陜西省靖邊縣沙地水分與植被建設

羅小慶，趙景波，2

（1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安710062；2.中國科學院 地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室，陜西 西安710075）

土壤水是指由地面向下至地下水面以上土壤層中的水分，亦稱土壤中非飽和帶水分。我國自20世紀50年代以來，圍繞著農業(yè)發(fā)展和生態(tài)建設對黃土高原土壤水分進行了大量研究［1－5］。關于沙漠地區(qū)沙層含水量，前人也做了許多研究，在國內研究地區(qū)包括騰格里沙漠、古爾班通古特沙漠、烏蘭布和沙漠及毛烏素沙地的部分地區(qū)［6－11］?，F(xiàn)已認識到，沙漠地區(qū)2m以上沙層含水量一般可劃分為3層，第1層深度一般小于20cm，為含水量很低的干沙層［6－9］。第2層位于20—100cm深度之間，是含水量易于變化的活躍層，為濕沙層的上部。第3層位于100cm左右深度之下，是含水量較高、變化較小的穩(wěn)定層［5］，為濕沙層的中下部。研究［6－9］得出，沙漠地區(qū)沙層中的含水量一般都很低，干沙層中含水量通常不足1%，而濕沙層含水量一般在2%～5%之間［6］，沙層中一般都是薄膜水。雖然過去對我國沙漠區(qū)沙層含水量進行了許多研究，但對2m以下深層剖面水分的研究很少，對靖邊沙地深層水分的系統(tǒng)研究則更少。國外對土壤含水量和動態(tài)變化做了大量研究，研究的重點是土壤水的運移規(guī)律、植物蒸騰和氣候變化對土壤水的影響［12－15］，并側重于建立數(shù)學模 型。Koster［12］研究認為不同地區(qū)土壤濕度與降水存在不同的定量關系，土質差異是主導因素之一。Bartalis［13］通過衛(wèi)星觀測和典型土壤水分數(shù)據(jù)分析，認為據(jù)此可以準確預報10a內全球范圍的土壤水分的變化序列。Holsten等［14］通過模擬實驗研究了氣候變化對土壤水動態(tài)影響，認為到21世紀中期氣候暖干化將使美國勃蘭登堡地區(qū)可利用土壤水減少4%～15%。Seneviratne等［15］研究了氣候變化與土壤水分的相互作用，指出土壤水分是反映氣候系統(tǒng)變化的鑰匙，土壤水對氣候有多方面的指示作用。

我國的沙地水分研究中，存在的主要問題是對沙地含水量能否滿足人工灌木林生長的需要認識不清，對沙層薄膜水的含量類型缺少劃分，關于沙層水分對地下水的補給認識不明確。沙層水分的研究對揭示沙層的剖面分布和沙層水分的科學利用和改善干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有著極為重要的意義。本研究根據(jù)位于毛烏素沙地南部的陜西靖邊沙地較深鉆孔采樣和含水量測定，分析該地區(qū)沙層水含量、水分存在形式和水循環(huán)等問題，為該區(qū)沙地水資源利用和植被建設提供科學依據(jù)。

1 采樣點概況及研究方法

研究區(qū)位于靖邊縣城北20km處的海則灘鄉(xiāng)，該鄉(xiāng)西與內蒙古自治區(qū)接壤，為毛烏素沙地組成部分。采樣點所在的靖邊縣年平均氣溫7.8℃，年平均降水量為395mm，無霜期120d左右［16］。采樣點的植被有草地和人工灌木林地兩種，人工灌木樹種為沙柳和檸條。為揭示沙地含水量空間差異和植被不同對沙地水分的影響，于7月中旬分別在草地和灌木林采集了8個5m深度剖面的含水量樣品。8個草地和8個灌木地剖面均在沙丘中部。沙丘長度為20～30m，沙丘高差為5～10m。利用輕便人力鉆采集樣品，采樣間距為10cm。含水量測定采用烘干法。

