毛乌素沙地流动沙丘土壤水分模拟及渗漏特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00147

摘要/Abstract

摘要：

干旱半干旱区土壤水分的主要补给来自于降水，降水决定土壤水分时空格局变化，对不同深度土壤水分的补给起到了关键作用。通过优化参数后的Hydrus-1D模型，分析出毛乌素沙地流动沙丘10、30、50、70、90、110 cm土层水分渗漏量变化特征及其对不同降雨格局的响应。结果表明：5—9月，流动沙丘不同深度土层渗漏量随着深度的增加存在一定差异，5—8月渗漏量随着土层深度的增加呈递减趋势，9月呈增加趋势。渗漏量与降水量变化一致，最大渗漏量发生在8月，110 cm处渗漏量为148.51 mm，占该月降水量的67.5%；最大渗漏速率与最大渗漏量发生在降雨量大的降水事件，降水量和土壤初始含水量共同决定了渗漏速率及渗漏时长。14.8 mm降水可渗漏到110 cm深度土层，达到最大渗漏速率的累计渗漏量为1.89 mm，占降水量的13.69%。连续降水事件有利于水分的深层渗漏补给，并且缩短了各土层渗漏速率到达峰值的时间。

关键词: 毛乌素沙地, 流动沙丘, 降水入渗, 渗漏, Hydrus-1D

Abstract:

The main supply of soil water comes from precipitation， which determines the changes of soil water patterns spatially and temporally in arid and semi-arid areas. Precipitation also plays a key role in the supply of soil water at different soil depths in sandy areas. In this study， the hydro 1D model with optimized parameters was used to analyze the variation characteristics of soil water leakage at different depths of 10， 30， 50， 70， 90 and 110 cm in the mobile dunes of Mu Us Sandy Land and its response to different rainfall patterns. The results showed that the amount of soil water leakage was different at different soil depths in mobile dunes from May to September. The amount of water leakage decreased along the increase of the soil depth from May to August. The amount of water leakage increased along the increase of the soil depth in September. The changes of water leakage was consistent with precipitation. The maximum water leakage occurred in August， that the amount of soil water leakage was 148.51 mm at the depth of 110 cm， accounting for 67.5% of the monthly precipitation. The maximum leakage rate and the maximum leakage amount accompanied with large rainfall events. The amount of rainfall and the initial soil water content jointly determined the soil water leakage rate and duration. The soil water will infiltrate to 110 cm when the rainfall reached to 14.8 mm， and the cumulative leakage reaching the maximum leakage rate is 1.89 mm， accounting for 13.69% of the precipitation. Continuous precipitation events are conducive to recharge the deep water， and they shorten the time when the leakage rate reaches the peak in each soil layer Our results from the estimation of soil water leakage in sandy soils could provide theoretical basis in the assessment of water resources and water demand for ecological construction in arid and semi-arid regions.

Key words: Mu Us Sandy Land, mobile dunes, rainfall infiltration, leakage, Hydrus-1D model

中图分类号:

S157

洪光宇, 王晓江, 苏庆溥, 海龙, 王少昆, 高孝威, 徐艳艳, 周景山, 李卓凡, 李梓豪, 胡尔查. 毛乌素沙地流动沙丘土壤水分模拟及渗漏特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 288-298.

Guangyu Hong, Xiaojiang Wang, Qingpu Su, Long Hai, Shaokun Wang, Xiaowei Gao, Yanyan Xu, Jingshan Zhou, Zhuofan Li, Zihao Li, Ercha Hu. Simulation of soil moisture and leakage characteristics of mobile dunes in Mu Us Sandy Land[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(2): 288-298.

