腾格里沙漠沙坡头地区旱季沙层含水量

[目的]研究腾格里沙漠沙坡头地区旱季沙层含水量、水分来源、水分存在形式、水分平衡等问题,为沙漠地区水分合理利用、沙漠化防治、沙地改良以及沙地农业生产提供科学依据。[方法]利用轻型人力钻打孔取样,进行水分测定。[结果]腾格里沙漠沙坡头地区旱季沙层平均含水量为1%~3%,一般具有分为3层的特点;沙层含水量存在明显的空间差异,洼地平均含水量最大,平坦高地和半固定沙丘中部含水量较低,流动沙丘中上部含水量最低;旱季时期沙层水分以薄膜水形式存在;研究区旱季沙层水分仍为正平衡,主要是由沙层的高入渗率和受蒸发影响深度小决定的;研究区有植被发育之处,在根系的吸水作用下沙层剖面中下部的含水量比无植被的剖面含水量低。[结论]研究区旱季沙层含水量低,空间差异较大,沙层水分仍保持正平衡状态。     

坡度、雨强对塿土入渗特征的影响研究

利用室内人工降雨试验研究降雨强度和坡度对塿土水分入渗状况的影响及其作用机理,并用数学方法对土壤入渗率与累积入渗量随时间变化过程进行数学模拟。试验结果表明:雨强对降雨入渗率及累积入渗量有显著影响。雨强在20~90 mm h-1之间,雨强越大,塿土初始入渗率越高,达到稳定的时间越短,土壤的稳定入渗率由于主要受制于土壤特性,因而各降雨强度间差异不显著;累积入渗量变化表现为随降雨强度增大而减少;坡度对土壤入渗率及累积入渗量基本无影响。运用数学模型对土壤入渗率及累积入渗量的变化过程进行模拟,结果表明,Kostiakov经验模型与自回归移动平均模型(ARIMA)两种模型均可用于模拟土壤入渗性能的变化过程,拟合精度均较高。     

毛乌素沙地东南缘沙丘水分垂直变化规律及风蚀意义

为了进一步揭示毛乌素沙地含水量垂直变化的规律和风蚀意义,通过野外调查、采样、含水量测定、沙粒粒度测定和计算模拟,系统地研究了毛乌素沙地东南缘的3类沙丘含水量垂直变化的趋势,模拟了含水量垂直变化对输沙率垂直差异和沙丘形态演化的影响。结果表明:裸露流动沙丘迎风坡含水量在1.33%～3.79%之间波动;背风坡含水量在0.39%～5.04%范围内波动;丘间洼地含水量在2.12%～6.36%之间波动,裸露流动沙丘含水量的垂直变化可分为自上而下的5个沙层。灌木覆盖沙丘迎风坡的含水量在0.74%～11.92%之间波动;背风坡的含水量在0.89%～12.08%之间波动;丘间洼地的含水量在1.34%～9.24%之间波动,沙丘含水量的垂直变化存在差异明显的3个沙层。人工乔木覆盖沙丘的相对输沙率介于裸露流动沙丘和灌木覆盖沙丘之间。沙丘含水量2%～3%的垂直变化就能引起沙丘形态演化。在含水量垂直变化和沙丘背风坡和丘间洼地的阻滞下,沙丘形态演化存在3个阶段。在沙尘暴预报过程中需要考虑沙丘形态、沙丘含水量的垂直变化等因素对输沙率的影响,以提高预报工作的精度和可靠性。     

科尔沁不同类型沙丘土壤水分时空变化特征及其环境影响因子

为了深入探究半干旱地区沙丘土壤水分时空变化特征及其与环境因子关系，以科尔沁沙地为研究区，综合运用原位观测、数值模拟和冗余分析等方法，对沙丘土壤水分的时空变化特征、变异性、水平衡及其与环境因子的定量关系进行研究。结果表明：沙丘土壤水分在垂直剖面呈现出由半流动沙丘"镜像S "形逐渐过渡为阴坡固定沙丘" S"形的趋势，在时间尺度上呈"正态分布"形；半流动、半固定和阴坡固定沙丘土壤水分变异性随深度的增加逐渐减弱，半阳坡固定沙丘呈"S"形分布，最大变异系数为75.45%，均属中等变异；半流动和半固定沙丘水分主要消耗于深层渗漏，分别占总水量的57.35%和54.56%，半阳坡固定和阴坡固定沙丘水分主要消耗于植被蒸腾，分别占总水量的77.15%和54.88%；沙丘土壤水分影响因子具有差异性，容重、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率是影响半流动、半固定和半阳坡固定沙丘土壤水分的主要环境因子，而有机质、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率是阴坡固定沙丘土壤水分的主要影响因子。研究表明，半阳坡固定沙丘小叶锦鸡儿易消耗深层土壤水，造成土壤干燥化，草本和半灌木有利于深层土壤水分保持。     

