毛乌素沙地典型流动沙丘水分深层渗漏量及动态特征

水分是干旱、半干旱区生态系统中最重要的限制因子,一直以来都是研究的热点问题。然而由于测定方法的缺失,流动沙丘深层水分渗漏量的动态变化特征缺少令人信服的直接证据。采用YWB-01型水分深层渗漏记录仪,研究了毛乌素沙地流动沙丘降雨入渗过程及150 cm深度处的深层渗漏特征。结果表明：2011年5月14日到2014年7月14日,深层渗漏量≤1 mm的天数为793天,占总观测到渗漏时长的81.5%,深层渗漏量占总渗漏量的21.3%;深层渗漏量≥10 mm的天数为18天,占总观测到渗漏时长的1.85%,深层渗漏量占总渗漏量的33.3%。集中补给期主要在6-9月,渗漏量分别占各年总渗漏量的70%以上。深层渗漏量和降雨量之间均呈显著正相关关系。     

科尔沁沙地沙丘水分深层渗漏量和侧向运移量

沙丘水分的深层渗漏和侧向运移与深层土壤水、地下水及相邻丘间低地的水分状况密切关联。以科尔沁沙地典型流动沙丘迎风坡坡底，迎风坡坡中、坡顶、背风坡坡中和背风坡坡底监测点为例，采用自制的水分渗漏量及侧向运移量的监测装置，测定了科尔沁沙地流动沙丘各坡位入渗到0~100 cm土层雨水沿坡面的侧向运移量及入渗到100 cm以下的深层渗漏量。结果表明：生长季（5—10月）流动沙丘坡顶、迎风坡坡中、背风坡坡中、背风坡坡底处累积深层渗漏量分别为44.46、78.65、61.84、147.6 mm，分别占同期降雨量的17.03%、30.12%、23.68%、56.53%；迎风坡坡中、背风坡坡中、背风坡坡底处的累积侧向运移量分别为32.35、96.47、82.59 mm，分别占同期降雨量的12.39%、36.95%、31.63%。迎风坡坡中（P<0.01）和坡顶（P<0.05）的月深层渗漏量与月降雨量均显著正相关；背风坡坡中（P<0.01）和背风坡坡底（P<0.05）的月侧向运移量与降雨量均显著正相关。     

中国沙漠(地)深层渗漏量及动态特征

土壤水分深层渗漏是沙区水循环的重要环节,深层渗漏的定量测定对沙区水资源评估及水量平衡研究具有重要意义。本文采用YWB-01型土壤深层水量渗漏测试记录仪对中国毛乌素沙地等六大沙漠(地)降雨入渗到深层土壤的渗漏水量进行实时动态监测。结果表明:流动沙丘降雨渗漏补给量存在明显的时空差异,与降雨时空变化特征具有相对一致性,降雨格局是影响深层渗漏过程的主要因素,随降雨增大渗漏补给量增加,半干旱区降雨量与渗漏量显著正相关(p<0.05),干旱区相关性不显著(p>0.05);观测期内正镶白旗、伊金霍洛旗、阜康流动沙丘土壤200 cm以下渗漏量为48.5、146.8、1.0 mm,分别占同期降雨的21.4%、33.3%、1.3%;乌审旗、磴口150 cm以下渗漏量为1009.6、52.6mm,分别占同期降雨的55.7%、12.7%。不同气候区固定沙丘渗漏量基本没有差异,降雨格局不是影响水分深层渗漏的主导因素,而植被覆盖的影响占主要作用,且沙丘植被盖度>45%时深层渗漏量不超过同期降雨的2.0%。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。     

降雨量、土壤蓄水量对流动沙地土壤水分深层渗漏的影响

土壤水分深层渗漏是陆地近地层水分循环的重要环节。利用土壤水分深层渗漏记录仪对毛乌素沙地典型流动沙丘不同深度土层的土壤渗漏水量连续进行两年定点监测。结果表明：（1）2016年生长季（4月1日至10月31日）降水量为2017年的1.93倍，但50、100、200 cm沙层的渗漏水量分别是2017年同期的4.53、5.53，5.22倍。同时，渗漏水量与降雨量及土壤蓄水量的波峰较一致。（2）强降雨对深层渗漏水量的影响较大，土壤蓄水量的变化也与深层渗漏水量密切相关；降雨量较小时，土壤蓄水量与深层渗漏水量之间的关系更为密切。在连续降雨过程中，越往深处，渗漏的产生通常是多次降雨过程累积的结果，将土壤蓄水量作为中间变量，能更好地分析土壤深层渗漏过程。（3）当天蓄水量与次日渗漏水量的相关系数较高，土层越深，深层渗漏水量与土壤蓄水量的相关系数增加，二者之间的线性拟合的R²也相应增加。     