2 沙地含水量測定結果

2.1 草地含水量測定結果

沙層剖面水分一般可分為3層［5］，由于采樣期間受降小雨的影響，沙層剖面上部20cm厚度的干沙層不明顯，所以根據(jù)含水量變化，將剖面水分分為2層。因為草地剖面一般在200cm深度水分含量明顯增加，所以將200cm深度作為草地沙層剖面水分分層的深度。灌木林地一般在300cm深處含水量明顯增多，將灌木林地剖面300cm深度作為分層的深度。

由含水量測定結果（圖1）得知，位于第1個沙丘中部的剖面1沙層含水量變化在1.4%～4.2%之間，平均值為2.6%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可將其分為2層。第1層位于0—200cm，含水量變化在1.4%～2.7%之間，平均為1.9%。第2層位于200—500cm，含水量變化在2.3%～4.2%之間，平均為3.2%。位于第2個沙丘中部的剖面2土壤含水量變化在1.5%～5.2%之間，平均值為3.6%。據(jù)含水量在垂向上的變化，也可分為2層。第1層位于0—200cm之間，含水量變化在1.7%～5.2%之間，平均為3.0%。第2層在200—500cm之間，含水量變化在1.5%～5.0%之間，平均值為4.2%。剖面2位于較大沙丘中部，這是其含水量比位于較小沙丘中部的剖面1含水量高出0.8%的原因。

圖1 靖邊縣海則灘鄉(xiāng)草地沙層含水量

由含水量測定結果得知（圖1），位于第3個沙丘中部的剖面3含水量變化在2.6%～5.7%之間，平均為3.8%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可將其分為2層。第1層位于0—200cm之間，含水量變化在2.6%～5.7%之間，平均為3.5%。第2層位于200—500cm之間，含水量變化在2.9%～4.6%之間，平均為4.0%。位于第4個沙丘中部的剖面4沙層含水量（圖1）變化趨勢與剖面3基本相同，含水量變化在2.2%～6.0%之間，平均值為3.6%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，也可分為2層。第1層在0—200cm之間，含水量變化在3.1%～6.0%之間，平均為3.4%。第2層在200—500cm之間，含水量較低，變化在2.2%～4.3%之間，平均為3.7%。

由含水量測定結果得知（圖1），位于第5個沙丘中部的剖面5沙層含水量變化在1.0%～4.8%之間，平均值為2.3%。據(jù)含水量在垂向上的變化，可將其分為2個層次。第1層位于0—200cm之間，含水量變化在1.0%～2.7%之間，平均為1.8%。第2層位于200—500cm之間，含水量變化在1.2%～4.8%之間，平均為3.5%。

位于第6個沙丘中部的剖面6沙層含水量變化在2.4%～5.4%之間，平均為3.9%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可分為2層。第1層在0—200cm之間，含水量變化在2.4%～4.2%之間，平均為3.4%。第2層在200—500cm之間，含水量變化在3.2%～5.4%之間，平均為4.3%。剖面6比剖面5含水量高出1.6%。位于第7和第8個沙丘中部的剖面7和剖面8沙層含水量與前述6個剖面類似，從剖面上部向下部含水量增加，整個剖面平均含水量在3.4%～3.6%之間（表1）。

