巴丹吉林沙漠湖泊对浅层沙含水量的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00099

摘要/Abstract

摘要：

湖泊与高大沙山共存是巴丹吉林沙漠独特的自然景观，对其形成机制尚未形成共识。已有研究发现沙层含水量偏高的现象可能在高大沙山的形成中发挥了重要作用，但对其水分来源的研究尚不充分。本研究通过对沙漠腹地3个湖盆内气象要素和浅层沙含水量时空分布的对比，结合前人对水同位素和水分运移规律的研究，发现湖泊的存在大大增加了湖盆内空气相对湿度和浅层沙含水量的变化幅度，并影响了浅层沙含水量随高度的分布特征；相关分析表明，控制有湖湖盆浅层沙含水量变化的主导过程是气温升降引起的水分损失与补充，而干湖盆浅层沙水分补给主要来自风的平流输送。尽管沙丘分层含水量的长期定量观测仍有待开展，但现有证据表明巴丹吉林沙漠高大沙山沙层含水量偏高的现象很可能是湖泊蒸发的水汽以土壤吸附水汽或凝结水等形式逐渐运移至沙层内而形成，是湖泊-沙山体系长期共存、形成局地水汽平衡的结果。这为沙层水分来源研究提供了新的视角，也对沙漠腹地水资源开发利用有一定的参考意义。

关键词: 巴丹吉林沙漠, 湖泊, 沙山, 相对湿度, 土壤含水量

Abstract:

The coexistence of lakes and mega-dunes is a unique landscape of the Badain Jaran Sand Sea in China， and its formation mechanism has not been widely recognized. Some studies have found that the high content pore water may be important in the formation of mega-dunes， but more efforts are needed to research its recharge source. Based on the comparison of meteorological elements and the temporal and spatial distribution of shallow layer sand water content in three lake basins in the hinterland of the sand sea， combined with previous studies on water isotope and water movement， we found that the existence of lakes greatly increased the variation range of air relative humidity and shallow sand water content in the lake basin， and affected the distribution of water content with height. The correlation analysis shows that the main process controlling the change of water content of shallow sand layer is the water loss and replenishment caused by temperature fluctuation， while the water replenishment of shallow sand layer in the dry lake basin is mainly from advection water transport of wind. Although long-term quantitative observation of the water content of sand layers in different depth is still to be carried out， the existing evidence shows that the high soil water content of mega-dunes in the Badain Jaran Sand Sea is the result of local water vapor balance accompanied by the coexistence of lakes and mega-dunes. Water vapor from the lakes probably migrates into the sand layer gradually in the form of soil adsorption water or condensed water. This provides a new perspective for the research on the source of water in the sand layers， and also has a certain reference significance for the development and utilization of water resources in the hinterland of Badain Jaran Sand Sea.

Key words: Badain Jaran Sand Sea, lake, mega-dune, relative humidity, soil water content

中图分类号:

P344

牛震敏, 王乃昂, 温鹏辉, 苏贤保, 于昕冉, 张文佳. 巴丹吉林沙漠湖泊对浅层沙含水量的影响[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 142-152.

Zhenmin Niu, Naiang Wang, Penghui Wen, Xianbao Su, Xinran Yu, Wenjia Zhang. Interdune lakes affects the water content of shallow sand layer： a situ observation from the Badain Jaran Sand Sea， China[J]. Journal of Desert Research, 2022, 42(2): 142-152.

图/表 8

图1 研究区概况图

Fig.1 The sketch map of study area

图2 苏木巴润吉林、巴嘎吉林、乌兰敖格钦3个湖盆内风速、气温和空气相对湿度的对比和自动气象站记录的日平均相对湿度

Fig.2 Comparison of wind speed， temperature and relative air humidity in Sumubarunjilin， Bagajilin and Wulanaogeqin， and the daily average relative humidity from the automatic weather station

图3 苏木巴润吉林、巴嘎吉林和乌兰敖格钦湖盆内空气相对湿度随风速和气温的变化

Fig.3 The variation of relative humidity of the air wind speed and temperature in Sumubarunjilin， Bagajilin and Wulanaogeqin

表1 相对湿度与气温的拟合参数与检验统计量

Table 1 Fitting parameters and statistics of test for relative humidity and air temperature

项目	苏木巴润吉林	巴嘎吉林	乌兰敖格钦
参数a	3 073.39	160.19	49.77
参数b	-0.26	-0.12	-0.05
R²	0.50	0.52	0.50
P	<0.001	<0.001	<0.001

