古尔班通古特沙漠南缘融雪水土壤入渗量_胡顺军

应用生态学报2015年4月第26卷第4期

ChineseJournalofAppliedEcology，Apr．2015，26（4）：1007－1015

古尔班通古特沙漠南缘融雪水土壤入渗量

胡顺军

3

1＊＊

*

陈永宝

1，2，3

朱海

1，2

（1中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐830011；湖北煤炭地质一二五队，湖北宜昌443000）

2

中国科学院大学，北京100049；

2013—2014年摘要融雪水土壤入渗量是干旱区沙漠重要的水平衡收入项．2012—2013、

两个冬季对古尔班通古特沙漠南缘沙丘西坡、东坡和丘间地降雪前和融雪后的土壤含水率进行监测，根据水量平衡原理计算了沙丘西坡、东坡、丘间地和景观尺度上的融雪水土壤入渗量，并与采用筒测法的实测结果进行比较．结果表明：降雪前土壤含水率较低，未冻层非饱和土壤水对地表冻结层土壤水分的补给可忽略不计；融雪入渗水是表层土壤获得补给的主要水源；冻结期潜水既没有蒸发，积雪融化后潜水也没有获得补给；研究区西坡、东坡、丘间地和景

27～43、32～45和26～45mm．观尺度上的融雪水土壤入渗量分别为20～43、

融雪水；入渗；水量平衡；筒测法

文章编号1001－9332（2015）04－1007－09中图分类号关键词

S152．7

文献标识码

A

SoilinfiltrationofsnowmeltwaterinthesouthernGurbantunggutDesert，Xinjiang，China．

2，32

HUShun-jun1，CHENYong-bao1，，ZHUHai1，（1StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcolo-gy，XinjiangInstituteofEcologyandGeography，ChineseAcademyofSciences，Urumqi830011，Chi-23

na；UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China；No．125team，HubeiBureauofCoalGeology，Yichang443000，Hubei，China）．-Chin．J．Appl．Ecol．，2015，26（4）：1007－1015．Abstract：Soilinfiltrationofsnow-meltwaterisanimportantincomeitemofwaterbalanceinariddesert．Thesoilwatercontentinwestslope，eastslopeandinterduneofsandduneinthesouthernGurbantunggutDesertwasmonitoredbeforesnowfallandaftersnowmeltingduringthewintersof2012－2013and2013－2014．Accordingtotheprincipleofwaterbalance，soilinfiltrationofsnow-meltinthewestslope，eastslope，interduneandlandscapescalewascalculated，andcomparedwiththeresultsmeasuredbycylindermethod．Theresultsshowedthatthesoilmoisturerechargefromunfrozenlayerofunsaturatedsoiltosurfacefrozensoilwasnegligiblebecausethesoilmoisturecontentbeforesnowfallwaslower，soilinfiltrationofsnow-meltwaterwasthemainsourceofsoil

waterofshallowsoil，phreaticwaterdidnotevaporateduringfreezingperiod，anddidnotgetre-chargeafterthesnowmelting．Snowmeltwaterinthewestslope，eastslope，interduneandland-scapescalewere20－43，27－43，32－45，26－45mm，respectively．Keywords：snowmeltwater；infiltration；waterbalance；cylindermethod．

DOI:10.13287/j.1001-9332.2015.0014

在干旱地区，水分条件对于植被格局演变尤为［1］

重要．土壤水分入渗指水分从土壤表面进入土壤内部形成土壤水的过程，是降水、地表水、土壤水和

［2］

地下水相互转化的一个重要环节．积雪融化后，融雪水渗入土壤，增加土壤水分含量，影响土壤蒸发量，改变非饱和带土壤水分的收支平衡，融雪水入渗土壤是重要的融雪水文过程之一

［3］

入渗是沙漠水分循环的重要组成部分．研究融雪水

土壤入渗量对进一步深入研究干旱区固沙植被-土壤系统水分传输与水分平衡具有重要意义．

国外学者对融雪水向冻土层入渗的影响因素、入渗过程中土壤水的测定方法及融雪水土壤入渗量

［4］

的测定与计算方法进行了大量研究．Janowicz等指出，影响融雪水向冻土层入渗的主要控制因素是冬季后期的雪水当量和入冬前土壤表层的含水量．Newman等［5］研究结果显示，根区土壤可形成大孔隙流，从而影响融雪水的入渗．Sthli等

