壤水分传感器连续监测整个生长季内先锋物种阶段(流动沙地)、稀疏阶段(半固定沙地)和建成阶段(固定沙地)油蒿群落土壤水分动态。结果表明,3种样地土壤水分均存在时间和空间上差异,流动沙地各层土壤含水量均显著高于半固定沙地和固定沙地;土壤含水量受降水影响较大, 降水量是影响土壤水分补给深度的重要因素,小于10 mm的降水主要被表层土壤吸收,10～20 mm的降水对土壤水分的补给深度超过30 cm、不及60 cm, 30～40 mm的降水补给深度大于60 cm、不及100 cm;30 cm及其上层土壤水分波动剧烈,60 cm处土壤水分主要受大于30 mm降水事件影响,波动较小,100 cm和160 cm处土壤水分几乎不受降水的影响,土壤含水量较稳定;降水补给深度及植被根系需水的层次差异是导致3种样地土壤水分时间和空间上异质性的重要因素;土壤温度主要受大气温度影响,与土壤水分相关性不显著,且随土壤深度的增加而降低。     

Influence of canopy and topographic position on soil moisture response to rainfall in a hilly catchment of Three Gorges Reservoir Area,China

Rainfall provides essential water resource for vegetation growth and acts as driving force for hydrologic process, bedrock weathering and nutrient cycle in the steep hilly catchment. But the effects of rainfall features, vegetation types, topography, and also their interactions on soil water movement and soil moisture dynamics are inadequately quantified. During the coupled wet and dry periods of the year 2018 to 2019, time-series soil moisture was monitored with 5-min interval resolution in a hilly catchment of the Three Gorges Reservoir Area in China. Three hillslopes covered with evergreen forest(EG), secondary deciduous forest mixed with shrubs(SDFS) and deforested pasture(DP) were selected, and two monitoring sites with five detected depths were established at upslope and downslope position, respectively. Several parameters expressing soil moisture response to rainfall event were evaluated, including wetting depth, cumulative rainfall amount and lag time before initial response, maximum increase of soil water storage, and transform ratio of rainwater to soil water. The results indicated that rainfall amount is the dominant rainfall variable controlling soil moisture response to rainfall event. No soil moisture response occurred when rainfall amounts was 8 mm, and all the deepest monitoring sensors detected soil moisture increase when total rainfall amounts was 30 mm. In the wet period, the cumulative rainfall amount to trigger surface soil moisture response in EG-up site was significantly higher than in other five sites. However, no significant difference in cumulative rainfall amount to trigger soil moisture response was observed among all study sites in dry period. Vegetation canopy interception reduced the transform ratio of rainwater to soil water, with a higher reduction in vegetation growth period than in other period. Also, interception of vegetation canopy resulted in a largeraccumulated rainfall amount and a longer lag time for initiating soil moisture response to rainfall. Generally, average cumulative rainfall amount for initiating soil moisture response during dry period of all sites(3.5–5.6 mm) were less than during wet period(5.7–19.7 mm). Forests captured more infiltration water compared with deforested pasture, showing the larger increments of both soil water storage for the whole soil profile and volumetric soil water content at 10 cm depth on two forest slopes. Topography dominated soil subsurface flow, proven by the evidences that less rainfall amount and less time was needed to trigger soil moisture response and also larger accumulated soil water storage increment in downslope site than in corresponding upslope site during heavy rainfall events.     

毛乌素沙地流动沙丘土壤水分对降雨的响应

为探讨半干旱区流动沙丘土壤水分对降雨的响应,采用AV-3665R型雨量传感器、ECH₂O-5土壤水分传感器同步监测毛乌素沙地东北缘流动沙丘2013年降雨及0～200 cm深度土壤体积含水量动态,分析土壤水分含量变化特征、降雨入渗特征及降雨对土壤水的补给作用。结果表明:5-11月累积降雨399.4 mm,显著(p<0.01)影响0～200 cm深度土壤水分含量; 且0～200 cm深度土壤体积含水量较低(6.49%±1.12%)时53.8 mm降雨、较高(10.22%±1.96%)时24.2 mm降雨湿润锋能够到达200 cm; 试验期间399.4 mm累积降雨对土壤水有一定补给作用,其中45.7±14.1 mm降雨蓄存在0～200 cm深度土壤中,占同期降雨的(11.4%±3.5%,且随着时间的延长,蓄存水大部分将渗漏到200 cm以下补给深层土壤水。     