图/表 9

参考文献 35

1	Ren Z P， Li Z B， Liu X L，et al.Comparing watershed afforestation and natural revegetation impacts on soil moisture in the semiarid Loess Plateau of China［J］.Scientific Reports，2018，8（1）：2972.
2	Baird A J， Wilby R L.生态水文学［M］.赵文智，王根绪，译.北京：海洋出版社，2002.
3	李新荣，马凤云，龙立群，等.沙坡头地区固沙植被土壤水分动态研究［J］.中国沙漠，2001，21（3）：218-222.
4	洪光宇，王晓江，王少昆，等.沙地土壤水分时空动态研究进展［J］.水土保持研究，2021，28（3）：390-398.
5	Descroix L， Laurent J P， Vauclin M，et al.Experimental evidence of deep infiltration under sandy flats and gullies in the Sahel［J］.Journal of Hydrology，2012，424-425：1-15.
6	巩炜，胡广录，付鹏程，等.干旱区沙漠-绿洲过渡带固沙植物的土壤水分入渗特征［J］.中国沙漠，2020，40（5）：200-208.
7	洪光宇，王晓江，刘果厚，等.毛乌素沙地杨柴灌木林土壤水分对不同降雨格局的响应［J］.水土保持通报，2021，41（2）：76-83，121.
8	王博，段玉玺，王伟峰，等.油蒿灌丛群落浅层土壤水分对不同降雨格局的响应［J］.应用生态学报，2020，31（5）：1571-1578.
9	刘新平，张铜会，赵哈林，等.流动沙丘降雨入渗和再分配过程［J］.水利学报，2006，37（2）：166-171.
10	王宇祥，刘廷玺，段利民，等.基于Hydrus-1D模型的科尔沁沙地沙丘-草甸相间区土壤水分动态模拟［J］.中国沙漠，2020，40（2）：195-205.
11	王宇祥，刘廷玺，段利民，等.半干旱地区半流动沙丘水分深层渗漏量及其对降雨格局的响应［J］.应用生态学报，2020，31（8）：2710-2720.
12	李卫，冯伟，杨文斌，等.流动沙丘水分深层入渗量与降雨的关系［J］.水科学进展，2015，26（6）：779-786.
13	Simunek J， Genuchten M， Sejna M.The HYDRUS 1D software package for simulating the one-dimensional movement of water，heat，and multiple solutes in variably saturated media［M］.Riverside，CA，USA：Univeristy of California，2013.
14	Genuchten V， Th M.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892-898.
15	高震国，钟瑞林，杨帅，等.Hydrus模型在中国的最新研究与应用进展［J］.土壤，2022，54（2）：219-231.
16	李冰冰，王云强，李志.HYDRUS-1D模型模拟渭北旱塬深剖面土壤水分的适用性［J］.应用生态学报，2019，30（2）：398-404.
17	刘昊，周宏飞，刘翔.强降雨条件下沙丘土壤水分运移特征分析［J］.水土保持学报，2015，29（2）：157-162，182.
18	李晶，何志斌，王建兵，等.荒漠绿洲农田土壤水热动态及硝态氮淋溶特征［J］.中国沙漠，2022，42（5）：245-257.
19	王博，段玉玺，王伟峰，等.人工固沙区植被演替过程中土壤水分时空分异特征［J］.干旱区研究，2020，37（4）：881-889.
20	段良霞，黄明斌.干旱-半干旱地区深层渗漏研究方法综述［J］.中国水土保持科学，2016，14（2）：155-162.
21	曹静，阿拉木萨，张圆浩.科尔沁沙地沙丘水分深层渗漏量和侧向运移量［J］.中国沙漠，2019，39（3）：41-47.
22	Lai X， Liao K， Feng H，et al.Responses of soil water percolation to dynamic interactions among rainfall， antecedent moisture and season in a forest site［J］.Journal of Hydrology，2016，540：565-573.
23	孙程鹏，赵文智.土地利用对河西走廊荒漠绿洲区土壤入渗的影响［J］.中国沙漠，2021，41（6）：148-156.
24	王建新，王恩志，王思敬.降雨自由入渗阶段试验研究及其过程的水势描述［J］.清华大学学报（自然科学版），2010，50（12）：1920-1924.
25	岳艳鹏，成龙，孙迎涛，等.毛乌素沙地生物结皮覆盖区土壤水分收支变化特征［J］.应用生态学报，2022，33（7）：1861-1870.
26	王少昆，赵学勇，左小安，等.科尔沁沙地小叶锦鸡儿灌丛下土壤水分对降雨响应的空间变异性［J］.干旱区研究，2008，25（3）：5.
27	Gamboa C， Godfrey L， Urrutia J，et al.Conditions of groundwater recharge in the hyperarid southern Atacama Desert［J］.Global and Planetary Change，2022，217（10）：103931.
28	Liu X P， He Y H， Sun S S，et al.Restoration of sand-stabilizing vegetation reduces deep percolation of precipitation in semi-arid sandy lands， northern China［J］.Catena，2022，208（1）：105728.
29	石明明，王晓敏，陈奇，等.高寒草地干湿生态系统土壤水分及入渗对降水的响应［J］.草业学报，2021，30（12）：49-58.
30	Yao S X， Zhang T H， Zhao C C，et al.Saturated hydraulic conductivity of soils in the Horqin Sand Land of Inner Mongolia， northern China［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2013，185（7）：6013-6021.
31	贺超，刘廷玺，段利民，等.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.
32	王新平，康尔泗，李新荣，等.荒漠地区土壤初始状况对水平入渗的影响［J］.地球科学进展，2003，18（4）：592-596.
33	Briz-Kishore B H.Quantitative estimation of groundwater potentiality and rainfall infiltration in a typical crystalline environment［J］.Proceedings of the Indian Academy of Sciences，1983，92：63-71.
34	陈林，宋乃平，杨新国，等.荒漠草原不同土地利用类型土壤水分对降水的响应［J］.水土保持学报，2022，36（2）：153-160.
35	吴丽丽，刘丹一，杨文，等.降雨量、土壤蓄水量对流动沙地土壤水分深层渗漏的影响［J］.中国沙漠，2020，40（3）：210-218.