［6］

．沙漠积雪融水

*国家重点基础研究发展计划项目（2013CB429902）和国家自然科

学基金-新疆联合基金面上项目（U1303181）资助．

mail：xjhushunjun@aliyun．com＊＊通讯作者．E-2014-06-03收稿，2015-01-03接受．

根据采用

1008应用生态学报26卷

中子水分仪测定的沙地土壤含水量（固态和液态）的增量，估算了冬季融雪水土壤入渗量．采用TDＲ系统也可以测定不同结构土壤在融雪水入渗时期液

［7］

态水含量的变化．

古尔班通古特沙漠是我国唯一在冬季存在稳定积雪的沙漠．冬季覆雪和春季融雪水对于古尔班通古特沙漠地区高植被覆盖度的形成、生物多样性的

［8－15］

．一发育以及沙漠稳定性的保持具有重要作用般认为，春季积雪融水是沙漠植被尤其是短命植物

生长繁衍的重要水分来源．对于季节性冻融土壤，积雪覆盖和融化对沙漠土壤储水增墒作用的研究成果

［9］

较缺乏，可应用性不强．黄培祐等研究表明，在稀积雪分布具有“风堆雪”现象，其融疏的荒漠林地，

［16］

“融雪漏斗”化过程具有效应．周宏飞等对古尔班通古特沙漠地区积雪物理特征变化、沙垄坡地以及

稀疏梭梭林地的积雪分布、融雪水分在土壤中的转化储存效率及其成因进行研究，但忽略了积雪覆盖地面初期，昼融夜冻，融雪水对土壤的入渗补给量．虽然对古尔班通古特沙漠地区积雪消融后表层土壤

［17－23］

，水的时空变异性进行大量研究取得了良好效果，但由于缺乏冻结前土壤剖面的含水量资料

［24］

图1研究区位置

Fig．1Locationofthestudyarea．

垄间距200～300m．沙似南北走向，高度l0～25m，

垄西坡长而缓，坡长28～36m，坡度7°～9°；东坡短且陡，坡长21～24m，坡度15°～19°；垄顶部呈穹状．垄间和中下部沙面较为稳定．地表大部分为细沙，无岩石出露，无水蚀和龟裂．沙粒主要来源于天山北麓河流的冲积沙层．土壤为干旱砂质新成土，其母质为

－3风积沙，干容重为1．52～1．65g·cm，土壤发育极

碳酸钙含量13%左右．微弱．全剖面石灰反应强烈，

，

加之积雪消融后土壤含水量测定的深度较

［12，20－21，24－25］［26－27］

，浅目前尚难或测定时间间隔过长对该地区的融雪水土壤入渗量进行精确估算．本文采用水量平衡法和筒测法研究古尔班通古特沙漠南

缘融雪水土壤入渗量，为揭示干旱沙漠地区水量平衡机理、合理利用水资源、维持与重建荒漠生态系统提供重要的科学依据．11.1

研究地区与研究方法研究区概况

土壤pH值8．0～8．5，呈微碱性．土壤养分含量极低．丘间地地下水埋深大于8m．梭梭（Haloxylonammo-dendron）是主要的建群种，沙丘不同部位和丘间地均有稀疏的白梭梭（Haloxylonpersicum）、梭梭及其他草本植物分布，白梭梭主要分布在丘顶，植被盖度50%～60%，部分地表覆盖有荒漠结皮．1.2

水量平衡法

根据水量平衡原理，忽略未

1.2.1水量平衡原理

冻层非饱和土壤水和地下潜水蒸发对地表冻结层土壤水分的补给，融雪水土壤入渗量可按下式计算：

IS=10

——古尔班通古特试验地位于中国第二大沙漠—

87°55．20'E），沙漠南缘北沙窝（44°22．42'N、深入沙漠5km，距中国科学院阜康荒漠生态站直线距离

15km，距乌鲁木齐市直线距离80km（图1），是新疆北部典型的沙漠生态系统，属温带干旱荒漠．年水面蒸发量2000mm（直径20cm水面蒸发皿观测值）

，降水在春季和初年降水量70～150mm，

夏略多，年内分配较均匀，冬季降雪一般占全年降水，积雪深度多在20cm以上，稳定积雪日数一般为100～150d．积雪一般于3月上中旬进

［8］

［8，28－29］

∫

4000

（θ2－θ1）dz（1）

式中：IS为融雪水土壤入渗量（mm）；θ1为降雪前土

－33

壤含水率（cm·cm）；θ2为融雪后土壤含水率

（cm3·cm－3）．1.2.2土壤含水率测定

自2012年12月4日开始

陆续沿沙丘横断面布置两排土壤水分监测断面，土壤水分监测点分别位于沙丘东侧平地（丘间地）、东坡坡脚、东坡、坡顶、西坡和西坡坡脚．其中，北监测2、3、4、5、6、7、8、9和10，断面监测点的编号为1、南

