1、第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023洪光宇，王晓江，苏庆溥，等.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.毛乌素沙地流动沙丘土壤水分模拟及渗漏特征洪光宇1，王晓江1，苏庆溥2，海龙1，王少昆3，高孝威1，徐艳艳4，周景山5，李卓凡1，李梓豪1，胡尔查1（1.内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010；2.乌审旗委宣传部，内蒙古 乌审旗 017300；3.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；4.内蒙古
2、自治区大青山国家级自然保护区管理局，内蒙古 呼和浩特 010010；5.内蒙古自治区林业和草原局综合保障中心，内蒙古 呼和浩特 010010）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：59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，58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 c
3、m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文章编号：1000-694X（2023）02-288-11 DOI：10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00147 中图分类号：S157 文献标志码：A0
4、引言 在干旱半干旱区，土壤水是制约植被正常生长的主要因子1，是生态系统水循环的关键环节，决定沙地生态系统植物群落结构与稳定性2，将直接影响该地区的功能与可持续发展3。降水分布不均匀、有效降水量少及地表蒸发大是该区域水分短缺的原因，而该区土壤水分主要补给来源于降水入渗，降水入渗也决定着物质循环与能量流动4。充分了解并计算干旱半干旱区土壤水动态变化及降水补给量，能够定量地认识地表水资源稀缺地区降水分配过程中水分运输与循环响应规律，对沙区生态建设与水资源管理具有重要意义5-6。沙区的降水特征、土壤水分及水分渗漏量三者的变化及其相互关系一直是国内外学者研究的热点，并取得了大量的研究成果，目前主要通过仪
5、器观测法、经验方程法、同位素示踪法及模型预测法4进行研究。洪光宇等7利用土壤水分自动监测仪研究了毛乌素沙地降水入渗补给过程及深度，结果表明8.8 mm 的单次降水可以对飞播杨柴灌木林10 cm及以下深度土壤进行水分补给，40 mm的单次降水可以入渗到土壤110 cm以下深度。王博等8研究了库布齐沙漠油蒿灌丛浅层土壤水分对降水脉动的响应，发现8.6 mm的降水可以对 30 cm深度土层进行水分补给，11.8 mm的降水可以对50 cm深度土层进行水分补给，随着土层深度的增加对降水反馈滞后性增强，随降水的波动具有季节性。沙地降水入渗补给深度到140 cm及以下土层时的降水阈值为13.4 mm，并且
6、200 cm深度土层不会受到土壤蒸发的影响9。研究者通过优化参数后的Hy收稿日期：20221024；改回日期：20221212资助项目：国家自然科学基金项目（41867043）；中央财政林业和草原科技推广示范项目（内林草科推 2022 09号）；内蒙古科技重大专项（2019ZD007）作者简介：洪光宇（1985），女，内蒙古呼和浩特人，博士，副研究员，研究方向为沙地水资源管理与应用。E-mail：通信作者：王晓江（E-mail：）第 2 期洪光宇等：毛乌素沙地流动沙丘土壤水分模拟及渗漏特征drus-1D模型对比科尔沁沙地流动沙丘与草甸土壤渗漏量对降水的响应，估算出渗漏到流动沙丘200 cm土层
7、的降水量为173.9 mm，占降水量的59.5%，草甸80 cm土层无渗漏量，主要靠地下水补给10-11。流动沙丘深层渗漏量主要发生在降水集中的68月，且渗漏速率随着降水量及频次的增大呈增加趋势，降水历时长且强度小时更有利于水分向深层土壤渗漏，1618 mm降水可以渗漏到200 cm深度土壤，高频次的降水渗漏时长在 164 h 以上。李卫等12通过团队自主研发的深层渗漏计对毛乌素沙地进行研究，发现高频次降水加快入渗速率且渗漏量占降水的比重升高。目前，利用Hydrus-1D模型研究毛乌素沙地的土壤水分变化及其渗漏量的研究较少，尤其在全球气候变化的大背景下，干旱半干旱区脆弱的生态系统面临严峻的挑战
8、，因此研究不同降水格局下沙区土壤水分变化及其渗漏补给规律显得尤为重要。本试验通过对土壤水分连续定位观测及测定土壤理化性质实验，基于Hydrus-1D模型对毛乌素沙地流动沙丘土壤水分变化及降水渗漏量进行模拟，分析Hydrus-1D模型在毛乌素沙地流动沙丘的适用性，估算不同深度土层渗漏量及其对降水格局的响应。研究将对系统研究毛乌素沙地流动沙丘水分变化规律及其渗漏特征提供技术支撑，同时也为毛乌素沙地水资源利用与管理提供数据支撑。1 材料与方法 1.1研究区概况研究区位于鄂尔多斯市乌审旗乌拉陶勒盖治沙站内，该研究区属于毛乌素沙地典型腹地（3908 17 N，10931 36 E），温带大陆性气候，年降
9、水量270450 mm，每年78月降水量最高，约占年降水量的60%，年蒸发量2 1002 600 mm，平均气温6，常年风大沙多。风沙土是研究区分布最广泛的土壤，其次是栗钙土、草甸土等。植被类型多样，主要的沙生灌木有杨柴（Hedysarum laeve）、黄柳（Salix gordejevii）、沙地柏（Juniperus sabina）、油蒿（Artemisia ordosica）等，草本层植物有虫实（Corispermum hyssopifolium）、沙米（Agriophyllum squarrosum）、碱蓬（Suaeda glauca）、雾冰藜（Bassia dasyphylla）等
