閆 婷，黃海廣，閆德仁，松 曉

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)沙地(沙漠)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3. 呼和浩特市林業(yè)和草原保護(hù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

地下水是指在地表以下能夠流動的重力水，并能夠通過土壤毛管作用補(bǔ)充上層土壤水分，為植物所利用。通常情況，地下水位在某一范圍內(nèi)起伏波動變化，即不會持續(xù)地明顯上升或下降。因此，在有關(guān)因素的影響下，地下水埋深變化隨時間變化的特點(diǎn)是收支不平衡的結(jié)果，并具有周期性的特點(diǎn)。所以，地下水位變化一直是固沙林是否導(dǎo)致環(huán)境生態(tài)問題變化的熱點(diǎn)。而大氣降水是沙丘土壤水補(bǔ)給的主要來源，并通過入滲作用進(jìn)一步影響地下水位的變化。魯晨曦等[1]利用模型法研究了人工造林對地下水位變化的影響，認(rèn)為人工林蒸散量要普遍高于當(dāng)?shù)刈匀恢脖?，而大?guī)模的人工造林活動會降低地下水位。劉瑞國等[2]研究表明地下水位變化與月降雨量具有相似的變化趨勢，而且降水對地下水的補(bǔ)給大約滯后2個月左右時間。于海等[3]分析了榆樹市近8 a地下水位變化特征，表明地下水位的變化具有不同程度滯后性，且降水入滲是地下水的補(bǔ)給主要源。馮偉等[4]認(rèn)為固沙植被0～30 cm土層水分受降雨影響大，并對大于20 mm降雨產(chǎn)生響應(yīng)，而大于60 mm降雨能夠影響到200 cm深度土壤水分并向深層滲漏。

趙瑩等[5]分析渾善達(dá)克沙地范圍地下水位下降原因，認(rèn)為地下水位變化滯后于降水量變化，并與降水量呈正相關(guān)關(guān)系。王明明等[6]研究表明不同固沙植被蓋度下土壤水分對降雨的響應(yīng)不同，在 13% 蓋度下響應(yīng)最敏感，而在 28% 和 46% 蓋度下響應(yīng)微弱。綜上所述，本研究采用高精度水位自動監(jiān)測儀器，對多倫生態(tài)站沙地土壤地下水位動態(tài)變化進(jìn)行了2 a的定位觀測研究，希望為深入了解風(fēng)沙土地下水位變化對降雨事件的響應(yīng)提供參考，并為固沙植被建設(shè)成效評價提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古多倫渾善達(dá)克沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，地理坐標(biāo)為42°08′37.85″N，116°29′33.28″E，海拔1 277 m。該研究區(qū)年均氣溫 1.6 ℃，≥10 ℃有效積溫1 970 ℃，無霜期95 d。年日照時數(shù)3 142.7 h，年平均降水量 386.2 mm，年平均相對濕度 62%，年平均蒸發(fā)量 1 761.0 mm。年平均風(fēng)速 3.6 m·s-1，年大風(fēng)日數(shù) 69.8 d，最大風(fēng)速24 m·s-1。除夏季出現(xiàn)偏東偏南風(fēng)外，其他季節(jié)盛行西北風(fēng)或西風(fēng)。

研究區(qū)土壤為風(fēng)沙土，天然植被建群和優(yōu)勢植物主要有羊草(Leymuschinensis)、大針茅(Stipagrandis)、克氏針茅(S.capillata)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冰草(Agropyroncristatum)、百里香(Thymusmongolicus)等。主要樹種有白榆(Ulmuspumila)、楊柴(Hedysarummongolicum)、黃柳(Salixgordejevii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和小紅柳(Salixmicrostachyavar.bordensis)等。

2 研究方法

在研究區(qū)平坦沙地上安置TYD-ZS2型自動氣象站，并設(shè)置20 m × 20 m圍欄保護(hù)，數(shù)據(jù)采集器型號為CR-1000型，TR525M型雨量傳感器測量精度 0.1 mm。同時，在自動氣象站外500 m平坦固定沙地的觀測井(水泥管井深20 m)內(nèi)安置HOBO-U20-001-04型地下水位自動記錄儀，測定地下水位變化。水位量程0～4 m，水位精度 0.3 cm，水位計放置深度在觀測井內(nèi)距離水面 1.5 m處。該自計式水位計采用壓力式測量原理測定地下水深度變化，每小時自動記錄1次數(shù)據(jù)。

觀測井樣地植被為近自然白榆疏林，草本植物天然建群種有羊草、糙隱子草、冰草等，無農(nóng)業(yè)和工業(yè)取水利用。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水位年變化特征

