科尔沁沙地沙丘植被对丘间低地水体的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00057

摘要/Abstract

摘要：

在流动沙丘以建立固沙植被的方式向固定沙丘转化的过程中，植被将改变沙丘水分再分配过程，影响沙丘的水文调节功能，甚至可能引起沙丘生态系统水资源失衡。为探明植被对沙丘水文调解功能的影响，以科尔沁沙地不同植被盖度的沙丘-丘间地水体组合体为研究对象，于2021年生长季开展了沙丘植被盖度、丘间低地水体变化特征、气象因素的动态观测，以期明确沙丘植被变化对丘间低地水体的影响。结果表明：（1）沙丘植被盖度影响沙丘水分对外补给能力，随着沙丘表面固沙植被盖度增加，单位面积沙丘对外水分补给能力降低，表现为流动沙丘（58.25 mm）>半固定沙丘（24.75 mm）>固定沙丘（14.87 mm），占同期降水量的比例分别为21.39%、9.09%、5.46%。（2）生长季流域降水补给量、植被盖度、气温显著影响沙丘对丘间低地水体的水分补给量，丘间低地水体获补量与流域降水补给量显著正相关，与植被盖度、气温极显著负相关。（3）依据水量平衡原理推导出沙丘水分对外补给量（Y）与影响因素（降水补给量X₁，植被盖度X₂，平均气温X₃）的关系模型，Y=1052.737+0.1X₁-11.459X₂-37.585X₃，R²=0.641。可根据模型预测沙丘水分对外补给量，为流动沙丘生物治理模式的合理选择提供支持。

关键词: 沙地, 水分运移, 植被盖度, 降水补给, 水量平衡

Abstract:

In the process of shifting dune to fixed dune by constructing sand-fixing vegetation， vegetation changed the water redistribution process of dune， affected the hydrological regulation function of dune， and may even cause the imbalance of water resources in dune ecosystem. In order to explore the influence of vegetation on the hydrological mediation function of dunes， this experiment took dunes with different vegetation coverage and dune interdune water bodies in Horqin Sandy Land as the research objects. In the growing season of 2021， dynamic observations of dune vegetation coverage， characteristics of interdune lowland water and meteorological factors were carried out to clarify the impact of dune vegetation on the interdune lowland water. The results showed that：（1） Dune vegetation coverage affected the external water recharge capacity of dunes. With the increased of sand vegetation coverage， the external water recharge capacity of dunes per unit area decreased， in the order of mobile dune （58.25 mm） > semi-fixed dune （24.75 mm） > fixed dune （14.87 mm）， and the proportions of precipitation in the same period were 21.39%， 9.09% and 5.46%， respectively. （2） In the growing season， precipitation recharge， vegetation coverage and air temperature significantly affected the water replenishment amount of dune to the interdune lowland water body， which was significantly positively correlated with precipitation recharge， and significantly negatively correlated with dune coverage and air temperature. （3） Based on the principle of water balance， the relationship model between external water replenishment amount of dune and influencing factors is deduced， and the expression is as follows： Y=1052.737+0.1X₁-11.459X₂-37.585X₃， R²=0.641， where Y is the external water replenishment amount of dune， X₁ is the precipitation replenishment amount of the catchment， X₂ is vegetation coverage， X₃ is the average temperature. The model can be used to predict the external water supply of dune， which can provide a basis for the choice of mode for control mobile dune.

Key words: sandy land, water transport, vegetation coverage, precipitation recharge, water balance

中图分类号:

TV211.1

印家旺, 阿拉木萨, 苏宇航. 科尔沁沙地沙丘植被对丘间低地水体的影响[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 194-203.

Jiawang Yin, Ala Musa, Yuhang Su. Effects of dune vegetation on water dynamics in interdune lowland in the Horqin Sandy Land[J]. Journal of Desert Research, 2022, 42(6): 194-203.

