沙地蒸散發(fā)及地下水動(dòng)態(tài)變化試驗(yàn)分析

郭艷春

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

1 概述

彰武北部沙地是遼寧省主要風(fēng)沙源之一，早在19世紀(jì)以前，沙地較為平坦，植被覆蓋率較高，形成了較為穩(wěn)定的稀疏森林草原生態(tài)系統(tǒng)。后來由于過度開墾和放牧，導(dǎo)致出現(xiàn)了次生沙丘，在過去的40～50年間，由于人口的增加和土地壓力的增大，天然林被砍伐，草原退化，土地沙漠化，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定，沙塵暴災(zāi)害頻發(fā)[1]。近年來，隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)體制的改革，以前屬于集體所有制的沙丘地已由農(nóng)民承包經(jīng)營，由農(nóng)民自主經(jīng)營，有的過度使用，開辟荒地，放牧和打柴，導(dǎo)致土地嚴(yán)重沙漠化。如何更好地開發(fā)和管理這些土地，即投資少、見效快、效益高，已成為農(nóng)村生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)民富裕亟待解決的技術(shù)問題。

目前，沙漠化防治研究與控制項(xiàng)目已引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注，已融入到各種學(xué)科當(dāng)中，并吸引了許多部門的參與，不僅林業(yè)、農(nóng)業(yè)等部門正在開展荒漠化防治工作，水土保持、環(huán)境保護(hù)等部門也在關(guān)注荒漠化防治工作，利用各自的專業(yè)條件，建立了實(shí)驗(yàn)示范區(qū)[2]。

沙漠化的持續(xù)發(fā)展和擴(kuò)大離不開人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，主要是指以大規(guī)模掠奪性旱作物種植作為特征的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，人類活動(dòng)不當(dāng)，破壞了地表保護(hù)層，使風(fēng)直接作用于下伏沙基，加速了土地沙漠化的演變進(jìn)程[2]?？梢哉f，人為破壞是該地區(qū)土地荒漠化自然過程的有力催化劑，如果沒有這種催化劑，沙漠化的自然進(jìn)程將非常緩慢，而且不明顯。當(dāng)人為破壞力與自然破壞力相結(jié)合時(shí)，沙漠化發(fā)展迅速，甚至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)被破壞，生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界干擾具有一定的自我修復(fù)能力。

當(dāng)人類活動(dòng)以草原畜牧業(yè)生產(chǎn)為主時(shí)，破壞草原生態(tài)系統(tǒng)的過程相對(duì)緩慢，草原植被發(fā)育、層次較深的草原植被的自我修復(fù)能力足以抵消人為因素的不利影響，生態(tài)系統(tǒng)是完全可靠的，其自身的力量可以逐漸得以恢復(fù)，此時(shí)，受損程度較低的地區(qū)也逐漸恢復(fù)，生態(tài)系統(tǒng)整體未出現(xiàn)退化狀態(tài)。

2 草地與裸地蒸發(fā)比較

土壤水分蒸發(fā)作為一個(gè)物理過程，是沙地水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，這不僅與土壤水分的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)，而且直接關(guān)系到干旱半干旱地區(qū)植被重建的成敗[3]，研究沙漠化草地蒸散發(fā)和裸地蒸發(fā)，對(duì)于采用合理的灌溉系統(tǒng)和節(jié)水技術(shù)，合理利用有限的水資源，在一定的水分條件下開發(fā)利用沙地具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用蒸發(fā)桶測(cè)定草地蒸散量和裸地蒸發(fā)量，即蒸發(fā)桶由1mm厚的鐵皮制成，內(nèi)筒高45cm，內(nèi)筒直徑25cm，外筒直徑25.5cm。外套桶埋在沙土中，桶的邊緣比土壤表面高約10cm，它防止沙子吹入，設(shè)置遮雨罩，將內(nèi)筒放入夾套筒內(nèi)。試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)處理，重復(fù)3次，處理一為裸沙土，處理二為堿草3株，桶內(nèi)填充40cm土壤厚度，33.0kg干沙重量，用精度為0.1g的電子秤測(cè)量灌溉至田間的水量，每隔一天稱重一次，實(shí)驗(yàn)于2018年8月進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

土壤水分蒸發(fā)是土壤水分通過土壤表面進(jìn)入大氣，導(dǎo)致土壤水分逐漸減少，土壤表面逐漸干燥的過程[4]。如圖1所示可以看出，草地蒸散量和裸地蒸發(fā)量變化趨勢(shì)大致一致，在相同控制條件下，草地蒸發(fā)量大于裸地蒸發(fā)量，平均為裸地蒸發(fā)量的1.5倍，草地蒸散量為3.7～8.5mm，平均為6.0mm；裸地蒸散量為2.0～6.1mm，平均為4.0mm。由于草地蒸散量較大，在整個(gè)觀測(cè)期間，裸地土壤含水量始終大于草地土壤含水量，裸地土壤含水量為3.3%～8.7%，平均為5.8%；草地土壤含水量為1.4%～4.6%，平均為2.5%。由此可見，在沙漠化地區(qū)，從水量平衡的角度來看，在一定區(qū)域內(nèi)的綠色植分布面積或覆蓋范圍應(yīng)具有適當(dāng)?shù)谋壤?，以保持有限水資源的可持續(xù)利用，不因缺水而導(dǎo)致植被枯萎，導(dǎo)致沙地的進(jìn)一步活化。