土层深度 /cm	粒径/%			土壤容重 /(g?cm^-3)	土壤水力学参数
土层深度 /cm	砂粒0.05~ 2.00 mm	粉粒0.002~ 0.05 mm	黏粒 <0.002 mm	土壤容重 /(g?cm^-3)	θ_r	θ_s	α	n	K_s	l
0~10	97.24	1.74	0.91	1.56	0.042	0.368	0.031	3.998	42.056	0.5
10~30	97.90	0.94	0.76	1.52	0.021	0.380	0.031	4.162	48.761	0.5
30~50	97.22	2.06	0.68	1.49	0.030	0.364	0.032	4.003	41.299	0.5
50~70	97.47	1.40	0.87	1.48	0.037	0.391	0.032	4.070	48.470	0.5
70~90	97.30	1.82	0.90	1.46	0.016	0.384	0.032	4.053	45.481	0.5
90~110	96.15	2.51	1.05	1.46	0.009	0.383	0.032	3.806	39.664	0.5

土层深度 /cm	粒径/%			土壤容重 /(g?cm^-3)	土壤水力学参数
土层深度 /cm	砂粒0.05~ 2.00 mm	粉粒0.002~ 0.05 mm	黏粒 <0.002 mm	土壤容重 /(g?cm^-3)	θ_r	θ_s	α	n	K_s	l
0~10	97.24	1.74	0.91	1.56	0.042	0.368	0.031	3.998	42.056	0.5
10~30	97.90	0.94	0.76	1.52	0.021	0.380	0.031	4.162	48.761	0.5
30~50	97.22	2.06	0.68	1.49	0.030	0.364	0.032	4.003	41.299	0.5
50~70	97.47	1.40	0.87	1.48	0.037	0.391	0.032	4.070	48.470	0.5
70~90	97.30	1.82	0.90	1.46	0.016	0.384	0.032	4.053	45.481	0.5
90~110	96.15	2.51	1.05	1.46	0.009	0.383	0.032	3.806	39.664	0.5

土层深度/cm	r	P
10	0.65	<0.01
30	0.71	<0.01
50	0.83	<0.01
70	0.79	<0.01
90	0.74	<0.01
110	0.51	<0.01

土层深度/cm	r	P
10	0.65	<0.01
30	0.71	<0.01
50	0.83	<0.01
70	0.79	<0.01
90	0.74	<0.01
110	0.51	<0.01

土层厚度/cm	线性回归方程	R²	RMSE/（cm³·cm^-3）	MRE	IA
10	Y=0.6523x+0.0191	0.426	0.0122	0.1966	0.605
30	Y=0.3914x+0.0144	0.5046	0.0054	0.2886	0.623
50	Y=1.0643x+0.0022	0.6800	0.0087	0.1096	0.708
70	Y=1.2529x-0.0087	0.6200	0.0014	0.1002	0.695
90	Y=0.572x+0.0122	0.5442	0.0063	0.1514	0.677
110	Y=0.2197x+0.0236	0.2576	0.0048	0.2658	0.330