表1 靖邊縣沙地沙層含水量

2.2 灌叢地含水量測定結果

由含水量測定結果得知（圖2），位于第1個灌木沙丘中部的剖面1沙層含水量變化在0.8%～2.6%之間，平均值為1.5%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可將其分為2層。第1層位于0—300cm之間，含水量變化在0.8%～2.2%之間，平均為1.4%。第2層位于300—500cm之間，含水量變化在1.2%～2.6%之間，平均為2.2%。位于第2個灌木沙丘中部的剖面2沙層含水量（圖2）變化趨勢與剖面1基本相同，含水量變化在1.1%～2.8%之間，平均為1.6%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可分為2層。第1層在0—300cm之間，含水量變化在1.1%～1.7%之間，平均為1.4%。第2層在300—500cm之間，含水量變化在1.4%～2.9%之間，平均為2.1%。剖面2含水量比剖面1高出約0.1%。由含水量測定結果得知，位于第3個灌木沙丘中部的剖面3沙層含水量（圖2）變化在0.8%～2.4%之間，平均值為1.4%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可將其分為2層。第1層在0—300cm之間，含水量變化在0.8%～1.8%之間，平均為1.2%。第2層在300—500cm之間，含水量變化在1.3%～2.4%之間，平均值為1.7%。位于第4個灌木沙丘中部的剖面4沙層含水量（圖2）變化趨勢與剖面3基本相同，含水量變化在0.7%～2.3%之間，平均值為1.4%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可分為2層。第1層位于0—300cm之間，含水量變化在0.7%～2.0%之間，平均值為1.3%。第2層位于300—500cm之間，含水量增高，變化在1.2%～2.3%之間，平均為1.6%。含水量測定顯示，位于第5個灌木沙丘中部的剖面5土壤含水量（圖2）變化在0.9%～2.3%之間，平均值為1.5%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可將其分為2層。第1層在0—300cm之間，含水量變化在0.9%～1.9%之間，平均為1.4%。第2層在300—500cm之間，含水量變化在1.3%～1.9%之間，平均值為1.7%。位于第6個灌木沙丘中部的剖面6沙層含水量變化趨勢與剖面5基本相同，含水量變化在0.9%～2.2%之間，平均為1.5%。據(jù)沙層含水量在垂向上的變化，可分為2層。第1層在0—300cm之間，含水量變化在0.8%～1.9%之間，平均為1.2%。第2層在300—500cm之間，含水量變化在1.3%～2.2%之間，平均為1.9%。位于第7和第8個灌木沙丘中部的剖面7和剖面8沙層含水量與前述6個灌木沙丘剖面類似，從剖面上部向下部含水量增加，整個剖面平均含水量在1.4%～1.6%之間（表1）。

圖2 靖邊縣海則灘鄉(xiāng)沙柳灌木林地沙層含水量

3 結果討論

3.1 靖邊縣沙地含水量分層與分布深度

靖邊縣沙地不論是草地還是灌木地，都可以分為2層，草地第1層和第2層的分界深度在200cm左右，灌木沙地第1層和第2層的分界深度為300cm左右。在草地和灌木地剖面2個層次中，都是上部層段含水量較低，下部層段含水量較高。過去的研究［6］認為，沙漠區(qū)沙層水分一般可分為3層，第1層為厚度小于20cm含水量很低的干沙層，第2層為深度在20—100cm之間的含水量易于變化的活躍層，第3層為100cm左右深度之下含水量較高、變化較小的穩(wěn)定層［6］。靖邊縣沙地含水量測定結果表明，采樣剖面頂部沒有干沙層出現(xiàn)，這是由于采樣前曾出現(xiàn)降雨造成的。在非降雨時期，該區(qū)干沙層也是存在的［10］。該區(qū)含水量易于變化的活躍層分布深度在200～300 cm之間，比通常認識的要大1～2m，這是該區(qū)降水量較多造成的。一般沙漠區(qū)年平均降水量在150mm以下［17］，甚至不足100mm，而靖邊沙地區(qū)年平均降水量接近400mm［18］，所以水分活躍層分布深度較大。由此可以得出，在年均降水量為400mm左右的沙地區(qū)，沙層水分活躍層分布深度在2～3m之間。

3.2 植被對沙層含水量的影響和適于生長的植被

由圖3可以看出，靖邊縣草地與灌木地含水量的垂直變化基本相同，從上往下含水量總體呈現(xiàn)升高的變化趨勢，但草地含水量要比沙柳地高。草本沙地含水量變化范圍為1.0%～6.0%，平均為3.3%；灌木沙地含水量變化范圍為0.7%～2.8%，平均為1.5%。沙草地含水量比灌木沙地含水量高1.8%。由于草地植被根系分布深度小，葉片面積小，蒸騰耗水較少，所以沙層含水量較高。而灌木枝高葉片大，根系深［3］，蒸騰耗水較多，使得灌木沙地含水量較高。

