用拱棚法对极干旱区GSPAC水分运转的分析

在典型极干旱气候条件下,在敦煌莫高窟窟顶戈壁上搭建封闭塑料拱棚,经235 d的膜面凝结水分的持续抽取和土壤水分监测表明:在潜水埋深200 m以下的极干旱区,有2.1 g.m-2.d-1的水分向上运转与输出;在长期的水分输出后,土壤湿度不但没有下降,反而上升,明显高于初始湿度和对照;棚内外土壤空气相对湿度、绝对湿度和温度的监测发现,存在水分向上连续运转的条件和机制,可排除水分来自外部土壤和大气侧入的可能。由此判定,在埋深较深的极干旱地区存在潜水蒸发,潜水是土壤水分的重要来源,并通过土壤的"呼吸"与大气保持着交流。土壤盐分对土壤水分的运转和时空异质分布有重要影响。极干旱气候、地热和上层土壤的温度变化是引起GSPAC水分运转和潜水蒸发的根本原因。     

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。     

用D、18O同位素确定黑河中游戈壁地区植物水分来源

 于2008年7月在黑河中游临泽县平川镇戈壁地区采集降雨、地下水、土壤和植物茎干样品并进行水分的D、18O同位素测试,分析戈壁地区不同深度土壤水分的来源,确定泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）、红砂（Reaumuria soongorica）等荒漠植物的吸水层位及其对降雨和地下水的依赖程度。研究发现：①土壤剖面0~130 cm深度范围内的土壤水主要接受降雨的补给;130 cm以下,可能接受潜水蒸发补给,或者是前期较大降雨入渗与潜水蒸发补给的叠加;②土壤水的δD、δ18O值与深度呈指数关系;降雨入渗补给会打乱剖面的稳态,土壤水的δD、δ18O同位素组成是现存土壤水和降雨的混合;③泡泡刺和红砂都是利用深度大于185 cm的土壤水,泡泡刺吸水层位比红砂更深,表明荒漠植物的生长主要依赖更为稳定的潜水水源。     

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。     

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。     

陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料,对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究,并通过计算水汽通量与蒸散量,探讨了土壤-地表-大气间水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响,各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点,最高值出现在地下10 cm附近;在无降水的情况下,土壤5~20 cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化,这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性,而水汽通量的方向则受温度梯度的影响;在白天,地表温度高于气温与较深层地温,水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部,夜晚地表温度则低于较深层地温,水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚,且主要发生在地表40 cm以内的土壤孔隙中,而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层0~5 cm,5 cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。     

稳定性同位素在干旱区生态水文过程中的应用特征及机理研究

本文重点阐述了稳定性同位素18O和D在生态-水文过程研究中的研究进展,主要包括植物水分来源与比例、土壤水分动态变化与植物根系吸水、干旱区水分转化与补给等方面的研究成果。并针对我国干旱区生态水文过程研究中的具体问题,指出在今后应加强利用稳定性同位素技术在荒漠植被不同水分来源识别、植物水-地下潜水-土壤水-大气降水的转化过程、干旱区降水对不同尺度范围土壤水分和地下潜水的转化补给、具有水力提升和逆水力提升功能植物识别等方面研究中的应用。     

应用δD和δ~(18)O确定敦煌莫高窟洞窟蒸发水分来源

选择敦煌莫高窟72窟为实验洞窟,用人工冷凝收集洞窟蒸发水分,并定期监测δD和δ~(18)O值。同时监测莫高窟降水、潜水、大泉河水等背景环境水分的δD和δ~(18)O值,应用水同位素示踪原理揭示洞窟蒸发水分来源。2 a的洞窟蒸发水分、莫高窟降水、潜水、大泉河水、围岩水分的同位素δD和δ~(18)O监测表明,洞窟蒸发水来自地下潜水。用在线降水同位素计算的当地降水年值、加权平均值、野马山降水年值表明党河水来自野马山降水,它是莫高窟地下潜水/大泉河水的合理来源,存在清晰的来源通道。在潜水向上运移过程中,围岩选择了δ值相对偏正的水分;围岩温湿度对蒸发水分的δD和δ~(18)O值有显著影响。     