乌兰布和沙漠灌溉农田深层渗漏特征与水量平衡

中国干旱区分布着大面积的灌溉农田，改造沙漠（包括戈壁）为灌溉农田仍为治沙的重要途径，深层渗漏是地表水温过程及优化灌溉制度的重要参数。针对乌兰布和沙漠熟化的灌溉农田，保留50 cm的耕作层熟化土壤，分别客换50~150 cm砂土、壤土和黏土，配置成为3种土壤类型样地，实时监测了当地农民对农田的实际灌溉量与灌水量、土壤含水率及深层渗漏量。结果表明：（1）2017年4月17日的单次灌水量118.64 mm后，砂土、壤土、黏土样地150 cm深层出现渗漏的时间分别为灌溉后的13、72、257 h。（2）单次灌水量118.64 mm的15 d后，砂土、壤土、黏土样地150 cm深层渗漏量分别为110.87、12.2、0.8 mm。（3）2017年生长季内（4月1日至10月30日）5次灌溉水总量为641.53 mm时，渗漏水总量为砂土449.60 mm、壤土270.60 mm；土壤的蓄水量变化为砂土-48.79 mm、壤土-35.32 mm。（4）砂土、壤土和黏土的渗漏水量差异是影响灌溉水量和频率的重要因素。     

毛乌素沙地流动沙丘土壤水分模拟及渗漏特征北大核心CSCD

干旱半干旱区土壤水分的主要补给来自于降水,降水决定土壤水分时空格局变化,对不同深度土壤水分的补给起到了关键作用。通过优化参数后的Hydrus-1D模型,分析出毛乌素沙地流动沙丘10、30、50、70、90、110 cm土层水分渗漏量变化特征及其对不同降雨格局的响应。结果表明:5—9月,流动沙丘不同深度土层渗漏量随着深度的增加存在一定差异,5—8月渗漏量随着土层深度的增加呈递减趋势,9月呈增加趋势。渗漏量与降水量变化一致,最大渗漏量发生在8月,110 cm处渗漏量为148.51 mm,占该月降水量的67.5%;最大渗漏速率与最大渗漏量发生在降雨量大的降水事件,降水量和土壤初始含水量共同决定了渗漏速率及渗漏时长。14.8 mm降水可渗漏到110 cm深度土层,达到最大渗漏速率的累计渗漏量为1.89 mm,占降水量的13.69%。连续降水事件有利于水分的深层渗漏补给,并且缩短了各土层渗漏速率到达峰值的时间。     

基于Hydrus-1D模型的科尔沁沙地沙丘-草甸相间区土壤水分动态模拟

土壤水分是干旱半干旱地区生态环境的主要限制性因子,研究科尔沁沙地流动沙丘和草甸地土壤水分动态规律有助于荒漠化地区的生态恢复和保护。以2018年5月25日至10月31日为研究期,利用土壤各项实测参数和气象数据,评价Hydrus-1D模型在科尔沁沙地的适用性,并揭示科尔沁沙丘-草甸相间区土壤水分分布特征,重点分析研究区流动沙丘200 cm剖面和草甸地80 cm剖面土壤水分的动态规律。结果表明:研究区典型土地类型流动沙丘和草甸地土壤水分模拟值和实测值的决定系数均高于0.76,均方根误差0.01~0.02 cm³·cm^-3;在土壤剖面上具有明显的分层结构,流动沙丘分为3层,即0~20 cm为干沙层,20~120 cm为活跃层,120~200 cm为稳定层,其中40 cm土壤水分波动性最大;草甸地分为2层,即0~40 cm为活跃层,40~80 cm为稳定层,主要受降雨、蒸散发和地下水位影响;流动沙丘和草甸地降雨与表层土壤水分呈极显著相关,降雨量与地下水位变化仅草甸地呈显著正相关;在整个研究期内,流动沙丘土壤水分储量变化量为12.6 mm,土壤实际蒸发量为105.9 mm,200 cm深层渗漏量为173.9 mm,占总降雨量的59.5%;草甸地土壤水分储量变化量为8 mm,80 cm深层渗漏量为-27.2 mm(地下水补给量),土壤实际蒸发量为67 mm,植被蒸腾量为244 mm,地表径流量为0 mm。     

