柴成武，徐先英，王方琳，郭樹江，唐衛(wèi)東，王多澤

(甘肅省治沙研究所/甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 武威　733000)

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沙區(qū)微域土壤水分再分布研究

柴成武，徐先英，王方琳，郭樹江，唐衛(wèi)東，王多澤

(甘肅省治沙研究所/甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 武威733000)

摘要：根據(jù)水量平衡方程式建立沙區(qū)微小區(qū)域蒸發(fā)估算模型，利用該模型對(duì)沙區(qū)微域徑流區(qū)積水區(qū)、過渡區(qū)、產(chǎn)流區(qū)土壤水分入滲與蒸發(fā)進(jìn)行估算，分析降水的微域積水效應(yīng)，探討利用沙區(qū)微域積水效應(yīng)進(jìn)行植被恢復(fù)的可行。結(jié)果表明：微域徑流區(qū)積水區(qū)表現(xiàn)出明顯的積水效應(yīng)，降水入滲使土壤水分變化較大的深度表現(xiàn)為積水區(qū)(100 cm)>過渡區(qū)(80 cm)>產(chǎn)流區(qū)(60 cm)；對(duì)應(yīng)的水分增量為積水區(qū)(15.84%)>產(chǎn)流區(qū)(12.64)>過渡區(qū)(10.61%)；蒸發(fā)量表現(xiàn)為積水區(qū)(44.8%)>過渡區(qū)(35.9%)>產(chǎn)流區(qū)(25.8%)，水分增量、蒸發(fā)量及總存水量相關(guān)，沙區(qū)微域積水區(qū)具有良好的積水存水效應(yīng)，對(duì)植被恢復(fù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：沙區(qū)；蒸發(fā)估算模型；微域徑流區(qū)；土壤水分

蒸散發(fā)是SPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)動(dòng)重要而復(fù)雜的過程，其強(qiáng)度與土壤狀況、植被狀況、大氣環(huán)境密切相關(guān)。研究陸地表面蒸散發(fā)過程意義在于，蒸散發(fā)一方面關(guān)聯(lián)著地-氣系統(tǒng)的物質(zhì)能量交換，影響著對(duì)全球變化的預(yù)測(cè)，另一方面區(qū)域蒸散發(fā)的顯著變化又反映著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改變[1]。自1802年Dalton提出著名的Dalton蒸發(fā)定律以來，對(duì)于蒸發(fā)量的研究已有200多年的歷史，在蒸發(fā)的理論、測(cè)定、計(jì)算等問題方面，取得了大量成果，特別是用于區(qū)域范圍內(nèi)的蒸散遙感遙測(cè)法得到極大發(fā)展[2]。目前，蒸散發(fā)的確定有實(shí)際測(cè)量與模擬計(jì)算2種方法[3]，實(shí)際測(cè)定方法有水量平衡測(cè)定法[4]、蒸滲儀法[5-6]、梯度法(擴(kuò)散法)、渦度相關(guān)法(EC法)[7]、包文比能量平衡法(BREB法)、示蹤法、蒸騰室法、氣孔計(jì)法、植株液流法等[3]。雖然方法眾多，但實(shí)際測(cè)定中對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量多以稱量法為主[8-9]，難以應(yīng)用到野外實(shí)地測(cè)量，從而形成一些基于一定參數(shù)測(cè)量的模擬計(jì)算方法[10-13]。這些模擬計(jì)算法在參數(shù)的處理方面各有千秋，形成不同的應(yīng)用范圍，但筆者在應(yīng)用于民勤沙區(qū)荒漠綠洲過渡帶水分監(jiān)測(cè)時(shí)沒有找到更具操作性的模擬計(jì)算方法，而是應(yīng)用水量平衡原理推導(dǎo)出新的應(yīng)用于沙區(qū)的定點(diǎn)土壤水分監(jiān)測(cè)蒸發(fā)估算模型。已有水量平衡法主要通過測(cè)定一定深度內(nèi)土壤貯水量的變化，利用降水量資料，根據(jù)水分收支平衡推算某時(shí)段內(nèi)農(nóng)田總的實(shí)際蒸散量[3]，是一種范圍性的估算模型，試驗(yàn)介紹的模型卻是一種基于單點(diǎn)測(cè)定的估算模型。沙區(qū)微域徑流作為地表徑流的一種形式，具有地表徑流形成的一切特征，但又存在差別。微域徑流是在微地貌下產(chǎn)生的，這就決定了相對(duì)于小流域概念，其集水面積、徑流量、徑流長等都很小，對(duì)于土壤水分的補(bǔ)給和生態(tài)效益是有限的，但在干旱區(qū)尤其是在沙漠中卻十分重要。沙區(qū)微域積水區(qū)、過渡區(qū)、產(chǎn)流區(qū)的水分分布差異研究可為沙區(qū)區(qū)域化植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