图4 浅层沙含水量随高度的变化。A、B、C分别为苏木巴润吉林、巴嘎吉林和乌兰敖格钦各深度的含水量； D为苏木巴润吉林、巴嘎吉林和乌兰敖格钦0—30 cm平均含水量随高度的变化；E、F、G分别为苏木巴润吉林、巴嘎吉林和乌兰敖格钦0—30 cm平均含水量随高度变化的距平值

Fig.4 Variation of water content with height in shallow sand layer. A， B， and C are the soil water content at each depth in Sumubarunjilin， Bagajilin， and Wulanaogeqin， respectively； D Variation of the average water content of 0-30 cm depths in Sumubarunjilin， Bagajilin， and Wulanaogeqin； E， F， and G are the variation of anomaly value of the average water content in 0-30 cm depths with height in Sumubarunjilin， Bagajilin and Wulanaogeqin， respectively

图5 沙层含水量随时间和深度的变化。A、B、C分别为苏木巴润吉林、巴嘎吉林和乌兰敖格钦30 cm内各层次的含水量，其中，“-2.5”代表0—5 cm深度，“-7.5”代表5—10 cm深度，以此类推；D为苏木巴润吉林、巴嘎吉林和乌兰敖格钦30 cm内平均含水量随时间的变化；E为苏木巴润吉林、巴嘎吉林和乌兰敖格钦30 cm内各层次的平均含水量随深度的变化；在D和E中，a为苏木巴润吉林，b为巴嘎吉林，c为乌兰敖格钦；F高大沙山背风坡0—4 m深度内6个剖面含水量随深度的变化及其均值（据文献［35］改绘）

Fig.5 Variation of soil water content over time and depth. A， B and C are the soil water content at different depths within 30 cm in Sumubarunjilin， Bagajilin and Wulanaogeqin， respectively， where "-2.5" represents 0-5 cm depths， "-7.5" represents 5-10 cm depths， and so on； D is variation of the average soil water content within 30 cm over time in Sumubarunjilin， Bagajilin and Wulanaogeqin； E is variation of the average soil water content with depth of each layer within 30 cm in Sumubarunjilin， Bagajilin and Wulanaogeqin； in D and E， “a” represents Sumubarunjilin， “b” represents Bagajilin and “c” represents Wulanaogeqin； F is the variation of soil water content with depth and the average value of 6 profiles within the leeward slope of mega-dunes from 0 to 4 m （revised from literature ［35］）

图6 不同深度浅层沙含水量与风速、气温和相对湿度的关系。其中，“-2.5”代表0—5 cm深度，“-7.5”代表5—10 cm深度，以此类推

Fig.6 The relationship between water content of shallow sand at different depths and wind speed， air temperature and relative humidity， where， "-2.5" represents 0-5 cm depths， "-7.5" represents 5-10 cm depths， and so on

图7 巴丹吉林沙漠湖泊群区域湖水、地下水、土壤水、大气水、凝结水氢氧同位素特征（据文献［33］改绘）

Fig.7 Isotope δD-δ18O composition of the Global Meteoric Water Line （GMWL）， local meteoric water line （rainfall and snow water）， evaporation line， rainfall， snow water， atmospheric water vapor， condensate water， groundwater， soil water， and lake water in the lake group area of Badain Jaran Sand Sea （Modified from literature ［33］）