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。     

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。     

极端降水事件对科尔沁沙地一年生植被的影响北大核心CSCD

在科尔沁沙地奈曼旗,大于10mm的降雨属极端降雨。根据当地多年平均降雨量,设置雨量×降雨次数的双因素模拟试验(T_1,共288mm、分18次;T_2,共288mm、分9次;T_3,共576mm、分36次;T_4共576mm、分18次;CK,接收当年的自然降雨),考察极端降雨对科尔沁沙地一年生植被的密度、多样性指数、生物量及根冠比的影响。结果表明:(1)在萌发期,植株密度在各处理下均维持在2 000株·m^(-2);而在生长发育后期,T_3、T_4维持在400株·m^(-2),而T_I、T_2维持在1 600株·m^(-2),CK下为1 200株·m^(-2),说明降雨总量决定了能完成生活史的沙地一年生植被的数量。(2)T_1、T_2、T_33种极端降雨模式均显著提高沙地一年生植被的生物多样性指数,说明科尔沁沙地一年生植被的生物多样性不是由年降雨量单一因素决定的,而是由每次降雨量与降雨次数的分布共同决定的。(3)T_3、T_4显著降低了沙地一年生植被的水分利用效率。     

近40 a毛乌素沙地荒漠化过程研究

毛乌素沙地位于我国北方农牧交错带上,生态环境具有较强的敏感性和脆弱性。采用1977-2010年Landsat数据,运用决策树和非监督分类相结合的方法对近40 a来毛乌素沙地荒漠化过程进行了研究。结果表明：（1）决策树分类和ISODATA非监督分类相结合可快速实现荒漠化地区地物遥感解译,图像总分类精度大于87.28%;（2）近40 a毛乌素沙地流动沙地面积在20世纪90年代末最大,2010年最小;半固定沙地面积在2010年最大,90年代末最小;固定沙地面积在2010年最大,70年代末最小;（3）70年代末荒漠化程度最为严重,流动和半固定沙地面积之和占了毛乌素沙地总面积83.64%;80年代末、90年代末和2010年的流动和半固定沙地面积之和分别占总面积74.51%、77.10%和67.90%;（4）流动沙地、半固定沙地、固定沙地、耕地和水体间的相互转换过程活跃,荒漠化演替过程显著区在70年代末到80年代末主要分布在北部、西北部和南部,80年代末到90年代末主要分布在西部和南部,90年代末到2010年主要分布在西北部、西部、南部和东北部;（5）近40 a毛乌素沙地气温以0.039 ℃/a的平均速度递增,降水则以0.095 mm/a的平均速度递减,气候总体上体现出暖干的趋势。降水是影响荒漠化过程的重要因素,但不是唯一原因,人文因素中的人口、土地利用结构和政策实施等也是影响荒漠化过程重要因素。     

热处理对沙漠边缘土壤腐殖酸荧光性质及其与Cu(Ⅱ)络合作用的影响

利用Penman-Monteith公式和常规气象资料计算和分析中国北方半干旱典型沙区(科尔沁沙地、浑善达克沙地和毛乌素沙地)50多年来主要气象要素和潜在蒸散量的变化趋势及其原因。 结果表明,自20世纪50年代以来,北方半干旱典型沙区年平均气温均呈上升趋势,年降水量均呈波动变化特征,但年平均风速呈明显下降的趋势。浑善达克沙地年潜在蒸散量随时间呈现显著增加趋势,科尔沁沙地年潜在蒸散量随时间呈现小幅的增加趋势,但毛乌素沙地年潜在蒸散量随时间呈现微弱的下降趋势。偏相关分析显示,毛乌素沙地潜在蒸散量与日照时数和风速呈显著的正相关,与平均温度呈显著的负相关;浑善达克沙地和科尔沁沙地潜在蒸散量与年平均温度显著正相关,但与日照时数无显著相关性。因此,毛乌素沙地日照时数减少和风速降低有可能是区域潜在蒸散量近几十年呈现减少的主要原因,科尔沁沙地和浑善达克沙地潜在蒸散量变化可能主要受温度的影响。     