石羊河下游的民勤綠洲地處河西走廊東段，是我國荒漠化危害嚴(yán)重的區(qū)域之一，東北與騰格里沙漠接壤，西北為巴丹吉林沙漠。地處溫帶干旱荒漠氣候區(qū)，多年均溫7.8℃；平均年降水量113.2 mm而蒸發(fā)量高達(dá)2 644 mm，為全國最干旱地區(qū)之一。土壤類型以風(fēng)沙土、灰棕漠土、草甸土、草甸沼澤土為主，耕作土壤是灰棕漠土、草甸土等土類經(jīng)過長期灌溉淋溶、耕作施肥等人為作用下形成的特殊土類—綠洲灌漠土。目前由于地表水資源的不合理利用和地下水資源的無序開采，已造成平均地下水位埋深下降到目前的19.8 m，地下水對(duì)地表植被的影響極度減弱，植被生態(tài)水文格局發(fā)生很大變化，由主要利用地下水演變?yōu)橥耆锰烊唤邓S持生長的狀況[14-15]。

1.2研究方法

1.2.1觀測(cè)方法采用中子儀定時(shí)觀測(cè)土壤重量含水率。選擇甘肅省民勤治沙綜合試驗(yàn)站15號(hào)觀測(cè)井附近的典型微域，產(chǎn)流區(qū)相對(duì)于積水區(qū)底部高度1.6 m，外周長28.1 m，內(nèi)周長16.8 m，坡度約28°，面積40.725 m2；積水區(qū)長2.9 m，寬2.3 m，面積約21 m2。在積水區(qū)(相對(duì)經(jīng)常積水)、積水區(qū)與產(chǎn)流區(qū)的過渡區(qū)(相對(duì)少量積水)、產(chǎn)流區(qū)(基本不積水)分別設(shè)置中子管，為4、5、6號(hào)管，設(shè)置深度200 cm，每20 cm進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)生產(chǎn)生徑流的降雨時(shí)，連續(xù)每天觀測(cè)。

1.2.2微域蒸發(fā)估算模型的建立水量平衡法是計(jì)算土壤蒸發(fā)最基本的方法，地下水位相當(dāng)?shù)蜁r(shí)可忽略地下水引起的水分向上運(yùn)移，在地表水分入滲過程中，總能找到一個(gè)水分變化接近于恒定的地層，而且一般處于土壤深層，此時(shí)地溫也比較恒定，假定此層不蒸發(fā)不入滲，則在不考慮側(cè)滲、外部水分輸入如凝結(jié)等情況下，此層以上水分的變化量為地表水分蒸發(fā)。如圖1所示，選擇地表蒸發(fā)層A層(水分變化強(qiáng)烈)和植被水分利用最為密切的中間變化層B層(水分緩慢變化)及其下邊界層C層(水分基本恒定，近似為沒有變化)為研究對(duì)象，t0時(shí)刻A層含水量為At0，至t1時(shí)刻時(shí)At0的去向有三：蒸發(fā)、入滲、存留部分At1，同時(shí)有B層蒸發(fā)梯度力引起的進(jìn)入A層的水分為輸入量記為Bto蒸發(fā)；對(duì)于B層而言， Bt0的去向有三：蒸發(fā)梯度力引起的向上的水分流失記為Bto蒸發(fā)、重力引起的入滲記為Bto入滲、存留部分Bt1；C層同理，分別記為Ct0蒸發(fā)、Ct0入滲、Ct1。由水量平衡則可得出如下關(guān)系式(模型圖1)：

At0+ Bt0蒸發(fā)= At0蒸發(fā)+ At0入滲+ At1

(1)