古尔班通古特沙漠表层土壤凝结水水汽来源特征分析

水分条件是决定干旱沙漠区生态环境的关键因素,凝结水是干旱区植物和低等生物的重要水分来源。利用自制蒸渗计在春、夏、秋3个季节对古尔班通古特沙漠苔藓、地衣、藻类及流沙4种地表类型表层原状土壤凝结水形成进行了观测研究。结果表明,在2 cm、5 cm、10 cm、20 cm 4种高度原状土中,用纱网封底土壤表层2 cm和5 cm土壤的凝结水测定结果能够真实的代表古尔班通古特沙漠不同类型地表土壤凝结水形成特征;凝结水主要集中产生在土壤表层2 cm范围内;凝结水的水汽来源于空气和土壤且以空气来源为主,春季由于表层土壤含水率较高,来自于土壤的水汽所占的比重较高,地衣0~2 cm表层凝结水来源于土壤水汽补充的比例春季为35.5%,夏季和秋季分别降到15.5%和11.3%;秋季55 d的观测结果表明,凝结水形成总量随流沙、藻类、地衣和苔藓依次增加,分别为3.46 mm、4.07 mm、4.89 mm和5.15 mm,说明在干旱的沙漠地带,凝结水是除降水以外补充表层土壤水分最重要的水分来源。     

黄土丘陵风沙区柽柳(Tamarix chinensis)林土壤水储量动态

对甘肃景泰不同种植密度的10年龄人工柽柳(Tamarix chinensis)林地,监测根周及行间土壤水分含量,并对监测资料进行量化分析。结果表明:(1)在垂直剖面上,根周土壤水分含量层次可分为蒸发层0~40cm、活跃层40~180cm和相对稳定层180~200cm;行间土壤水分含量层次可分为蒸发层0~40cm、活跃层40~120cm、相对稳定层120~200cm。(2)林地土壤水分主要靠天然降水补充,土壤水分储量年际变化随种植密度由高到低呈亏空-富余-亏空的变化趋势;综合考虑行距-土壤水分储量回归方程及冠积-行距回归方程,得出景泰地区合理种植密度为1 923株·hm-2。结果可为干旱区生态恢复和退耕还林提供科学依据。     

Ecological water demand of natural vegetation in the lower Tarim River

We have appraised the relationships between soil moisture, groundwater depth, and plant species diversity in the lower reaches of the Tarim River in western China, by analyzing field data from 25 monitoring wells across eight study sites and 25 permanent vegetation survey plots. It is noted that groundwater depth, soil moisture and plant species diversity are closely related. It has been proven that the critical phreatic water depth is five meters in the lower reaches of the Tarim River. We acquired the mean phreatic evaporation of different groundwater levels every month by averaging the two results of phreatic evaporation using the Qunk and Averyanov formulas. Based on different vegetation types and acreage with different groundwater depth, the total ecological water demand (EWD) of natural vegetation in 2005 was 2.4×108 m3 in the lower reaches of the Tarim River. Analyzing the monthly EWD, we found that the EWD in the growth season (from April to September) is 81% of the year’s total EWD. The EWD in May, June and July was 47% of the year’s total EWD, which indicates the best time for dispensing artificial water. This research aims at realizing the sustainable development of water resources and provides a scientific basis for water resource management and sound collocation of the Tarim River Basin.     

Efficiency of rainwater harvesting of microcatchments and the role of their design

Microcatchment is a technique for collecting, storing and conserving local surface runoff in order to grow trees/shrubs. In this system, runoff water is generated on a plot and stored in the soil during runoff events, and trees/shrubs may utilize this water during the next dry season.Microcatchments have relatively small runoff generation areas (from dozens to hundreds sq. m) and are cheap and simple to implement Their collection area is usually a small depression located nearby the runoff generating area in which one or a few trees/shrubs may be planted Due to the short overland flow path runoff generation is efficient and even short low intensity storms may generate runoff. The drawback is however that due to the small size of the generating area small volumes of water are conveyed to the storage plots. Another drawback is susceptibility of the augmented water to evaporation. The main objective of present research presented hereafter was to estimate the effect the depth of the depression has on the efficiency of the water conservation in the soil profile. In the present study the storage plots were circular pits and the effect their depth had on evaporative losses and water distribution were studied.The results clearly show that the depth of the pit significantly affects evaporative water losses. The losses were separately computed for the soil cylinder whose upper surface is the bottom of the pit and for the surrounding shell. No differences between treatments were evident for losses from the inner cylinder. Significant differences in water losses were however observed for the surrounding shell where the shallow pits losing as much as six times more than the deeper pits.     