参考文献 48

1	朱震达，吴正，刘恕，等.中国沙漠概论［M］.北京：科学出版社，1980：56-89.
2	Mckee E D.A Study of Global Sand Seas ［M］.Washington，USA：United States Government Printing Office，1979.
3	王乃昂，宁凯，李卓仑，等.巴丹吉林沙漠全新世的高湖面与泛湖期［J］.中国科学：地球科学，2016，46（8）：1106-1115.
4	楼桐茂.甘肃民勤至巴丹吉林庙间沙漠成因及其改造利用［M］//中国科学院治沙队.治沙研究（第三号）.北京：科学出版社，1962：90-95.
5	孙培善，孙德钦.内蒙古高原西部水文地质初步研究［M］//中国科学院治沙队.治沙研究（第六号）.北京：科学出版社，1964：245-317.
6	谭见安.内蒙古阿拉善荒漠的地方类型［M］//中国科学院地理研究所.地理集刊（第八号）.北京：科学出版社，1964.
7	王涛.巴丹吉林沙漠形成演变的若干问题［J］.中国沙漠，1990，10（1）：29-40.
8	杨小平.近3万年来巴丹吉林沙漠的景观发育与雨量变化［J］.科学通报，2000（4）：428-434.
9	Yang X， Liu T， Xiao H.Evolution of megadunes and lakes in the Badain Jaran Desert，Inner Mongolia，China during the last 31，000 years［J］.Quaternary International，2003，104：99-112.
10	Dong Z， Wang T， Wang X.Geomorphology of the megadunes in the Badain Jaran Desert ［J］.Geomorphology，2004，60：191-203.
11	Jakel D.The Badain Jaran Desert：its origin and development ［J］.Geowissenschaften，1996，14：272-274.
12	李孝泽，王振亭，陈发虎，等.巴丹吉林沙漠横向沙山沉积GPR雷达探测研究［J］.第四纪研究，2009（4）：145-153.
13	Chen J， Li L， Wang J，et al.Groundwater maintains dune landscape［J］.Nature，2004，432：459-460.
14	陈建生，赵霞，盛雪芬，等.巴丹吉林沙漠湖泊群与沙山形成机理研究［J］.科学通报，2006，51（23）：2789-2796.
15	任伟，金胜.应用音频大地电磁法探测内蒙古巴丹吉林高大沙山结构及成因［J］.现代地质，2011，25（6）：1167-1173.
16	闫满存，王光谦，李保生，等.巴丹吉林沙漠高大沙山的形成发育研究［J］.地理学报，2001，68（1）：223-235.
17	闫满存，王光谦，董光荣，等.巴丹吉林沙漠沙山发育与环境演变研究［J］.中国沙漠，2001，21（4）：361-366.
18	Dong Z， Qian G， Luo W，et al.Geomorphological hierarchies for complex mega-dunes and their implications for mega-dune evolution in the Badain Jaran Desert［J］.Geomorphology，2009，106：180-185.
19	Warren A.Dunes：Dynamics，Morphology，History［M］.West Sussex，UK：Wiley-Blackwell，2013.
20	Yang X， Scuderi L， Liu T，et al.Formation of the highest sand dunes on Earth［J］.Geomorphology，2011，135：108-16.
21	Liang X， Zhao L， Niu Z，et al.Warm island effect in the Badain Jaran Desert lake group region inferred from the accumulated temperature ［J］.Atmosphere，2020，153（11）：1265-1277.
22	Liang X， Zhao L， Xu X，et al.Plant phenological responses to the warm island effect in the lake group region of the Badain Jaran Desert，northwestern China ［J］.Ecological Informatics，2020，57：101066.
23	Zhang K， Cai D， Ao Y，et al.Local circulation maintains the coexistence of lake-dune pattern in the Badain Jaran Desert［J］.Scientific Reports，2017，7：40238.
24	朱金峰，王乃昂，陈红宝，等.基于遥感的巴丹吉林沙漠范围与面积分析［J］.地理科学进展，2010，29（9）：1087-1094.
25	张振瑜，王乃昂，马宁，等.近40 a巴丹吉林沙漠腹地湖泊面积变化及其影响因素［J］.中国沙漠，2012，32（6）：1743-1750.
26	马宁，王乃昂，朱金峰，等.巴丹吉林沙漠周边地区近50 a来气候变化特征［J］.中国沙漠，2011，31（6）：1541-1547.
27	Zhang X， Wang N A， Xie Z，et al.Water loss due to increasing planted vegetation over the Badain Jaran Desert，China［J］.Remote Sensing，2018，134：1-21.
28	胡文峰，王乃昂，赵力强，等.巴丹吉林沙漠典型湖泊湖气界面水-热交换特征［J］.地理科学进展，2015，34（8）：1061-1071.
29	Sun J， Hu W， Wang N A，et al.Eddy covariance measurements of water vapor and energy flux over a lake in the Badain Jaran Desert，China［J］.Journal of Arid Land，2018，10（4）：517-533.
30	张文佳，王乃昂，于昕冉，等.基于地下水动态和经验模型的巴丹吉林沙漠潜水蒸发量级：以苏木吉林湖区为例［J］.干旱区研究，2020，37（5）：1215-1222.
31	马宁，王乃昂，赵力强，等.巴丹吉林沙漠腹地降水事件后的沙山蒸发观测［J］.科学通报，2014，59（7）：615-622.
32	蒋进，王雪芹，雷加强.古尔班通古特沙漠工程防护体系内土壤水分变化规律［J］.水土保持学报，2003（3）：74-77.
33	Zhang J， Wang N A， Niu Z，et al.Stable isotope analysis of water sources for Tamarix laxa in the mega-dunes of the Badain Jaran Desert，China［J］.Journal of Arid Land，2018，10（6）：821-832.
34	陈世训，陈创买.气象学［M］.北京：农业出版社，1981：20-23.
35	赵景波，陈志青，马延东，等.巴丹吉林沙漠沙山区高含量薄膜水与水分平衡研究［J］.地理科学，2017，37（6）：960-966.
36	胡隐樵.沙漠、戈壁中的一种特殊气象现象：冷岛效应［J］.自然杂志，1989（10）：773-777.
37	Wu Y， Wang N A， Zhao L，et al.Hydrochemical characteristics and recharge sources of Lake Nuoertu in the Badain Jaran Desert［J］.Science Bulletin，2014，59（9）：886-895.
38	顾慰祖，陈建生，汪集旸，等.巴丹吉林高大沙山表层孔隙水现象的疑义［J］.水科学进展，2004，15（6）：695-699.
39	Subramaniam A R， Rao A V R K.Dew fall in sand dune areas of India［J］.International Journal of Biometeorology，1983，27（3）：271-280.
40	Zangvil A.Six years of dew observations in the Negev Desert，Israel［J］.Journal of Arid Environments，1996，32（4）：361-371.
41	Li X.Effects of gravel and sand mulches on dew deposition in the semiarid region of China［J］.Journal of Hydrology，2002，260：151-160.
42	Pan Y， Wang X， Zhang Y，et al.Dew formation characteristics at annual and daily scale in xerophyte shrub plantations at Southeast margin of Tengger Desert，Northern China［J］.Ecohydrology，2018：e1968.
43	张兴鲁.干旱地区沙丘水汽凝结及其意义［J］.水文地质工程地质，1986（6）：39-42.
44	Kaseke K F， Mills A J， Brown R，et al.A method for direct assessment of the "Non Rainfall" atmospheric water cycle：input and evaporation from the soil ［J］.Pure and Applied Geophysics，2012，169：847-857.
45	Rollins L R.Movement of soil moisture under a thermal gradient［J］.Highway Research Board Proceeding，1954，33：492-508.
46	Kosmas C， Danalatos N G， Poesen J，et al.The effect of water vapour adsorption on soil moisture content under Mediterranean climatic conditions ［J］.Agricultural Water Management，1998，36（2）：157-168.
47	Jacobs A F G， Heusinkveld B G， Berkowicz S M.Dew deposition and drying in a desert system：a simple simulation model［J］.Journal of Arid Environments，1999，42（3）：211-222.
48	黄兵兵，赵力强，程弘毅，等.巴丹吉林沙漠腹地地温变化特征［J］.中国沙漠，2017，37（3）：530-535.