图/表 12

表1 样地基本情况

Table 1 Basic information of the experimental sites

项目	样地编号
项目	T1	T2	T3	L1	L2	Y1	Y2	Y3
沙丘类型	固定	固定	固定	半固定	半固定	流动	流动	流动
区域面积/m²	210 173	67 056	64 768	59 947	23 101	131 949	44 675	264 480
沙丘面积/m²	187 072	47 378	60 851	49 751	17 109	91 780	17 629	199 536
水体面积/m²	5 803	1 037	1 858	3 626	1 359	11 160	3 000	16 156
植被盖度/%	42	31	33	19	27	2	4	3

图1 研究区地理位置固定沙丘样地：T1、T2、T3；半固定沙丘样地： L1、L2；流动沙丘样地： Y1、Y2、Y3

Fig.1 Geographical location map of the study area

图2 生长季气象因素变化

Fig.2 Changes of meteorological factors in growing season

表2 水面蒸发量与气温、降水量相关性

Table 2 Correlation analysis of temperature， precipitation and water surface evaporation

	气温	降水量
相关系数	0.370^**	-0.352^**
样本数	64	64

图3 生长季水位波动-降水特征

Fig.3 Water level fluctuation and precipitation characteristics in growing season

图4 生长季水体面积变化

Fig.4 Variation of water area in growing season

图5 生长季植被盖度变化

Fig.5 Vegetation coverage changes during growing season

图6 沙丘水分对外补给量变化

Fig.6 Changes in external water supply of dune

表3 不同植被特征样地单位面积沙丘水分对外补给能力

Table 3 External water recharge capacity of dune per unit area in different vegetation characteristics

项目	样地类型
	固定沙丘				半固定沙丘			流动沙丘
	T1	T2	T3	均值	L1	L2	均值	Y1	Y2	Y3	均值
单位面积补给能力/mm	15.27	12.57	16.78	14.87	26.17	23.32	24.75	55.70	72.53	46.52	58.25
补给量占降水量/%	5.61	4.61	6.16	5.46	9.61	8.56	9.09	20.45	26.63	17.08	21.39

表4 生长季流域水分收支

Table 4 Water budget in the growing season

项目	样地类型
	固定沙丘			半固定沙丘		流动沙丘
	T1	T2	T3	L1	L1	Y1	Y2	Y3
流域降水补给量/m³	1 585.50	284.67	517.86	1 008.32	384.05	3 136.66	1 252.32	4 604.04
流域蒸散发量/m³	2 533.07	435.93	764.64	1 346.65	500.92	4 534.89	1 278.62	6 410.05
单位面积水分收支/mm	4.51	2.26	3.81	5.64	5.06	10.60	0.52	6.83

表5 沙丘水分对外补给量影响因素相关性分析

Table 5 Correlation analysis of influencing factors of dune water replenishment

	气温	植被盖度	流域降水补给量	流域蒸散发量
相关系数	-0.313^*	-0.326^**	0.724^**	-0.254^*
样本数	64	64	64	64

表6 沙丘水分对外补给量影响因素逐步回归模型（ R2=0.641）

Table 6 Stepwise regression model of influencing factors of dune water external replenishment

	未标准化系数	标准误	标准化系数	P值	膨胀因子
常量	1 052.737	275.355		0.000
流域降水补给量	0.100	0.012	0.661	0.000	1.031
植被盖度	-11.459	2.908	-0.302	0.000	1.029
气温	-37.585	11.049	-0.262	0.001	1.041