靖邊縣沙地灌木林沙層含水量低，能否適于灌木林生長是值得討論的問題。沙層水分適于什么植被生長，要根據(jù)沙層有效水含量的多少和凋萎濕度來確定。根據(jù)巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠沙層水分的研究［6－8，17－18］得知，沙層 水分含 量 一 般 在0.1% ～5%之間，干沙層中的水分含量一般低于0.5%，表明沙地持水量很低，也表明沙層對水分的吸附性很弱，可以認為沙層中含量大于0.5%的水分都是有效水。根據(jù)沙層含水量一般較低分析，沙層含水量在3%～5%之間就是含量很高的了，含水量在2%～3%之間也是較高的。靖邊草地平均含水量大于3.4%，指示該區(qū)沙地水分不但能夠滿足草原植被生長的需要，而且還有較多剩余。靖邊灌木地沙層水分含量平均為1.5%，位于2～5m深度范圍之間第2層含水量為2%左右，表明在灌木吸收利用之后還存在1%的有效水。按凋萎濕度為田間持水量的60%計算［19］，田間持水量為5%的靖邊沙層凋萎濕度為3%。根據(jù)凋萎濕度分析，雖然靖邊沙地水分基本能夠滿足灌木林生長的需要，但水分不夠充足。本次采樣在雨季剛開始的7月份，是沙層水分含量較低的時期，如果在雨季之后的秋季采樣，沙層含水量還會高一些。由此可以確定，該區(qū)發(fā)展灌木林是適宜的。灌木的防風固沙效果顯著大于草本，該區(qū)應該大力發(fā)展耐旱的沙柳和檸條等為主的灌木林。

圖3 靖邊縣海則灘鄉(xiāng)草地與灌木林地沙層含水量對比

3.3 沙層剖面中水分存在形式和對地下水的補給

土壤水存在的主要形式為重力水和薄膜水［2，20］。據(jù)過去對許多沙層的研究可知，細砂顆粒為主的沙層的田間持水量為5%左右［6］。細砂層中的含水量大于5%就會有重力水存在，小于5%時一般為薄膜水。靖邊縣沙地所在的毛烏素沙地，沙層粒度成分和我國其他沙漠區(qū)粒度成分類似，但粒度略偏粗［21］，該區(qū)沙層含水量高于5%的水分無疑是重力水。靖邊縣沙地12個鉆孔的一般含水量都小于5%，少數(shù)層段含水量在5%～6%之間，表明該區(qū)沙層水一般為薄膜水，個別層段為重力水。在極端干旱的沙漠區(qū)，重力水非常少，但在降水偏多的古爾班通古特沙漠、烏蘭布和沙漠區(qū)的沙層中可見含水量高于5%的重力水出現(xiàn)［7，8］。靖邊縣沙地區(qū)年均降水量接近400mm，是降水較多的沙地區(qū)，應該含有少部分重力水。我們采樣在雨季剛開始的7月中旬，是沙層水分含量較少的時期，這是其重力水較少的重要原因。

雖然靖邊沙地區(qū)沙層中重力水出現(xiàn)很少，但薄膜水的含量較高，有高含量薄膜水出現(xiàn)，指示沙層水分含量較高。黃土高原的研究［20，23－24］表明，高含量薄膜水的水膜壓力是該區(qū)黃土中水分向下運移的動力。黃土高原現(xiàn)代和過去的大氣降水主要是以薄膜水的形式通過入滲補給地下水的［20，23－24］。黃土中薄膜水的研究［20，22］顯示，含量很低的薄膜水運移非常緩慢，而高含量薄膜水運移較快，它的運移不受重力作用影響，而是受水膜厚度的影響，即從水膜厚處向水膜薄處運移。薄膜水含量越高，水膜厚度越大，與下部層位薄膜水的水膜厚度差越大，薄膜水的運移越快，運移快的薄膜水每年運移距離可達2m以上。

通過對薄膜水含量的分析，我們將薄膜水的含量分為5個等級，即高含量薄膜水、較高含量薄膜水、中等含量薄膜水、低含量薄膜水和極低含量薄膜水（表2），它們對地下水的補給強弱也有很大不同（表2）。表2顯示，薄膜水含量在5%～4%之間為高含量薄膜水，對地下水補給強。薄膜水含量在3.9%～3%之間為較高含量薄膜水，對地下水補給較強。薄膜水含量在2.9%～2%之間為中等含量薄膜水，對地下水補給中等。薄膜水含量在1.9%～1%之間為低含量薄膜水，對地下水補給弱。薄膜水含量小于1%為極低含量薄膜水，對地下水補給極弱或無補給。