贺兰山西麓绿洲土壤水分的入渗特性

[目的]研究贺兰山西麓腰坝绿洲土壤水分入渗特性,为当地合理利用水资源和农田灌溉提供理论依据。[方法]在当地选取21个试验点进行野外双环入渗试验,利用不同入渗公式对实测结果进行拟合,并通过多元分析及地统计学方法分析土壤水分入渗特性。[结果]Horton公式的拟合结果相关系数高达0.963,相对误差与均方根误差分别仅为4.09%与0.046 mm/min,拟合精度要优于Philip公式与Kostiakov公式,且模型参数具有较好的物理意义。土壤质地对入渗过程有显著性影响,土壤中含砂量越高,入渗速率越大,达到稳定所需时间越短,而土壤容重与初始含水率则分别对累积入渗量及初始入渗率有一定影响。稳定入渗率最大值约为最小值的12倍,变异系数高达0.677,且由东北向西南呈现递减的趋势。[结论]Horton公式适用于描述腰坝绿洲土壤水分入渗过程,土壤性质差异对入渗过程有较大影响,同时在空间上入渗率也存在较强变异性。     

Groasis Waterboxx造林技术在沙丘的造林效果

[目的]为解决干旱荒漠区沙丘造林成活率低的技术难题,从荷兰Groasis引进Waterboxx保水、节水造林器及技术,并分析其应用效果。[方法]在甘肃省民勤县流动沙丘和半固定沙丘上,用梭梭、花棒、柠条锦鸡儿、柽柳等固沙植物进行造林试验,采用直观统计观测的方法,研究Groasis Waterboxx在沙丘上造林后的风蚀、温度、保水和苗木成活率情况。[结果](1)春季用Groasis Waterboxx沙丘造林技术,流动沙丘风蚀情况比半固定沙丘严重2.0~6.0倍,造林效果差;从沙丘迎风面不同部位的风蚀情况来看,流动沙丘和半固定沙丘总体均表现为:顶部中部底部;(2)Groasis Waterboxx沙丘造林技术在高温季节能有效降低苗木根际土壤地温近50%,保护苗木免受高温灼伤,促进苗木生长;低温季节还能有效保持根际表面地温在5℃左右,防止苗木遭受低温冻害;(3)Groasis Waterboxx沙丘造林技术能使苗木周边0—40cm表土层含水量长期保持在6%~12%,保证苗木成活期的水分持续供给;(4)Groasis Waterboxx沙丘造林技术能显著提高苗木成活率30%~60%。[结论]Groasis Waterboxx沙丘造林技术在半固定沙丘造林效果优于流动沙丘,能够显著提高苗木成活率。     

陕西洛川中更新统下部黄土入渗规律研究

通过对陕西洛川凤栖镇剖面黄土与红色古土壤8个层位的入渗实验及孔隙度与CaCO3含量测定,研究了黄土与古土壤入渗特征和地下水富集条件。结果表明,陕西洛川西沟L4、L5、L6和L7黄土的稳定入渗率较大,4个层位的平均值为0.65 mm min-1;S4、S5、S6和S7古土壤稳定入渗率较小,4个层位的平均值为0.37 mm min-1;黄土层达到稳定入渗的时间较短,一般为60~90 min,红色古土壤达到稳定入渗的时间较长,一般为90~120 min。黄土层含水空间发育好、渗透性强和利于成为含水层,这是冷干的气候动力条件决定的。红褐色古土壤层含水空间发育较差、渗透性弱和利于成为隔水层,这是温湿的气候动力条件决定的。将洛川西沟剖面渗水实验数据用三种入渗公式分别进行拟合得出,通常采用的三个经验公式均适用于描述40万~70万a间发育的黄土和红色古土壤层的入渗规律。本文的研究拓宽了第四纪气候变化理论应用的新领域,表明更新世气候变化在黄土地层土壤水和地下水资源富集条件、富集规律和水资源开发利用研究中有重要应用价值。     