河西走廊典型荒漠区土壤水分对降水脉动响应的稳定同位素分析

基于稳定同位素技术研究了河西走廊中部典型荒漠区土壤水分对降水脉动的响应。结果表明：降水分布及其δ¹⁸O值都存在显著的季节变化特征,降水事件多发生在夏季,且有较高的δ¹⁸O值,而冬季降水稀少,且δ¹⁸O值偏低。降水以脉动方式输入土壤中,不同量级的降水事件会导致土壤含水量和δ¹⁸O值不同程度的响应。降水入渗后不同深度的土壤含水量和δ¹⁸O值的响应程度和响应时间不同,土壤深度越大,响应程度越小且响应时间越滞后。对比降水δ¹⁸O值和降水后不同深度的土壤水δ¹⁸O值的变化发现,表层土壤能够迅速的对降水做出响应,下层土壤的响应具有滞后性。即这种自上而下的活塞式下渗是该区主要的降水入渗方式。荒漠区土壤水分受降水的调节和控制,但是深层土壤水受小降水事件的影响较小,大降水事件虽然发生频率较小,但是能够对深层土壤水形成有效的补给,对整个荒漠生态系统的可持续发展都具有十分重要的意义。     

沙质土壤水分运动参数研究

利用土壤水动力学原理,在室内测定了沙质土壤水分特征曲线、饱和导水率和非饱和导水率。在沙地葡萄园,建立观测场,埋设中子管和负压计,观测水分和吸力变化,基质吸力随土层加深而减小,10 cm处全年最大为126 cm水柱(12.4k Pa),30 cm处全年最大为116 cm水柱(11.4k Pa)。4月份吸力最大,土壤最干燥,7月份吸力最小,土壤最湿润。     

采用一维水平入渗试验测定古尔班通古特沙漠南缘丘间地风沙土渗透系数

通过室内土壤水平一维入渗试验,测定了不同入渗水头作用下不同入渗时间对应的累计入渗量和湿润锋长度,分析了累计入渗量与湿润锋长度、累计入渗量与入渗时间平方根的关系,探讨了采用不同入渗水头作用下的水平入渗试验测定古尔班通古特沙漠南缘丘间地风沙土渗透系数的适用性。研究结果表明：累计入渗量与湿润锋长度呈显著的线性关系;累计入渗量与入渗时间平方根呈显著的线性关系,Philip公式较好地反映了不同入渗水头作用下的水平入渗特点;采用水平土柱入渗试验测定古尔班通古特沙漠南缘丘间地风沙土渗透系数是可行的。研究结果可为干旱区风沙土水力学研究提供参数,为推求风沙土水动力学参数的方法选择提供理论参考。     

半干旱沙地樟子松林降雨再分配特征

森林植被的降雨再分配过程是影响区域水资源利用效率以及生态系统生产力的重要因素。于2018年5-8月观测27 a生樟子松人工林降雨再分配特征,探究降雨再分配的比例变化对林地水分平衡的影响机制,分析、量化林内穿透雨、林冠截留、树干径流、枯落物层入渗部分产生的阈值。结果表明:樟子松林内穿透雨量占同期降雨量的86.45%,穿透雨量随着降雨量的增加呈线性增加趋势,降雨量>0.63 mm时产生穿透雨;林冠截留量和树干径流量分别占降雨量的10.44%和2.54%,树干径流量与降雨量之间呈正线性关系,降雨量>1.19 mm时,产生树干径流;枯落物层截留量占降雨量的12.37%,枯落物层截留量随着降雨量的增加而增加;枯落物在0~24 h内平均吸水速率为1.83 mm·h^-1,其最大持水量为3.23 mm,并且枯落物层截留量占其最大持水量的42.37%。从林冠到枯落物各层截留总量为25.35%,其中有74.65%的雨水最后从枯落物层入渗进入地表,用于补充土壤水分、下渗或补充地下水。半干旱沙地樟子松林可以有效地发挥截留降雨、贮存雨水的功能,继而改善沙地土壤含水量和地下水的有效补给量,提高森林生态系统生产力。