B、C、D、E、F、G、H、I监测断面监测点的编号为A、

和J．另外，在丘间地中间垂直这两个监测断面再增

加一个监测断面，监测点的编号为11和12．监测点整体呈“工”字型排列（图2）．采用北京核子仪器公

量的30%左右

3月底消融基本结束．融雪水以垂直入快速消融期，

入渗为主，无地表径流形成．盛行西北风．

试验地所在区域的地貌为梁窝状沙垄．

沙垄近

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4期胡顺军等：古尔班通古特沙漠南缘融雪水土壤入渗量1009

图2土壤水分监测点平面布置示意图

Fig．2Sketchmapofsoilmoisturemonitoringpoints．

1#～10#：北监测断面监测点Monitoringpointsofnorthernsection；A#～J#：南监测断面监测点Monitoringpointsofsouthernsection．

司生产的CNC503DＲ型中子水分仪测定土壤水分，

－33

精度±0．002cm·cm，中子管（铝管）埋设深度3～4m不等．5～10d监测一次，20、40、测定深度为10、60、80、100、120、140、160、200、250、300、350和400cm．2013年9月在沙丘的西坡坡脚、东坡坡脚和丘间地，距潜水观测井50cm处埋设中子管，中子管（铝管）埋设深度9．20～10．70m．1.2.3潜水埋深测定

2013年9月在沙丘的西坡坡

脚、东坡坡脚和丘间地埋设潜水观测井．采用人工方法观测潜水埋深，观测时间与土壤水分观测时间同步．

1.3筒测法

由塑料桶改制而成测筒的桶高33cm、上口内径33cm、桶底内径25cm．在距桶口10cm位置打孔，穿2mm的铁丝．在直径30cm的PVC圆板（厚5mm）上均匀打40个小孔，小孔直径5mm，将圆板置于铁丝上，保证融雪水能渗入测筒．在下雪前（2013年11月10日）将测筒分别埋设在沙丘的西坡、坡顶、东坡坡脚和丘间地各2个，共计8个，埋设时所穿铁丝的高度与地面平齐．雪融完成后，将收集的融雪水称量，换算成水层厚度（mm）．1.4数据处理

采用Excel软件进行数据处理和作图．用极差Ｒ和变异系数（Cv）来衡量土壤水分、潜水埋深的变化特征．22.1

结果与分析

潜水动态

2013年9月28日至2014年7月15日，监测的

古尔班通古特沙漠南缘沙丘西坡坡脚潜水埋深的平

均值为10．07m，极差值为0．22m，变异系数为0.008；东坡坡脚潜水埋深的平均值为8．10m，极差值为0．20m，变异系数为0．009；丘间地潜水埋深的平均值为8．71m，极差值为0．16m，变异系数为0.008，说明该区潜水位波动较小（图3）．2014年2月27日的潜水水面较2013年11月5日的潜水水面抬升9～10cm，这主要是由于附近绿洲冬灌后潜水位上升，侧向补给沙漠造成的；2014年2月27日至5月8日，潜水水面相对稳定，说明潜水在冻结期既没有蒸发，在积雪融化后也没有获得补给；2014年5月8日至7月15日，潜水水面有下降趋势，这主要是由于5月后气温回升，蒸发加强，梭梭及短命植物的蒸腾加强造成的．2.2土壤水动态

2013在古尔班通古特沙漠南缘沙丘东坡坡脚，

2014年2月27日、3月1

2年11月5日没有降雪，

图3古尔班通古特沙漠南缘潜水埋深

Fig．3ChangesofphreaticdepthinthesouthernGurbantunggutDesert．

A：2013-08-31；B：2013-10-30；C：2013-12-29；D：2014-02-27；E：

2014-04-28；F：2014-06-27；G：2014-08-26．

1010应用生态学报26卷

3月19日地面积雪刚刚融日地面尚被积雪覆盖，

3月26日和4月5日地面积雪已完全融化．因化，

2014年2月27日、3月12日和3月19日土壤此，

表层含水率增大（图4）是由于融雪水入渗造成的；3月26日和4月5日土壤表层含水率降低是由于土壤蒸发和土壤水分再分布造成的．0～150cm土层土

－33

壤含水率的标准差为0．003～0．038cm·cm，变异系数（Cv）为0．11～0．61，属于中等变异性．160～750cm土层土壤含水率的标准差仅为0．001～0.025cm3·cm－3，Cv为0．01～0．15，属于中等变异性或弱变异性

［30］

表层含水率增大（图5）是由于融雪水入渗造成的；

当地面融雪水消失后，入渗过程结束．但土壤内部的水分运动并没有停止，在重力势、基质势和温度势梯度的作用下，水分继续向下面较干土层移动；上层水分有所减少的同时，下层水分得到提高，于是接着又可能向更深土层迁移．水在土壤剖面上这种不停地运动和重新分配的过程称为土壤水的再分布过［31］程．