初始含水率及容重影响下红壤水分入渗规律

运用室内模拟土柱试验,研究了初始含水率为7%,11%和15%这3个梯度及容重为1.2,1.3,1.4,1.5g/cm~3这4个梯度对均质红壤水分入渗规律的影响;根据Kostiakov模型和Philip模型对入渗过程进行拟合分析,得出入渗模型参数。试验结果表明:均质红壤水分入渗,入渗率、湿润锋运移速率与时间呈幂函数递减关系,Philip入渗模型较适用;随着时间的推进,土壤逐渐达到饱和,入渗率、湿润锋运移速率的变化也越来越小;入渗率与初始含水率成反比关系,初始含水率越高,入渗率越低;湿润锋运移速率随初始含水率增加而增大;土壤容重越大,入渗率越低,湿润锋运移越慢。     

陕西省子洲县黄土洼不同植被表层黄土入渗特性

[目的]揭示陕西省子洲县黄土洼不同植被表层黄土的水分涵养功能,为该区水土保持措施的科学配置提供科学依据。[方法]采用野外双环入渗试验和室内土壤粒度分析相结合的方法,研究黄土洼不同植被土壤入渗特性及其影响因素。[结果]研究区内平坦草地、斜坡草地、枣树林地和杏树林地的稳定入渗率分别为1.91,1.54,1.47和1.56 mm/min,淤积玉米地从上游的A样地(淤积玉米样地)到下游的F样地(淤积玉米样地)稳定入渗率总体变小,变化在0.69～1.1 mm/min之间,草地和林地比淤积玉米地的入渗率大。利用入渗经验公式进行拟合,拟合效果最好的为考斯加可夫模型,霍顿模型和经验通用公式拟合效果一般。[结论]研究区黄土层上不同植被表层土壤入渗率均高于淤积玉米样地,而在淤积玉米地内从上游到下游入渗率也在逐渐变小。     

毛乌素沙地降雨入渗和蒸发特征

通过室内和野外模拟降雨的入渗和蒸发实验,研究不同降雨量条件下,沙地的最大入渗深度、入渗速率以及每天的蒸发量。结果表明：降雨量大小对沙地的入渗深度、入渗速率影响显著,并且不同下渗深度的水分在沙土中保存时间不同,1、2、5和10mm降雨分别在4．6、11和15d左右全部蒸发,而15mm以上的降雨由于稳定干沙层的抑制作用,除了一部分蒸发以外,还有部分水分保存在沙土中。同时由于沙区不同植被根系的垂直分布差异较大,所以,降雨量越大,入渗越深,越能被深根性植被所利用,且利用时间越长。     

夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型的改进与验证

对于土层夹砂结构,湿润锋穿过砂层上界面时,入渗率变为稳渗率。为确定各因素下夹砂层土壤的稳渗率,在Green-Ampt入渗模型基础上,引入导水度系数(小于1)来量化上层土壤的导水程度,建立了改进的夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型。采用HYDRUS-1D软件,模拟了不同土壤质地、初始含水率、压力水头、砂层埋深和砂层厚度条件下的稳渗过程,根据模拟结果分析了夹砂层土壤的入渗规律及其影响因素,稳渗率主要受土壤质地、压力水头和砂层埋深的影响。在相同压力水头、初始含水率和砂层厚度下模拟获得不同砂层埋深的稳渗率,并采用改进的Green-Ampt入渗模型拟合,求得导水度系数和进水吸力值。分析发现导水度系数变化较小,为简化计算,取其平均值0.95。在此基础上,提出了由土壤物理特性参数进气值倒数估算进水吸力的计算公式。利用秦王川地区的夹砂层土壤积水入渗试验及已有文献资料验证所建模型的有效性,结果表明所建模型待定参数少,计算误差基本在5%以内,且试验设计较简单,可为农田水分管理及工程防渗技术提供理论依据。     