参考文献 32

1	赵文智，周宏，刘鹄.干旱区包气带土壤水分运移及其对地下水补给研究进展［J］.地球科学进展，2017，32（9）：908-918.
2	Stratford C J， Robins N S， Clarke D，et al.An ecohydrological review of dune slacks on the west coast of England and Wales［J］.Ecohydrology，2013，6（1）：162-171.
3	崔向慧.干旱半干旱沙区人工植被与土壤水分环境相互作用关系研究进展［J］.世界林业研究，2010，23（6）：50-54.
4	赵文智.科尔沁沙地人工植被对土壤水分异质性的影响［J］.土壤学报，2002（1）：107-113.
5	张定海，李新荣，陈永乐.腾格里沙漠人工植被区固沙灌木影响深层土壤水分的动态模拟研究［J］.生态学报，2016，36（11）：3273-3279.
6	Kizito F， Dragila M I， Senè M，et al.Hydraulic redistribution by two semi-arid shrub species：implications for Sahelian agro-ecosystems［J］.Journal of Arid Environments，2012，83（4）：69-77.
7	Kim S， Sun H， Jung S.Configuration of the relationship of soil moistures for vertical soil profiles on a steep hillslope using a vector time series model［J］.Journal of Hydrology，2011，399（3/4）：353-363.
8	刘新平，赵哈林，何玉惠，等.生长季流动沙地水量平衡研究［J］.中国沙漠，2009，29（4）：663-667.
9	王鸣远，杨素堂.沙地灌木林群落土壤水分平衡关系的研究［J］.水土保持学报，2004（6）：171-174.
10	黄刚，赵学勇，黄迎新，等.科尔沁沙地不同地形小叶锦鸡儿灌丛土壤水分动态［J］.应用生态学报，2009，20（3）：555-561.
11	冯伟.毛乌素沙地东北缘土壤水分动态及深层渗漏特征［D］.北京：中国林业科学研究院，2015.
12	包永志，段利民，刘廷玺，等.小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）群落蒸散发模拟［J］.中国沙漠，2019，39（4）：177-186.
13	包永志.科尔沁沙地不同地貌-土壤-植被组合单元蒸散发模拟及组分拆分研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2019.
14	张志山，王新平，李新荣，等.沙漠人工植被区土壤蒸发测定［J］.中国沙漠，2005，25（2）：101-106.
15	吴尧.科尔沁沙丘-草甸相间地区植被蒸发蒸腾量变化规律研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2014.
16	包永志，刘廷玺，段利民，等.基于Shuttleworth-Wallace模型的科尔沁沙地流动半流动沙丘蒸散发模拟［J］.应用生态学报，2019，30（3）：867-876.
17	Yang W， Tang J， Liang H，et al.Deep soil water infiltration and its dynamic variation in the shifting sandy land of typical deserts in China［J］.Science China Earth Sciences，2014，57（8）：1816-1824.
18	王新平，张志山，张景光，等.荒漠植被影响土壤水文过程研究述评［J］.中国沙漠，2005，25（2）：54-59.
19	原鹏飞，丁国栋，王炜炜，等.毛乌素沙地降雨入渗和蒸发特征［J］.中国水土保持科学，2008（4）：23-27.
20	Abu-Awwad A M.Water infiltration and redistribution within soils affected by a surface crust［J］.Journal of Arid Environments，1997，37（2）：231-242.
21	Crawford R M M.Eco-hydrology：plants and water in terrestrial and aquatic environments［J］.Journal of Ecology，2000，88（6）：1095-1096.
22	Andraski B J.Soil-water movement under natural-site and waste-site conditions：a multiple-year field study in the Mojave Desert，Nevada［J］.Water Resources Research，1997，33（8）：1901-1916.
23	冯起，程国栋.我国沙地水分分布状况及其意义［J］.土壤学报，1999（2）：225-236.
24	Gurnell A M， Hupp C R， Gregory S V.Linking hydrology and ecology［J］.Hydrological Processes，2000，14（16/17）：2813-2815.
25	李新荣，张志山，王新平，等.干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展［J］.中国沙漠，2009，29（5）：845-852.
26	冯伟，杨文斌，唐进年，等.中国沙漠（地）深层渗漏量及动态特征［J］.中国沙漠，2015，35（5）：1362-1370.
27	尹立河，王晓勇，黄金廷，等.干旱区植被盖度增加对降水入渗补给地下水的影响：试验研究与数值模拟［J］.地质通报，2015，34（11）：2066-2073.
28	Huang T， Pang Z， Yang S，et al.Impact of afforestation on atmospheric recharge to groundwater in a semiarid area［J］.Journal of Geophysical Research： Atmospheres，2020，125（9）：e2019JD032185.
29	李新荣，张志山，黄磊，等.我国沙区人工植被系统生态-水文过程和互馈机理研究评述［J］.科学通报，2013，58（）：397-410.
30	闫德仁.内蒙古沙漠化土地成因与防治［J］.内蒙古环境保护，2001（1）：35-38.
31	杨文斌，冯伟，李卫.低覆盖度治沙的原理与模式［J］.防护林科技，2016（4）：1-5.
32	阿拉木萨，裴铁璠，蒋德明.科尔沁沙地人工固沙林土壤水分与植被适宜度探讨［J］.水科学进展，2005（3）：426-431.