地下水位埋深變化是長期的過程，而降雨時，滲入到土壤中的水分既要克服蒸發(fā)消耗又要克服干燥表土層的吸附截留，而后才能下滲到植物根系層，有效地補(bǔ)充該層土壤水分。閆德仁等[7]研究表明降雨對沙地土壤40 cm土層水分動態(tài)響應(yīng)敏感，同時對120 cm以下深度土層水分狀況的補(bǔ)給能力有限。從圖1可以看出，2017年8月—2019年12月間，地下水位呈現(xiàn)出波浪式變化特征，特別是在植物生長季，地下水位埋深處于持續(xù)下降過程。盡管月降雨增加，但植物生長的蒸騰失水對地下水位消耗明顯，屬于地下水消耗期，或者說本期降雨無法補(bǔ)充地下水消耗。這種變化特征和楊根生等[8]的研究結(jié)論基本一致，“低水位期多出現(xiàn)在夏季，是農(nóng)牧業(yè)用水的旺季”，“在植物生長季節(jié)，地下水位一般會因蒸發(fā)、蒸騰而下降，如頭道湖至8月份降至最低點(diǎn)，變幅在 0.6～1.2 m”。

圖1 地下水位埋深年變化特征的差異Fig.1 Difference of annual variation characteristics of groundwater depth

而2018—2019年地下水位月變化特征表現(xiàn)不同，其原因應(yīng)該與月降雨差異有密切關(guān)系。其中，2018年，地下水位埋深有2個峰值期，分別在2—3月和7—9月，地下水位值分別從 2.92 m下降到 2.99～3.01 m (平均 3.00 m)和從 3.02 m下降到 3.11～3.13 m (平均 3.12 m)。其他各月基本上屬于地下水位上升恢復(fù)期。而7—9月間降雨分布為 76.5 mm、185.5 mm和 88.7 mm，但地下水位降低了近10 cm，同時，10—11月間地下水位上升到 3.03～2.97 m(平均 3.00 m)，平均上升了11 cm，反映出10—11月間地下水位變化和降雨之間的滯后現(xiàn)象。同樣，2019年，地下水位埋深有2個峰值期，分別是6—8月和11—12月。地下水位分別從 2.88 m下降到 2.96～3.03 m (平均 2.99 m)和從 2.93 m降低到 3.06～3.12 m (平均 3.09 m)。其他各月基本是緩慢恢復(fù)過程。而2019年5—7月降雨分別為 103.1 mm、52.8 mm和 107.4 mm，8月降雨僅為 74.8 mm。由此判斷，2019年9—10月間地下水位回升(平均 2.91 m)和降雨之間也存在著滯后現(xiàn)象。

3.2 地下水位旬變化特征

為進(jìn)一步分析地下水位埋深的變化特征，在年動態(tài)分析基礎(chǔ)上，分別探討了研究區(qū)2018—2019年地下水位旬變化特點(diǎn)。從圖2可以看出，2018年地下水位平均埋深為 3.00 m，而2018年2月中旬—3月中旬間地下水位平均為 3.02 m，6月中旬—10月下旬間地下水位平均為 3.09 m，其他月地下水位則小于 3.00 m，其中，3月下旬—6月上旬地下水位平均回升到 2.92 m，11月上旬—12月下旬地下水位平均回升到 2.96 m。

圖2 2018年地下水位埋深旬變化Fig.2 Ten-day variation of groundwater depth in 2018

同樣，從圖3中可以看出，2019年地下水位旬變化特點(diǎn)和2018年的變化特點(diǎn)存在一些差異。2019年，研究區(qū)地下水位平均為 2.95 m，而6月下旬—7月下旬平均為 3.02 m，10月下旬—12月下旬平均為 3.08 m，其他月地下水位則小于 3.00 m，其中，1月上旬—6月中旬地下水位平均回升到 2.89 m，8月上旬—10月中旬地下水位平均回升到 2.92 m。

圖3 2019年地下水位埋深旬變化Fig.3 Ten-day variation of groundwater depth in 2019

綜上所述，盡管2018—2019年間地下水位旬變化特征存在差異，但是，總的趨勢基本相似，即每年春季屬于地下水位回升恢復(fù)期，而秋冬季地下水位或降低或回升，其原因可能與秋季降雨差異有關(guān)。例如，2018年8月累計降雨 185.55 mm，9月為 88.65 mm，10月為 3.05 mm，11月為 3.43 mm，4個月合計為 280.68 mm；而2019年8月累計降雨 74.80 mm，9月為 49.33 mm，10月為 23.02 mm，11月為 10.54 mm，4個月合計為 157.69 mm。如果按照地下水位2個月補(bǔ)給滯后期考慮，2018年秋冬季地下水位則處于回升恢復(fù)期，而2019年秋冬季地下水位則表現(xiàn)為地下水位消耗下降期。進(jìn)一步說明降雨對沙地地下水位的補(bǔ)給具有滯后效應(yīng)，而這種滯后效應(yīng)大小與累計降雨量大小有關(guān)。