具有砂质夹层的土壤入渗计算

根据室内系统的试验研究，对土壤具有砂质夹层的入渗计算问题，即非线性入渗阶段转为稳渗阶段时间与稳渗率，提出了一个以现有均质土积水入渗公式为基础的计算方法。该方法利用Kostiakov入渗模型与砂层以上土体达到饱和所需水量建立水量平衡关系，由该关系可以确定出非线性入渗阶段转为稳渗阶段的时间；再由实验数据回归的方法，将层状土转折后的稳渗率与均质土入渗过程在转折时刻的瞬时入渗率的比值与夹层的埋深及中值粒径建立相关关系，从而可由夹层土壤埋深、中值粒径以及均质土在转折时刻的瞬时入渗率确定出层状土转折后的稳渗率。该方法经试验数据的检验，除个别点外，误差均在5%以内。由于确定稳渗率与夹层土壤埋深、颗粒组成、均质土入渗规律等有关，实际确定时会有一定困难，因此该方法尚待完善和生产实际的考验。     

Ants mediate soil water in arid desert ecosystems: Mitigating rainfall interception induced by biological soil crusts?

As vital components of desert systems, the roles of ants in arid ecological processes have been well documented, while little attention has been given to their effects on soil water. We conducted a six-year investigation in sand dune systems stabilized via revegetation, to explore the hydrological role of ants through comparing the influence of ant nests on rainfall infiltration in different-aged revegetated dunes. The presence of ant nests markedly enhanced infiltration due to weakening the rainfall interception by biological soil crusts (BSCs) in revegetated dunes. The distribution of ant nest was denser in older revegetated areas, due to better developed BSCs of later successional stages, compared to younger revegetated areas. Ants prefer later to early successional BSCs because the later lichen–moss dominated crusts were thicker and their surface was more stable than the early cyanobacteria dominated crusts. Conversely, the crustal rainfall interception was positively correlated with BSC thickness. These findings suggest that the occurrence of ant nests in older revegetated areas benefited to the planted shrubs with deeper root systems and maintain a relative constant cover of shrubs in artificial sand-binding vegetation following an increase in infiltration to deeper soil layers.     

掺砂对土壤水分入渗和蒸发影响的室内试验

通过掺砂调控农田土壤水分入渗和蒸发,对新疆干旱绿洲农田抑盐、保水及合理的掺砂制度制定具有重要意义。该研究以不同的掺砂率为影响因子进行土柱模拟试验,设置了4个掺砂率水平,分别是0（对照）、25%、50%、75%。结果表明：不同掺砂率条件下湿润锋和累积入渗量与入渗历时有显著地乘幂关系,影响顺序为75%＞50%＞25%＞0,且在掺砂率≥25%影响幅度较大;不同掺砂处理对土壤水分蒸发过程同样也有显著地影响,随着掺砂率的增加,土壤蒸发显著减弱,随着掺砂率的增加,抑制土壤蒸发越强,且在掺砂率≥75%时有较大幅度影响。土壤在连续20 d蒸发过程中,各个处理的土壤累积蒸发量随时间的关系和Rose经验公式拟合度高; 不同掺砂处理能显著提高土壤掺砂层以下的土壤含水率,随着掺砂率的增加而增加,其中掺砂75%时最高。     

沙柳沙障对沙丘沙粒度组成与特征的影响

为揭示沙柳沙障对沙丘沙粒度组成与特征的影响,以库布齐沙漠流动沙丘为对照,以设障2a、7 a沙丘为研究对象,通过野外取样与室内激光粒度仪测试相结合的方法,研究流动沙丘与设障沙丘不同部位表层(0 ～5 cm)与下层(5 ～ 10cm)粒度特征的变化规律.结果表明:1)库布齐沙漠沙以细沙和中沙为主,3类沙丘各层次间的黏粒体积分数无差异,其他粒径体积分数均表现为流沙与设障2 a沙丘差异不显著,均与设障7 a沙丘差异显著.2)3类沙丘各层次的粒度参数差异性变化一致,平均粒径Mz和偏度SK表现为设障7a沙丘＞流动沙丘＞设障2a沙丘,分选系数σ和峰态Kg则为设障7a沙丘＞设障2a沙丘＞流动沙丘;3类沙丘各层次的分选性随设障年限延长而变差,偏度由近对称变为呈正偏分布,峰态Kg值逐渐增大.3)3类沙丘各粒度参数在不同部位的变化不尽一致.除设障2a沙丘外,流动沙丘、设障7a沙丘表层各部位的Mz差异显著,下层则相反;3类沙丘表层与下层各部位的σ和SK差异显著;除设障7a沙丘外,各部位的Kg差异明显;随设障年限的增加,粒径变细,分选系数逐渐变差,偏度和峰态增大.     