2014年3月26日湿润锋到由图5可以看出，

4月5日湿润锋到达离地表达离地表130cm，

150cm，随着时间的推移，湿润锋向下移动的速度逐5月21日至6月18日湿润锋到达离地表渐减少，

190～210cm，到7月4日湿润锋消失．2.3

融雪水土壤入渗量

采用两种方法计算融雪水土壤入渗量：第一种方法是根据每个土壤水分监测点测定的降雪前和融雪后的土壤含水率资料，计算每个监测点的融雪水土壤入渗量，然后取平均值分别计算西坡、东坡、丘间地和景观尺度上的融雪水土壤入渗量；第二种方法是分别将西坡、东坡、丘间地和景观尺度上监测的土壤含水率按深度平均，计算西坡、东坡、丘间地和景观尺度的融雪水土壤入渗量．用来计算西坡融雪

2、3、4、B、C、D；用来计水土壤入渗量的监测点有1、

5、6、7、D、算东坡融雪水土壤入渗量的监测点有4、

F、G；用来计算丘间地融雪水土壤入渗量的监测点8、9、10、11、12、G、H、I、J．由于试验区所在的沙有7、

丘从景观上包括西坡、东坡、丘间地，所以景观尺度

．

2013年11在古尔班通古特沙漠南缘沙丘西坡，

2014年2月28日和3月13日地月5日没有降雪，

3月20日地面积雪刚刚融化，3月面尚被积雪覆盖，

26日和2014年4月5日地面积雪已完全融化．因2014年2月28日、3月13日和3月20日土

壤此，

图4古尔班通古特沙漠南缘东坡坡脚土壤剖面含水率Fig．4SoilprofilemoistureintheeastslopefootofsouthernGurbantunggut

Desert．

是包括西坡、东坡和丘间地的整体，用来计算景观尺度融雪水土壤入渗量的监测点包括分布在西坡、东2、3、4、5、6、坡和丘间地上的所有监测点，即包括1、7、8、9、10、11、12、B、C、D、F、G、H、I、J．

采用第一种方法计算的2012—2013年冬季古尔班通古特沙漠南缘沙丘西坡融雪水土壤入渗量在13～27mm，平均为20mm；东坡融雪水土壤入渗量在13～47mm，平均为27mm；丘间地融雪水土壤入渗量在18～47mm，平均为32mm；景观尺度融雪水土壤入渗量在13～47mm，平均为26mm．采用第二种方法计算的2012—2013年冬季古尔班通古特沙漠南缘沙丘西坡、东坡、丘间地以及景观尺度的融雪

27、32和26mm．采用两种水土壤入渗量分别为20、方法计算的结果相同（图6）．

采用第一种方法计算的2013—2014年冬季古尔班通古特沙漠南缘沙丘西坡融雪水土壤入渗量在

20～71mm，平均为43mm；东坡融雪水土壤入渗量

图5古尔班通古特沙漠南缘西坡土壤剖面含水率

Fig．5SoilprofilemoistureinthewestslopeofsouthernGurba-ntunggutDesert．

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4期胡顺军等：古尔班通古特沙漠南缘融雪水土壤入渗量1011图62012—2013年冬季古尔班通古特沙漠南缘降雪前和融雪后的土壤剖面含水率

Fig．6SoilprofilemoistureinthesouthernGurbantunggutDesertbeforesnowfallandaftersnowmeltinthewinterof2012－2013．a）西坡Westslope；b）东坡Eastslope；c）丘间地Interdune；d）景观Landscape．下同．Thesame

below．

图72013—2014年冬季古尔班通古特沙漠南缘降雪前和融雪后的土壤剖面含水率

Fig．7SoilprofilemoistureinthesouthernGurbantunggutDesertbeforesnowfallandaftersnowmeltinthewinterof2013－2014．在22～59mm，平均为43mm；丘间地融雪水土壤入

渗量在22～66mm，平均为45mm；景观尺度融雪水

土壤入渗量在20～71mm，平均为44mm（图7）．采

用第二种方法计算的2013—2014年冬季古尔班通

古特沙漠南缘沙丘西坡、东坡、丘间地和景观尺度的

43、45和45mm．采用融雪水土壤入渗量分别为45、

两种方法计算的结果亦基本相同．

2013—2014年冬季古尔班通采用筒测法测得，古特沙漠南缘沙丘西坡、东坡、丘间地和景观尺度的36、29、35mm．筒测法融雪水土壤入渗量分别为41、测定的结果在水量平衡法测定结果的范围之内．33.1理性采用式1计算融雪水土壤入渗量的前提是：融讨论采用水量平衡法计算融雪水土壤入渗量的合