3.3 典型降雨事件對地下水位埋深變化的影響

根據(jù)2019年度降雨特征，選擇降雨前1日、降雨日和降雨后1日 3個時間段，分析了不同降雨事件對日平均地下水位埋深變化的影響。結(jié)果表明， 40.91 mm及以上降雨對補(bǔ)充日地下水位具有積極作用(表1)。

從表1看出，一次降雨 17.02 mm時對地下水位沒有影響，且地下水位持續(xù)下降，而當(dāng)降雨為 35.69 mm時，前期降雨使地下水位埋深僅增加1 cm，且降雨后期或降雨結(jié)束后地下水位持續(xù)下降到 2.99 m或 3.06 m。當(dāng)3日內(nèi)一次降雨過程累計降雨量達(dá) 40.91 mm時(第1日降雨僅為 5.72 mm，第2日降雨達(dá) 30.74 mm)，地下水位埋深從 3.03 m增加到 2.94 m，凈增加9 cm，而后又持續(xù)下降到 3.04 m或 3.02 m，凈降低8～10 cm或8～11 cm?？梢姡瑥倪B續(xù)2日降雨累計 35.69 mm增加到連續(xù)3日降雨累計 40.91 mm時，累計降雨對地下水位變化有影響，但降雨過程對地下水位變化的補(bǔ)給作用是有限的。而當(dāng)連續(xù)3日降雨累計達(dá) 56.64 mm時，地下水位埋深則從降雨前1日的 2.88 m上升到持續(xù)降雨日的 2.82 m、2.77 m和 2.80 m，但降雨結(jié)束后第1日內(nèi)，地下水位埋深又回到 2.87 m。說明， 56.64 mm這樣大的降雨事件，能夠很好地補(bǔ)充地下水，而小于40 mm的降雨事件則很難通過入滲作用補(bǔ)充地下水。而本研究區(qū)降雨特征恰恰是40 mm以下的降雨事件占絕對優(yōu)勢，明顯缺少50 mm及其以上的降雨事件?；蛘哒f，本研究區(qū)降雨入滲作用對補(bǔ)充地下水的能力有限，但不排除通過降雨徑流匯集成地表河流對地下水的補(bǔ)充作用。

此外，從地下水位動態(tài)研究結(jié)論看，研究者普遍認(rèn)為降雨對地下水位變化的影響具有滯后現(xiàn)象。特別是趙瑩等[5]分析了渾善達(dá)克沙地范圍地下水位下降原因，認(rèn)為在不考慮開采情況下，年度各月水位的變化緊隨降水的變化，降水量大，水位則高，反之則低，并進(jìn)一步指出，年降水量出現(xiàn)豐枯變化時，地下水位也隨之產(chǎn)生變化，因此，地下水位與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，但地下水位的變化滯后于降水量的變化。同時降水對地下水的補(bǔ)給具有滯后的同步性，時間 2個月左右。盡管如此，趙瑩等[5]并沒有給出降雨量和地下水位變化之間的具體數(shù)量化數(shù)據(jù)，也沒有分析植物生長季和地下水位變化的關(guān)系。而本研究表明，2018—2019年地下水位的變化趨勢基本一致，即植物生長季或雨季，雖然降雨量相對增加，但地下水位屬于消耗期，其降低幅度小于10 cm。而后地下水位有所回升，導(dǎo)致2018—2019年間地下水位平均維持在 2.95～3.00 m之間，也就是說，在本研究區(qū)2018—2019年間地下水位并沒有明顯變化。

4 結(jié)論

沙地地下水位變化和降雨量變化具有相關(guān)性，且在植物生長季地下水位屬于消耗期，降低幅度小于10 cm，其他時間基本屬于地下水位回升恢復(fù)期。

降雨對地下水位變化有影響，但與連續(xù)累計降雨量大小有關(guān)，且地下水位變化對大于40 mm累計降雨有響應(yīng)，當(dāng)累計降雨量達(dá) 56.64 mm時，地下水位埋深明顯回升，表明大于50 mm的降雨事件能夠很好地補(bǔ)充地下水，而小降雨事件則很難通過入滲作用補(bǔ)充地下水。