[1]	李向洁, 李志文, 杜丁丁, 孙丽, 侯楚, 李世乾, 张雯. 南昌厚田沙地蔓荆（ *Vitex trifolia* ）灌丛沙堆的沉积物与空间格局特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 211-220.
[2]	洪光宇, 王晓江, 刘铁山, 海龙, 吴振廷, 胡尔查, 高孝威, 杨海峰, 李卓凡, 李梓豪, 斯琴, 王乐军. 基于Hydrus-1D模型的毛乌素沙地杨柴（ *Hedysarum laeve* ）灌木林土壤含水量模拟[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 233-242.
[3]	张雯, 杜丁丁, 李志文, 吴汪洋, 李向洁, 白永会. 鄱阳湖沙地沉积物粒度特征及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 122-132.
[4]	闫蒙, 王旭洋, 周立业, 李玉强. 科尔沁沙地沙漠化过程中土壤有机碳含量变化特征及影响因素[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 221-231.
[5]	顾立霞, 吕萍, 马芳, 陈国祥, 梁准, 许明静, 杨迎. 不同数据源下毛乌素沙地风况及输沙势特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 54-62.
[6]	柳欣滢, 金明, 杨帆, 马亚鹏, 刘慧, 孙小云, 夏敦胜. 毛乌素沙地东缘中全新世以来环境变化及其对文明演化的影响初探[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 92-100.
[7]	冯净雪, 丁占良, 尤莉, 韩广. 科尔沁沙地西部横向沙丘间的风况和输沙势[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 110-119.
[8]	贺超, 刘廷玺, 段利民, 王冠丽, 郝丽娜. 科尔沁沙地差巴嘎蒿（ *Artemisia halodendron* ）水分利用特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 190-198.
[9]	任余艳, 郑玉峰, 张彦东, 王海兵, 王世强, 何金军. 毛乌素沙地库伦生态经济圈可持续性评价[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 264-272.
[10]	廉泓林, 韩雪莹, 刘雅莉, 韩雨晴, 杨文斌, 熊伟. 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[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 71-80.
[11]	乔碩, 王海兵, 左合君, 刘茜雅, 吴月茹. 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[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 118-126.
[12]	张亦然, 刘廷玺, 童新, 段利民, 贾天宇, 季亚新. 基于多源遥感和机器学习方法的科尔沁沙地植被覆盖度反演[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 187-195.
[13]	赵啸龙, 谢玉鸿, 马旭君, 王少昆. 科尔沁沙质草地不同恢复年限草本层群落结构及其与土壤理化性质的关系[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 134-141.
[14]	詹瑾, 韩丹, 杨红玲, 李玉霖. 科尔沁沙地植被恢复过程中群落组成及多样性演变特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 194-206.
[15]	刘轩, 赵珮杉, 高广磊, 赵媛媛, 丁国栋, 糜万林. 沙地樟子松（ **Pinus sylvestris var. mongolica** ）物候特征及其对气候的响应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 25-35.