Bt0+ Ct0蒸發(fā)+ At0入滲=Bt0蒸發(fā)+ Bt0入滲+ Bt1

(2)

Ct0+Bt0入滲=Ct0蒸發(fā)+Ct0入滲+Ct1

(3)

當(dāng)C層不蒸發(fā)不入滲時(shí)：Ct0蒸發(fā)=0；Ct0入滲=0； Ct1=Ct0；則Bt0入滲=0

(4)

由式(1)、(2)、(3)、(4)可得：

At0蒸發(fā)= At0- At1+ Bt0- Bt1

(5)

圖1　土壤蒸發(fā)估算模型圖Fig.1　Soil moisture evaporation estimation model

2結(jié)果與分析

2006年8月11日當(dāng)日單次特大降水46.9 mm，其后降水12日為3 mm，13日為0.4 mm， 17日為13.5 mm，18日為0.3 mm,19日為3.5 mm。當(dāng)降水進(jìn)入土壤后，土壤水分的再分布表現(xiàn)為土壤水分入滲與蒸發(fā)。

2.1積水區(qū)土壤水分再分布

2.1.1積水區(qū)土壤水分入滲表層0～100 cm土壤含水率在降水后兩日即8月13日(由于儀器原因12日缺測(cè))都大幅提高(圖2)，提高最大為20～40 cm處為20.82%，其次為表層0～20 cm和40～80 cm處，都在15%之上，80～100 cm提高10.98%，明顯降低。地表0～20 cm層直接與大氣接觸，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤含水率提高后便迅速降低，40～100 cm處明顯受到降水入滲時(shí)間滯后效應(yīng)影響，但總體都有較大幅度的提高。100 cm以下土壤含水率提高更慢，已經(jīng)不足1%，但隨著時(shí)間延長至19日，100～120 cm層土壤含水率一直在提高，已經(jīng)屬于水分再分布的長期效應(yīng)。

2.1.2積水區(qū)土壤蒸發(fā)選擇水分變化相對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)中的160～200 cm層作為控制層應(yīng)用水量平衡原理來說明土壤水分的蒸發(fā)與入滲。當(dāng)該層水分含量

圖2　積水區(qū)4號(hào)管土壤含水率Fig.2　Soil moisture change of in the casual water zone (pipe 4)

處于不變狀態(tài)時(shí)認(rèn)為上部入滲十分微弱，100～160 cm標(biāo)記為B層；對(duì)于其上部的0～100 cm，標(biāo)記為A層；對(duì)于其下的160～200 cm標(biāo)記為C層。降水后當(dāng)?shù)乇?～20 cm水分達(dá)到最大時(shí)，記為t0時(shí)刻，對(duì)于其后的某一時(shí)刻記為t1時(shí)刻，則從t0至t1時(shí)刻土壤表面蒸發(fā)率可以用(5)式計(jì)算出。觀察到8月13日之前A層土壤含水率大幅升高，B層處于恒定狀態(tài)，之后A層下降而B層上升。11日至13日之間降雨引起的水分變化量為8月13日A層含水量與8月11日降雨前含水率之差，即15.84%。應(yīng)用式(5)可計(jì)算出8月13、15、16、17、18、19日的土壤蒸發(fā)率分別為2.55%、1.92%、0.62%、0.473、1.02%、0.11%、3.43%，合計(jì)蒸發(fā)7.09%，占總流失水分的44.8%。

2.2過渡區(qū)土壤水分再分布

2.2.1過渡區(qū)土壤水分入滲表層0～100 cm土壤含水率在降水后1日即8月12日都增加至最大，提高最大的是20～40 cm表層，為17.1%；其次，表層40～60 cm處和60～80 cm處，分別為16.97%和11.34%；表層 0～20 cm處直接與大氣接觸，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤含水率提高后便迅速降低，只提高5.78%；80～100 cm處明顯受到降水入滲時(shí)間滯后效應(yīng)影響，但總體也有一定幅度的提高。100 cm以下土壤含水率提高更慢，已經(jīng)不足1%，但隨著試驗(yàn)時(shí)間延長至19日，100～120 cm層土壤含水率一直在提高，此層屬于水分再分布的長期效應(yīng)；120 cm～200 cm屬于水分變化穩(wěn)定不變區(qū)間(圖3)。