Soil sodium and potassium adsorption ratio along a Mediterranean–arid transect

Changes in the relationship between soil soluble ions and rainfall were studied on hillslopes at seven research sites that represent four climatic regions: Mediterranean, semi-arid, mildly arid and arid. At each site, soil samples were taken in several seasons and the ratio between the Na⁺ plus K⁺ content and the Ca²⁺ plus Mg²⁺ content (sodium and potassium adsorption RATIO=SPAR) was determined. In general, SPAR increased with increasing aridity except for the most arid site in which the soil contains a gypsic layer. The relationship between SPAR and rainfall was non-linear. An abiotic threshold, characterized by a sharp change in the SPAR, was found around the 200 mm isohyet: sites that receive less than 200 mm annual rainfall showed significantly higher SPAR than those that receive more than 200 mm, where SPAR was very low.     

模拟增温和改变降雨频率对干旱半干旱区土壤呼吸的影响

温度和降水是干旱半干旱区土壤呼吸的重要扰动因子,全球气候变化导致的未来干旱半干旱区增温和降水变率增大对土壤呼吸有着重要影响.研究通过人工设置P16×2.5mm、P8×5mm、P4×10mm、P2×20mm、P1×40mm的降雨频率梯度和增温2℃左右的控制试验,探讨不同降雨频率和增温处理对干旱半干旱区土壤呼吸的影响,以及...     

卫宁平原包气带水分运移特征研究

降雨、灌溉入渗和潜水蒸发在卫宁平原地下水循环中有重要的作用。为了准确评价卫宁平原地下水垂向入渗补给量和蒸发量,通过设立中卫、中宁两个包气带原位试验点,观测期为2013年6月~2013年11月和2014年4月~2014年10月,获取了两个试验点不同埋深处的土壤水负压、温度、岩性及水分运移参数,并采用定位通量法计算试验点的地表蒸散发、入渗量和潜水面蒸发、入渗量。结果显示：在包气带岩性相同、灌溉期相同（7~10月）、总灌溉量相近条件下,作物的灌溉模式决定了灌溉对潜水的补给强度：玉米少次大量（150 mm·次^-1）灌溉对潜水的补给量为373.65 mm,远远大于茄子多次小量（50 mm·次^-1）的灌溉模式下的152.3 mm;而在包气带岩性相同、种植作物相同、灌溉模式不变的前提下,同时期潜水面净补给强度相近：中宁试验点2013年7~10月份潜水面净通量为32.88 mm,2014年同期为57.42 mm。在降雨情况或灌溉量较小（50 mm）的情况下,植被的生长会阻碍水分在包气带中的下渗;在灌溉量较大（100 mm和150 mm）的情况下,植被的生长会促进包气带水分的下渗。     

古尔班通古特沙漠风沙土土壤蒸发特征

土壤表面蒸发是降水的无效损失,其大小直接决定着降水转化为有效土壤水的效率,从而间接决定了植物可利用水分的多寡。在降水稀少的沙漠区,定量认识土壤蒸发的大小和其所占降水的比例显得尤为重要。在2004年全生长期(5~9月)应用自制的微型蒸渗仪(Micro-Lysime-ter)测定了风沙土(有结皮覆盖的丘间低地和裸露沙丘顶部)和对照的荒漠盐碱土的土壤蒸发。结果表明:在相似的气象条件下,风沙土区的丘间低地和荒漠盐碱土的日平均蒸发量分别约是裸露沙丘(风沙土区)的2倍和3倍。整个生长期裸露沙丘的累积蒸发量为18.7mm,丘间低地为38.8mm,荒漠盐碱土为52.1mm。根据整个观测期的累积蒸发量和累积降雨量计算得出的蒸发降雨比分别为:裸露沙丘0.20,丘间低地0.42,荒漠盐碱土0.62,表明裸露沙丘由降水转化为土壤水而储存的比率最高。同时,从数据分析中可以看出:在风沙土区0~5cm土层的含水量对土壤蒸发起决定作用,而盐碱土区的土壤蒸发则受到更深层次土壤水分的影响。裸露沙丘低的土壤蒸发、高的降水转化效率,为植被恢复奠定了良好的基础。因此,裸露沙丘的低蒸发量可以视为植被状况对生态水文过程的一种良性反馈。