毛乌素沙地土地沙漠化评价

基于遥感监测反演数据,以多等级土地沙漠化转化度为评价指标,研究构建了毛乌素沙地土地沙漠化转化度模型,并对20世纪80年代末到90年代末期间毛乌素土地沙漠化转化情况和转化机理进行了系统评价和分析。评价发现,毛乌素沙地土地沙漠化情况为:东部区沙漠化发展的转化度为12.113%,逆转的转化度为9.639%,所以该区沙漠化呈现加重的态势;中部区沙漠化发展的转化度为14.551%,逆转的转化度为18.954%,但强烈发展所占比例较大,可见该区土地沙漠化呈现面积缩小、程度加重的特点;西部区沙漠化发展的转化度为8.731%,逆转的转化度为7.298%,说明该区土地沙漠化发展略大于逆转,沙漠化面积扩大,但分析发现该区重度、极重度沙漠化土地逆转的转化度很高,总和为6.483%,约为发展转化度总和的两倍,所以该区土地沙漠化程度整体减轻。     

粒度特征揭示的中全新世以来毛乌素沙地演化过程

通过对毛乌素沙地现代固定沙丘、半固定沙丘、半流动沙丘和流动沙丘的粒度特征分析，发现研究区沙地变化敏感粒度是>245 μm的沉积物粒度组分，尝试性地将其用于地质时期沙地演化研究。结合区域典型风成砂-古土壤剖面的沉积相特征，探讨了中晚全新世以来毛乌素沙地的时间演化过程及其特征。结果表明：中全新世以来毛乌素沙地存在多次活化扩张和固定萎缩事件，除7.5 ka BP前为流动沙地占优势以外，其余阶段多在半流动沙地、半固定沙地和固定沙地之间频繁转换，即使在全新世适宜期古土壤大规模发育期间仍存在局地短时间的沙地活化事件。     

毛乌素沙地绿洲化过程中生态服务价值及生态网络格局演变

揭示沙地生态系统服务价值及其稳定性网络格局的动态演变规律,对沙地分区治理及农、林、牧产业结构调整具有重要意义。以1986年以来土地利用变化数据为基础,统计分析毛乌素沙地生态系统服务价值（ESV）时空分异规律,以生态服务价值最大化为目标和策略,利用最小累积阻力模型（MCR）,探讨了毛乌素沙地生态网络格局演变规律。结果表明：（1）1986—2020年,随着毛乌素沙地绿洲化过程的推进,林地取代沙地成为毛乌素沙地的主导地类,2020年林草覆盖率达71.38%。（2）1986—2020年,毛乌素沙地生态服务价值整体上升了198.76亿元,1986—2006、2006—2020年沙地生态服务价值增长速率分别为每年2.51亿元和10.62亿元;从空间上来看极高生态服务价值区集中分布在河南乡和毛盖图苏木,至2016年以来逐渐扩展到苏米图苏木、嘎鲁图镇等区域。（3）生态网络格局呈明显的双区分异,即生态网络稀疏的西北区,以沙地复垦地、流动沙丘和半流动沙丘为主;以及生态网络稠密的东南区,以林草覆盖率较高的固定沙地和河流、湖泊水资源丰富地区为主,且随生态服务价值高值点迁移,稳定性网络结构逐年向东北方向偏移。     

浑善达克沙地的土地沙漠化过程研究

借助TM/ETM＋影像和GIS平台,采用实地考察与野外实验和室内分析整理相结合的办法,对浑善达克沙地土地沙漠化过程进行了初步研究。结果表明,过去50 a来,浑善达克沙地经历了强烈的沙漠化发展。位于沙地中部正蓝旗的沙漠化土地从1987年的5 593.8 km²发展到2000年的6 015.3 km²,发展速率为32.4 km²·a^-1。2000年紧急启动的风沙源治理工程,一定程度改善了当地沙漠化发展态势,2005年正蓝旗共有沙漠化土地5 950.4 km²,有约330.7 km²的严重沙漠化土地得到了控制和逆转。其他大部分沙漠化土地虽有不同程度改善,但5 a的时间里尚未发生质的变化。沙漠化过程是原生植被逐步被沙生植被和沙生先锋植被取代的过程;同时也是土壤粗化、贫瘠化和空间重新分布过程。随着土地沙漠化程度的加剧,起沙风速降低,输沙强度增大,沙地近地表表现出相对高风能环境。沙漠化过程以固定沙丘活化为主,主要有发育“马蹄形”风蚀洼地、“鱼钩”型沙丘和“串珠状”风蚀槽三种沙丘活化形式,最终导致景观支离破碎、不少地区出现了流沙连片的现象。同时,农田开垦引起土壤风蚀的危险,也不容忽视。     