表2 包氣帶沙層薄膜水含量等級與運移動力劃分

從靖邊草地沙層薄膜水平均含量剖面變化（圖4）可以確定，該區(qū)夏季7月草地沙層主要為高含量薄膜水和較高含量薄膜水（圖4），對地下水的補給較強；灌木地沙層主要為低含量薄膜水和少數(shù)中等含量薄膜水，對地下水的補給較弱。如果在雨季之后，草地和灌木地沙層水分的含量等級與補給強度還會增加。

3.4 靖邊沙地水分平衡

土壤水分平衡的構成包括輸入量、儲存量和輸出量［2，20］。當輸出量大于輸入量時為正平衡，反之為負平衡。水分平衡的研究對揭示沙漠區(qū)地下水來源和水分運移具有特別重要的作用。由于沙地區(qū)降水較少，蒸發(fā)量很高，所以一般會認為接近干旱的毛烏素沙地是水分負平衡的地區(qū)。然而研究顯示，靖邊縣沙地區(qū)為水分的正平衡。一是靖邊縣草地沙層剖面中存在部分含水量大于5%的重力水，表明大氣降水經過蒸發(fā)與蒸騰之后，還有較多的剩余水分滲入沙層中（圖1）。二是草地和灌木地沙層剖面含水量均呈現(xiàn)從上向下由低到高的變化趨勢（圖1—2），而且剖面下部沙層水分含量較高，指示大氣降水已經通過沙層入滲到了沙層剖面5m深度之下。在黃土高原地區(qū)，人工林分布區(qū)年降水量要略多于600mm土壤水分才能達到正平衡［2］。靖邊縣沙地區(qū)年平均降水量為396mm就達到了正平衡，這與沙層入滲率很大有關。據(jù)研究［24－25］，沙層入滲率是黃土入滲率的10倍左右。很高的沙層入滲率加快了大氣降水的入滲，增強了大氣降水向地下水的轉化，使得蒸發(fā)與蒸騰量大幅度減少。另外，沙層粒度較粗，毛管孔隙不發(fā)育，使得沙層水分受蒸發(fā)影響的深度一般小于0.5m［6，18］，顯著小于黃土受蒸發(fā)影響到2m的深度，也減少了蒸發(fā)作用對沙層水分的消耗，促進了水分正平衡的形成。

圖4 靖邊沙地薄膜水含量分級

4 結論

（1）靖邊沙地500cm深度范圍內沙層剖面含水量的變化特點是草地0—200m和灌木地0—300cm含水量較低，草地200—500cm和灌木地300—500 cm含水量較高；草地沙層含水量明顯高于灌木林地，草地含水量變化范圍為1.0%～6.0%，平均為3.4%；灌木地含水量變化范圍為0.7%～2.8%，平均為1.5%。

（2）草地沙層200cm以下有含量大于3%的高含量薄膜水和部分含量大于5%的重力水存在，顯示大氣降水對地下水的補給明顯。灌木林地沙層中一般缺少重力水，高含量薄膜水也較少，指示灌木林地降水對地下水補給較弱。

（3）靖邊沙地水分為正平衡，其原因除了降水較多之外，沙層入滲率高和蒸發(fā)與蒸騰消耗較少也是重要原因。

（4）由于靖邊縣沙地區(qū)年均降水量偏多，沙地水分活躍層分布深度在200—300cm之間，比極端干旱的沙漠區(qū)水分活躍層分布深度大100～200cm。

（5）靖邊縣沙層水分含量的剖面變化表明，該區(qū)沙層水分能夠滿足耐旱灌木林生長的需要，適于發(fā)展防風固沙效果好的灌木林。

［1］ 侯慶春.黃土高原地區(qū)小老樹成因及其改造途徑的研究［J］.水土保持學報，1991，5（2）：76-83.

［2］ 楊文治，邵明安.黃土高原土壤水分研究［M］.北京：科學出版社，2000：71-75.