降雨条件下分层土壤入渗特性

通过室内模拟降雨入渗试验,研究了粘土、壤土和沙土3种土壤不同分层组合方式对土壤入渗特性的影响。结果表明:垂直入渗条件下,分层土壤入渗特征由土壤分层组合方式决定;分层土壤累计入渗量与湿润锋距离呈线性相关关系;分层土壤入渗过程中,当粗沙覆盖细沙且降雨强度大于下层细沙土稳定入渗率时,湿润锋以上剖面可以达到或接近饱和,当细沙覆盖粗沙且降雨强度大于细沙土稳定入渗率时,湿润锋剖面中,除细沙土部分剖面达到饱和,其余粗沙土剖面无法达到饱和,且其饱和程度和下层粗沙土土壤持水能力有关。     

The Vertical Distribution of Soil Seed Bank and Its Restoration Implication in an Active Sand Dune of Northeastern Inner Mongolia,China

Although the functions and characteristics of soil seed banks in topsoil layers have been described for various ecosystems, the spatiotemporal pattern of the seed bank in deep soil and its ecological implications for vegetation restoration of active sand dune have not been fully explored. In 2007 and 2008, seed densities with regard to dune position, soil depth and season were investigated on an active and a stabilized sand dune of northeastern Inner Mongolia, China. Seeds in the 0–10 cm topsoil layer accounted for 60% of total soil seed bank on the stabilized sand dune, while more than 40% of seeds were stored in the 50–100 cm layers on the active sand dune. Seed density declined significantly with soil depth on the stabilized sand dune, but it was relatively constant across the 0–100 cm soil profile on the active sand dune. Seed density fluctuated with soil depth on the active sand dune suggesting that seeds were either relocated upward or downward over time. Seeds of annual non‐psammophytic species accounted for the majority of soil seed bank on the stabilized sand dune, while pioneer psammophytes contributed more to the soil seed bank of the active sand dune. Our data suggest that seeds in the deep soil layers of active sand dunes account for a large proportion of the whole soil seed bank. Because of the effect of wind erosion, seeds in deep soil could be gradually exposed to shallow soil layers and potentially contribute to population recruitment and vegetation restoration on active sand dunes. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

库姆塔格沙漠西缘风况特征及沙丘运移规律

利用风况资料和Google Earth卫星影像，分析研究区域的风况特征及沙丘运移特征，并研究沙丘年运移速度、方向及其规律，对防沙治沙手段的提高具有重要意义。结果表明：（1）研究区年平均风速为1.535~1.768 m/s，起沙风平均风速最高值出现在5，6月，全年起沙风平均风速的最低值出现在1月。（2）起沙风和输沙势主要分布在WSW、W、WNW和NW方位。（3）输沙势为0~26 VU，属于低风能环境；风向变率为0.5~0.9，属于中风向变率，钝双峰风况。（4）研究区沙丘年平均移动速度为12.26 m/a，沙丘平均年前移值在10 m以上，属最快速类型，平均移动方向为125.13°，与当地合成输沙方向基本一致。（5）沙丘运移速度与沙丘高度、宽度呈负相关关系，除沙丘高度、宽度以外，风速、输沙势、沙丘密度也影响沙丘的运移速度。     

应用HYDRUS-1D模拟砂质夹层土壤入渗特性

依据非饱和土壤水分运动理论,采用HYDRUS-1D软件,对砂质夹层土壤入渗特性进行数值模拟,分析各因素对砂质夹层土壤入渗规律的影响。结果表明：砂质夹层结构对土壤入渗特性有较大影响,具有暂时的阻水和减渗作用;湿润锋穿过砂层上界面后,入渗过程变为稳渗阶段,稳渗率主要受砂层质地、砂层埋深和压力水头影响,与土壤初始含水率和砂层厚度无关;砂质夹层土壤剖面水分分布不连续,上层土壤基本饱和,砂层土壤未饱和,土壤剖面含水率主要受砂层质地、砂层埋深和砂层厚度的影响。研究结果可为农业水资源利用及工程防渗技术提供理论依据。