毛乌素沙地沙产业发展条件

沙产业对沙漠的生态环境改善和社会经济发展具有巨大的贡献,在当前全球气候变化的背景下更是迎来新的契机。结合数理统计以及SWOT分析等研究方法综合分析和评价毛乌素沙地气候变化、生态环境变化以及内外资源条件。结果表明：（1）在气候变暖的背景下,毛乌素沙地降水有所增加,风速逐渐减小,植被覆盖率不断提高,气候条件和生态环境条件逐渐改善。（2）毛乌素沙地土地、光热、水、旅游及政策等资源条件具有明显的优势。毛乌素沙地逐渐改善的自然环境以及优势资源可为沙产业的发展提供动力和保障。     

毛乌素沙地风况及输沙势特征

利用毛乌素沙地腹地野外实测风速风向数据，系统分析了毛乌素沙地的起沙风和输沙势的变化特征。结果表明：（1）毛乌素沙地的起沙风和输沙势主要分布在NW、NNW和N等3个方位。（2）毛乌素沙地春季（3—5月）起沙风频率和输沙势最大，分别占全年的46.23%和52.97%。（3）起沙风频率的日内变化呈单峰曲线：16：00起沙风频率最大，为22.11%。起沙风平均风速的日内变化呈双峰曲线：00：00起沙风平均风速最大，为7.84 m·s^-1；14：00起沙风平均风速为7.63 m·s^-1，是次峰值。（4）毛乌素沙地年输沙势为66.75 VU，按照Fryberger风能环境划分标准，属于低风能环境；方向变率指数RDP/DP为0.51，中比率，钝双峰风况，其中偏北峰值远大于偏南峰值。     

基于标准化降水蒸散指数（SPEI）的毛乌素沙地1981—2020年干旱特征研究

大气干旱是影响半干旱沙区植被建设、生态恢复及社会经济可持续发展的重要因素。基于1981—2020年毛乌素沙地10个气象站点的逐月气象资料,计算了月、季和年尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI）,分析了该沙区近40年降水和气温的变化趋势、干旱事件及其频率的时空特征。结果表明：（1）毛乌素沙地近40年降水量和气温均呈现显著的上升趋势（P<0.05）;秋季和冬季降水量呈现显著的上升趋势（P<0.05）,四季气温均呈现显著的上升趋势（P<0.05）。（2）毛乌素沙地总体上呈现出不显著的湿润化趋势（P>0.05）,但秋季呈显著的湿润化趋势（P<0.05）;中、西部地区呈现出湿润化趋势,而东部地区则呈现干旱化趋势。（3）近40年毛乌素沙地的月尺度下干旱总频率达32.71%,各等级发生频率为轻旱>中旱>重旱>特旱,季节发生频次为冬季>夏季、秋季>春季;轻旱主要发生在毛乌素沙地的北部、中部、东南和西南部,中旱在东部、北部和西部边缘,重旱在东部、中部以及南部地区,特旱在西北部、南部和东南部区域。     

Historical desertification of the Mu Us Sandy Land: A perspective from the Beidachi section

Historical desertification of the Mu Us Sandy Land is linked to both environmental changes and anthropogenic activities. This paper reports on an analysis of grain size parameters as indicative of such changes in the southwestern area of the Mu Us Sandy Land. Combined with analysis of chronologies and historical records, our results indicate that Beidachi Lake and a nearby seasonal river have retreated continuously in history and that sand dunes appeared at approximately the end of the Ming dynasty. This study sheds new light on the understanding of spatial-temporal changes of the interior Mu Us Sandy Land in history and has great significance in revealing environmental changes of the interior region of the Mu Us Sandy Land.