［3］ 王國梁，劉國彬，周生路.黃土高原土壤干層研究述評［J］.水土保持學報，2003，17（6）：156-159.

［4］ 曹揚，趙忠，渠美，等.刺槐根系對深層土壤水分的影響［J］.應用生態(tài)學報，2006，17（5）：765-768.

［5］ 黃明斌，楊新良，李玉山，等.黃土區(qū)渭北旱塬蘋果基地對區(qū)域水循環(huán)的影響［J］.地理學報，2001，56（1）：7-13.

［6］ 馮起，程國棟.我國沙地水分分布狀況及其意義［J］.土壤學報，1999，36（2）：225-236.

［7］ 朱玉偉，陳啟民，劉茂秀，等.古爾班通古特沙漠南緣沙丘水分的時空分布特征［J］.草業(yè)科學，2008，25（12）：6-12.

［8］ 秦佳琪，托亞，葉冬梅，等.烏蘭布和沙漠不同沙地類型土壤水分特征的研究［J］.內蒙古農業(yè)大學學報，2004，25（2）：23-27.

［9］ 格日樂，張力，劉軍，等.庫布齊沙漠人工梭梭林地土壤水分動態(tài)規(guī)律的研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20（6）：173-178.

［10］ 郭柯，董學軍，劉志茂.毛烏素沙地沙丘土壤含水量特點：兼論老固定沙地上油蒿衰退原因［J］.植物生態(tài)學報，2000，24（3）：275-279.

［11］ 陳荷生，康躍虎，馮今朝.騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)植物生長與水分平衡的初步研究［J］.中國沙漠，1991，11（2）：1-10.

［12］ Koster R D，Dirmeyer P A，Guo Z，et al.Regions of strong coupling between soil moisture and precipitation［J］.Science，2004，305（5687）：1138-1140.

［13］ Bartalis Z，Wagner W，Naeimi V，et al.Initial soil moisture retrievals from the METOPA Advanced Scatterometer（ASCAT）［J］.Geophysical Research Letters，2007，34（20）：1-5.

［14］ Anne H，Tobias V，Katrin V，et al.Impact of climate change on soil moisture dynamics in Brandenburg with a focus on nature conservation areas ［J］.Ecological Modeling，2009，220（17）：2076-2087.

［15］ Seneviratne S I，Corti T，Davin E L，et al.Investigating soil moisture-climate interactions in a changing climate：A review［J］.Earth-Science Reviews，2010，99（3）：125-161.

［16］ 榆林市編纂委員會.榆林市志［M］.陜西 西安：三秦出版社，1996.

［17］ 朱震達，吳正，劉恕，等.中國沙漠概論［M］.修訂版.北京：科學出版社，1980.

［18］ 趙景波，馬延東，邢閃，等.騰格里沙漠寧夏中衛(wèi)沙層含水量研究［J］.山地學報，2010，28（6）：653-659.

［19］ 王力，邵明安，侯慶春.土壤干層量化指標初探［J］.水土保持學報，2000，14（4）：87-90.

［20］ 趙景波，王長燕，岳應利，等.西安地區(qū)人工林土壤干層與水分恢復研究［J］.自然資源學報，2007，22（6）：890-895.

［21］ 趙景波，張沖，董治寶，等.巴丹吉林沙漠高大沙山粒度成分與沙山形成［J］.地質學報，2011，85（8）：1389-1398.

［22］ 趙景波，牛俊杰，杜娟，等.咸陽市三原縣新莊不同植被土層含水量研究［J］.地理科學，2008，28（2）：247-252.

［23］ 趙景波，顧靜，杜娟.關中平原第5層古土壤發(fā)育時的氣候與土壤水環(huán)境研究［J］.中國科學（D輯）：地球科學，2008，38（3）：364-374.

［24］ 趙景波，王長燕，邢閃.陜西省洛川縣第3—4層黃土和古土壤水分特征研究［J］.水土保持通報，2012，32（4）：10-15.

［25］ 趙景波，馬延東，邢閃，等.騰格里沙漠寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙層水分入滲研究［J］，水土保持通報，2011，31（3）：13-16.