圖3　過渡區(qū)5號(hào)管土壤含水率Fig.3　Soil moisture change ofin the transition area (pipe 5)

2.2.2過渡區(qū)土壤蒸發(fā)水分變化相對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)中的120～200 cm層作為控制層即C層，80～120 cm標(biāo)記為B層；對(duì)于其上部的0～80 cm，標(biāo)記為A層。降水后當(dāng)?shù)乇?～20 cm水分達(dá)到最大時(shí)，記為t0時(shí)刻即8月12日，對(duì)于其后的某一時(shí)刻記為t1時(shí)刻。則11～12日降水引起的水分變化量為10.61%。應(yīng)用式(5)可計(jì)算出11日以后各日的土壤蒸發(fā)率，合計(jì)蒸發(fā)4.59%，占總流失水分的35.9%。

2.3產(chǎn)流區(qū)土壤水分再分布

2.3.1產(chǎn)流區(qū)土壤水分入滲表層0～80 cm土壤含水率在降水后一日即8月12日都增加至最大(圖4)，提高最大者20～40 cm處為15.02%，其次為表層40～60 cm處為14.24%；表層 0～20 cm處直接與大氣接觸，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤含水率提高后便迅速降低，只提高8.65%；60～100 cm處受到降水入滲時(shí)間滯后效應(yīng)影響， 60～80 cm、80～100 cm分別以2.51%和2.03%的幅度提高，此層屬于水分再分布的長期效應(yīng)區(qū)。100 cm以下土壤含水率提高都不足1%，屬于水分變化穩(wěn)定不變區(qū)間。2.3.2產(chǎn)流區(qū)土壤蒸發(fā)水分變化相對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)中的100～200 cm層作為控制層即C層，60～100 cm標(biāo)記為B層；對(duì)于其上部的0～60 cm，標(biāo)記為A層。降雨后當(dāng)?shù)乇?～20 cm水分達(dá)到最大時(shí)，記為t0時(shí)刻即8月12日，對(duì)于其后的某一時(shí)刻記為t1時(shí)刻。則11日至12日之間降雨引起的水分變化量為12.64%。應(yīng)用式(3)可計(jì)算出11日以后各日的土壤蒸發(fā)率，合計(jì)蒸發(fā)3.26%，占總流失水分的25.8%。

圖4　產(chǎn)流區(qū)6號(hào)管土壤含水率Fig.4　Soil moisture change of in runoff area (pipe 6)

3討論

(1)沙區(qū)微域蒸發(fā)估算模型應(yīng)用具備條件：1)土壤不同深度的定點(diǎn)土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；2)能找到一個(gè)土壤溫度和水分變化比較恒定的地層，并且土壤水分監(jiān)測(cè)到該位置。

(2)微域徑流區(qū)積水區(qū)水分監(jiān)測(cè)表現(xiàn)出明顯的積水效應(yīng)，對(duì)植被恢復(fù)具有重要意義，降水入滲使土壤水分變化較大的深度表現(xiàn)為積水區(qū)(100 cm)>過渡區(qū)(80 cm)>產(chǎn)流區(qū)(60 cm)；對(duì)應(yīng)的水分增量為積水區(qū)(15.84%)>產(chǎn)流區(qū)(12.64)>過渡區(qū)(10.61%)；土壤蒸發(fā)表現(xiàn)為積水區(qū)(44.8%)>過渡區(qū)(35.9%)>產(chǎn)流區(qū)(25.8%)，水分增量與蒸發(fā)量與總存水量相關(guān)。

(3)土壤水分在入滲蒸發(fā)后，存水量并非一定表現(xiàn)出“積水區(qū)>產(chǎn)流區(qū)>過渡區(qū)”，由于蒸發(fā)影響，還與植被蓋度等因素有關(guān)。

參考文獻(xiàn):

[1]徐富安，趙炳梓，唐萬龍．豫北地區(qū)水分生態(tài)環(huán)境要素演變及其意義[J]．土壤學(xué)報(bào)，2003，40(1)：29-36．

[2]宋文獻(xiàn)，江善虎，楊春生，等．基于SEBS模型的老哈河流域蒸散發(fā)研究[J]．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2012，23(5)：115-118．