[1]	赵文智, 白雪莲, 刘婵. 巴丹吉林沙漠南缘的植物固沙问题[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 5-11.
[2]	赵晖, 杨宏宇, 王兴繁, 汪克奇. 巴丹吉林沙漠典型沉积物年代学研究评述[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 57-65.
[3]	肖南, 董治宝, 刘铮瑶, 拓宇, 冯淼彦, 朱春鸣, 石寰宇. 等效沙厚度研究进展[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 1-6.
[4]	庄立超, 王乃昂, 张洵赫, 赵力强, 苏贤保. 巴丹吉林沙漠典型湖冰冻结-消融的空间模式差异[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 214-223.
[5]	李亚红, 卜崇峰, 郭琦, 韦应欣. 毛乌素沙地藓、藻结皮生态功能对比[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 138-144.
[6]	萨日娜, 董治宝, 南维鸽. 巴丹吉林沙漠高大沙山地貌的线条美[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 221-230.
[7]	马赟花, 冯图, 李仰征, 金青青. 沙棘（*Hippophae rhamnoides*）对经客土改良石漠化土壤的适应性[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 228-233.
[8]	董六文, 韩佳龙, 赵文智, 刘继亮, 巴义彬. 黑河流域湖泊湿地及毗邻沙丘地表节肢动物群落结构比较[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 250-258.
[9]	颜长珍, 李森, 逯军峰, 刘立超. 1975—2015年腾格里沙漠湖泊面积与数量[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 183-189.
[10]	赵春彦, 司建华, 冯起, 罗欢, 秦洁. 巴丹吉林沙漠牧户生计策略转型及其对生态环境的影响[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 34-42.
[11]	汪克奇, 赵晖, 王兴繁, 杨宏宇, 晁倩. 基于DEM数据的巴丹吉林沙漠沙丘分布规律及其形态参数[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 81-94.
[12]	张克海, 胡广录, 方桥, 张钰佳, 李浩然. 黑河中游荒漠绿洲过渡带固沙植被根区土壤含水量[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 33-42.
[13]	王理想, 蔡明玉, 白雪莲, 乔荣荣, 季树新, 常学礼. 乌兰布和沙漠东南缘湖泊群消涨与驱动因素[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 59-67.
[14]	李敏岚, 屈建军, 唐希明, 顿耀权, 陈晓莹, 吴婷, 宋乃平. 高密度聚乙烯(HDPE)蜂巢式沙障对土壤水分的影响[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 136-144.
[15]	徐丹蕾, 丁靖南, 伍永秋. 1989-2014年毛乌素沙地湖泊面积[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 40-47.