3 沙地地下水動(dòng)態(tài)變化

降水量的增加有利于地下水資源的補(bǔ)充和植被的有效生長(zhǎng)，同時(shí)降水量的減少可以抑制沙漠化的發(fā)展。近年來，我國一些沙漠化地區(qū)的植被不斷惡化，沙漠化程度越來越嚴(yán)重，已從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面對(duì)其成因進(jìn)行了研究。然而，由于缺乏對(duì)地下水資源動(dòng)態(tài)的長(zhǎng)期定位觀測(cè)，使得人們對(duì)地下水資源變化及其與氣候變化和荒漠化發(fā)展的關(guān)系缺乏足夠的認(rèn)識(shí)[5]。因此，研究沙地地下水位的演變規(guī)律，繪制觀測(cè)期降雨和地下水位變化的過程線圖，分析地下水位與降雨和沙漠化的關(guān)系，對(duì)沙化地區(qū)地下水的開發(fā)利用和保護(hù)具有重要意義。

彰武北部年平均降水量為506～532.1mm，年平均氣溫為6.0～7.3℃，空氣相對(duì)濕度為59%～60%，風(fēng)速為3.5～4.2m/s，以彰武北部的氣象資料為參考，沙地干旱貧瘠，降水是生態(tài)因子的主導(dǎo)因子，彰武地區(qū)北部降水的分布特征是由南向北逐漸減少。最南端的彰武平均為532.1mm。北部為506.0mm。

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)設(shè)置16口地下水觀測(cè)井，4—10月每5天觀測(cè)一次地下水位變化過程，11—3月每15天觀測(cè)一次，在降雨前后對(duì)地下水進(jìn)行加測(cè)水位變化，從2017年6月至2018年12月連續(xù)18個(gè)月采用人工觀測(cè)方法進(jìn)行觀測(cè)。

3.2 地下水水位動(dòng)態(tài)變化分析

3.2.1地下水位日間變化

地下水位隨降水量變化而發(fā)生相應(yīng)變化，試驗(yàn)結(jié)果表明，降水量是影響地下水位變化的主要影響因素之一，兩者之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，如圖2—3所示?？梢钥闯?，由于降水量的減小，2018年4月5日至10日地下水位下降了9cm，隨著地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用的逐漸增加，地下水平均下降率為1.8cm/d，為觀測(cè)期地下水位下降的最大值，8月5日至10日，隨著降雨量的逐漸增加，地下水水位相應(yīng)增加了13cm，平均增長(zhǎng)率為2.6cm/d，這是觀測(cè)期間地下水最大值。

2018年2月10日地下水埋深3.64m，3月1日增加了7cm，這可能是由于溫度升高、冰雪融化和地表水的滲入而導(dǎo)致的[6]，隨后，地下水位繼續(xù)下降，到4月10日，地下水位下降了9cm，變化為16cm，這可能是因?yàn)橹参镩_始生長(zhǎng)并隨著溫度升高蒸騰消耗水分所導(dǎo)致，4月10日以后，隨著降雨量的明顯增加，地下水位總體逐漸出現(xiàn)升趨勢(shì)。

圖2 地下水位變化過程線和升降值

圖3 2018年降雨量變化過程線

3.2.2地下水位月間變化

該地區(qū)地下水位的年變化與降水量的年變化呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[7]如圖4所示，該區(qū)地下水位變幅年內(nèi)變化較大，地下水位變化范圍為2.85～3.64m，地下水位平均埋深為3.35m，到11月最小埋深僅為2.85m，2月最大埋深為3.64m，差異為79cm，第二個(gè)最大埋深發(fā)生在6月，為3.63m，第二個(gè)最小埋深出現(xiàn)在10月，為2.92m。1—4月，由于降水量較少，地表蒸發(fā)耗水量和植物蒸騰耗水量逐漸開始增大，地下水位呈逐漸下降趨勢(shì)，隨著5—8月降水量的增多，受降水量補(bǔ)給的影響，地下水位繼續(xù)上升。

從圖4可以看出，地下水位的年變化與降雨量的年變化具有關(guān)聯(lián)性，2018年的兩個(gè)降雨峰值也造成了兩個(gè)地下水位向上波動(dòng)的峰值，但也存在一定的滯后性。2018年5月，降水量為108.7mm，1個(gè)月后地下水位上升12cm；2018年8月，最大降雨量為168.8mm，1個(gè)月后地下水位上升了23cm，3個(gè)月后地下水位上升了34cm。

結(jié)果表明，降水是半干旱區(qū)東北西沙地地下水補(bǔ)給的主要來源，地下水位變化與同年降水量的相關(guān)系數(shù)較低[7]，但高于前一年或兩年，由于本研究地下水觀測(cè)資料時(shí)間較短，需進(jìn)一步研究地下水位變化與降水量變化的年際相關(guān)性[8]。

圖4 2018年地下水位變化與降雨變化比較

4 結(jié)語

通過上述試驗(yàn)可知，草地蒸散量趨勢(shì)與裸地蒸發(fā)量趨勢(shì)基本一致，在相同的控制條件下，草地蒸發(fā)量大于裸地蒸發(fā)量，平均為裸地蒸發(fā)量的1.5倍，地下水位隨降水量的變化也相應(yīng)發(fā)生變化，而降水量是影響地下水位變化的主要環(huán)境因素，呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[9]。