10、7。1.2野外调查与数据采集1.2.1土壤含水量测定与样品采集对土壤含水量的监测，采用Watch Dog2800型土壤水分自动监测系统（Item 3345WD2 Watch Dog 2800 Weather Station，美国），该仪器配置6个水分传感器，分别对深度为10、30、50、70、90、110 cm处土壤进行水分动态监测，数据采集间隔为30 min。挖取5个2 m1 m2 m的土壤剖面，利用直径10 cm的环刀分别在515、2535、4555、6570、8595、105115 cm土层取原状土样3个，带回实验室用于土壤水分特征曲线及土壤饱和含水率等的测定。土壤水分特征曲线采用压力膜
11、仪测定；土壤饱和含水率的测定是将3层纱布缠绕于环刀底部且让底部浸水，使顶部与水面近乎齐平测定，每3 h称重1次，待两次称重误差小于2%时，取其平均值为试验值；饱和导水率采用定水头下的马氏瓶渗透仪进行测定，取其稳定后的平均值，同时通过环刀法测定干容重。用 布 袋 挖 取 020、2040、4060、6080、80100、100120 cm土层土样并扰动，带回实验室测定土壤理化性质。土壤颗粒粒径百分占比采用德国Symaptec公司的NANOPHOXTM纳米激光粒度仪，选用干法进行测定；土壤粒径分级标准采用美国农业部USDA制，黏粒（0.002 mm）、粉粒（0.0020.05 mm）、砂粒（0.0
12、52 mm）；土壤有机质采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定。1.2.2气象数据及其他模型所需数据在研究区内同时布设了 HOBO U30小型气象站，同步测定风向、风速、空气温湿度、降水量、光合有效辐射等气象数据，采集频率每次30 min。1.3模型介绍1.3.1土壤水分运移模型采用经典的Richards方程来描述本研究的土壤水分运移过程13，鉴于风沙土该研究仅考虑垂向运动。t=z K(h)()hz+1-s(z，t)(z，t)=0(z)h(z，t)|z=B=h(B，t)-K()()hz+1=q0(0，t)（1）289中国沙漠第 43 卷式中：t为时间（h）；为土壤体积含水率（cm3 cm-3）；h为
13、负压水头（cm）；z为垂向空间坐标（cm）；K（h）为非饱和导水率（cm h-1）；q0（0，t）为上边界水分通量（cm h-1）；L为模拟深度（cm）；h（B，t）为下边界负压值（cm）；s（z，t）为根系吸水速率（cm h-1）。土壤水分特征曲线和非饱和导水率利用 van Genuchten方程拟合14。(h)=r+s-r1+|h|nmh 0sh 0（2）K(h)=KsSle1-(1-S1/me)m2h 0；m=1-1/nKsh 0（3）Se=(-r)(s-r)（4）式中：s为土壤饱和含水率（cm3 cm-3）；r为土壤残余含水率（cm3 cm-3）；Ks为饱和导水率（cm h-1）；Se
14、为无量纲的相对含水量；、m、n、l均为拟合参数。1.3.2时间和空间离散选取59月土壤解冻、集中降水期为研究期，时间单元为小时，共计 2 928 h。采用时间离散化的方式进行模拟，依据收敛的迭代次数逐渐调整时间离散的间隔。在整个模拟期内，若任一时间间隔达到收敛所需的迭代次数3，则下一时段的时间增量乘以1.3；若达到收敛的迭代次数7，则将下一时段的时间增量乘以0.711。本模拟中起始时间设置为0，模拟结束时间为2 928 h。初始时间步长为0.01 h，最小时间步长为 0.01 h，最大时间步长为1 h，流动沙丘110 cm土壤剖面水分测试分6层，该研究也同步设置6个观察点。1.3.3边界设置本
15、文中模拟的地点位于流动沙丘中上部，因此地下水位埋深均较大，且沙土渗透性强，所以下边界统一设置为自由排水边界，由于样地内均无径流产生，上边界都设置为无径流的大气边界。1.3.4土壤参数初始土壤水力参数中残余含水率（r）、饱和含水率（s）、饱和导水率（Ks）、n、l等模型参数是将土壤干容重及砂粒、粉粒、黏粒含量代入Rosetta公式进行预测得出（表1），其中饱和含水量、土壤干容重、饱和导水率采用实测值。1.3.5模型检验及数据处理为了判断流动沙丘土壤水分渗流量及其动态过程模拟的准确性，利用R2（决定系数coefficient of determination）、均方根误差（root mean sq
16、uare error，RMSE）和平均相对误差（mean relative error，MRE）对模拟精度和误差进行评价，其中，R2的大小决定了模拟值与实测值的密切程度，RMSE和MRE趋向于0，即模拟值越接近于实测值，计算公式如下：R2=cov()yp，ymvar()ypvar()ym（5）RMSE=1nI=1n(ypi-ymi)2（6）MRE=1nI=1n|(ymi-ypi)ypi（7）式中：ypi为土壤含水率的实测值；ymi为土壤含水率的模拟值；N为样本点个数。利用R语言计算IA（一致性指数）；采用SPSS 20.0进行土壤水分实测值和模拟值的相关分析与验证；采用Excel 2010进行数据整理、模型检验与作图。表1 流动沙丘土壤基本物理性质和水力学参数Tabel 1 Basic physical properties of soil and the hydraulic parameters in mobile dunes土层深度/cm010103030505070709090110粒径/%砂粒0.052.00 mm97.2497.9097.2297.4797.3096.15粉粒