[3]胡繼超，張佳寶，馮杰．蒸散的測(cè)定和模擬計(jì)算研究進(jìn)展[J]．土壤，2004，36(5)：492-497．

[4]李子忠，鄭恕梅，龔元石，等．時(shí)域反射儀對(duì)水分非均勻分布土壤含水率的測(cè)定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(11)：19-23．

[5]劉昌明，張喜英，由懋正．大型蒸滲儀與小型棵間蒸發(fā)器結(jié)合測(cè)定冬小麥蒸散的研究[J]．水利學(xué)報(bào)，1998，29(10)：35-39．

[6]孫景生，康紹忠，王景雷，等．溝灌夏玉米棵間土壤蒸發(fā)規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(11)：20-24．

[7]李思恩，康紹忠，朱治林，等．應(yīng)用渦度相關(guān)技術(shù)監(jiān)測(cè)地表蒸發(fā)蒸騰量的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，41(9)：2720-2726．

[8]孫宏勇，劉昌明，張喜英，等．不同長度micro-lysimeters對(duì)測(cè)定土壤蒸發(fā)的影響[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31(4)：167-170．

[9]李王成，王為，馮紹元，等．不同類型微型蒸發(fā)器測(cè)定土壤蒸發(fā)的田間試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(10)：6-13．

[10]王海玲，劉延璽，鄭明．科爾沁沙地甸子地土壤蒸發(fā)的野外試驗(yàn)研究[J]．人民黃河，2011，33(7)：103-105．

[11]Xiao X,Hortoa R,Sauer T J,etal.Cumulative soil water evaporation as a function of depth and time[J].Vadose Zone Journal,2011(10):1016-1022.

[12]Villegas J C,Breshears D D,Zou C B,etal.Ecohydrological controls of soil evaporation in deciduous dry lands:How the hierarchical effects of Litter,patch and vegetation mosaic cover interact with phenology and season [J].Journal of Arid Environments,2010(74):595-602.

[13]王會(huì)肖．砂土土壤蒸發(fā)的測(cè)定與模擬[J]．中國農(nóng)業(yè)氣象，1997，18(4)：29-35．

[14]王方琳,張錦春,紀(jì)永福,等.不同結(jié)皮破壞對(duì)退化梭梭林地土壤水分及梭梭生長的影響[J].草原與草坪,2011,31(4):56-59,63.

[15]王方琳,徐先英,柴成武,等.綠洲邊緣固定沙丘水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化[J].草原與草坪,2013,33(4):71-74.

A Study on the soil moisture redistribution in micro-scale watershed in sandy area

CHAI Cheng-wu,XU Xian-ying,WANG Fang-lin,GUO Shu-jiang,TANG Wei-dong,WANG Duo-ze

(GansuDesertControlResearchInstitute,NationalFieldObservationandResearchStationofDesertGrasslandEcosysteminMinqin,Wuwei733000,China)

Abstract：In order to explore the feasibility for recovering the vegetation by using the water kept in micro-scale watershed in sandy area,the evaporation model for micro-scale watershed was established with water balance equation to estimate the soil moisture infiltration and evaporation in casual water zone,transition zone and runoff zone.The result showed that the soil moisture was significantly increased in casual water zone,and the variation order of soil moisture in different depths caused by rainfall infiltration was 100cm in rainfall precipitation zone>80 cm in transition zone>60 cm in runoff area.Soil moisture was increased by 15.84% in the casual water zone,12.64% in the runoff area and 10.61% in the transition area respectively.Soil evaporation order was 44.8% in the casual water zone>35.9% in the transition area>25.8% in the runoff area.The water storage in micro-scale watershed was promising for vegetation restoration.

Key words：sandy area;evaporation estimation model;micro-scale watershed;soil moisture

中圖分類號(hào)：S 152.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-5500(2016)02-0066-05

作者簡(jiǎn)介：柴成武(1980-)，男，甘肅會(huì)寧人，助理研究員，碩士，從事荒漠化防治與土壤水文生態(tài)研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(31100519、41161006)，甘肅省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目(1107RJZA099)資助

收稿日期：2015-10-29； 修回日期：2015-12-21

E-mail：chaichw@163.com