地下水浅埋条件下毛乌素沙地农田土壤水分动态特征

为揭示毛乌素沙地春玉米农田在地下水浅埋条件下土壤水分动态特征,本文进行了多年春玉米生长期内农田土壤含水率与地下水埋深监测.监测结果表明:毛乌素沙地种植区浅层土壤含水率随深度增加而变小,深层土壤含水率随深度增加而变大,在枯水年浅层和深层的分界线为50 cm;浅层土壤含水率变化主要受降雨、蒸发、灌溉等外界因素影响,含水率波...     

石英光释光测年揭示的晚第四纪毛乌素沙地演化

本研究利用石英光释光测年的单片再生法(Single­aliquot Regenerative­dose Protocol,简称SAR)对毛乌素沙地内部西北－东南方向5个风成砂－砂质古土壤剖面进行了年代测定,结合年代框架和剖面沉积相、磁化率及粒度特征探讨了晚第四纪以来毛乌素沙地演化和气候变化。研究表明毛乌素沙地在晚第四纪以来经历了多次沙地固定与活化的交替演化： 距今91.0ka,71.0ka,48.0ka,22.0ka,11.6ka,5.0ka,1.1ka,1.0ka和0.4ka前后风成砂沉积,沙地活化,指示气候干旱,植被覆盖度低; 在距今65ka和全新世适宜期(8.5～5.0ka),沙地固定成壤,砂质古土壤发育,指示气候湿润。另外,剖面中风成砂层数变多、厚度增加、粒径变粗指示了晚第四纪以来毛乌素沙地干旱化趋势加强。     

环境因素对毛乌素沙地旱柳树干液流的影响分析

在干旱-半干旱地区,研究植物的耗水特征及与气象因子、地下水水位的关系对水资源合理开发利用和生态环境保护具有重要的意义。采用原位监测方法,对气象、树干液流、土壤含水率和地下水水位进行了观测,研究了毛乌素沙地广泛分布及与地下水关系密切的旱柳与气象因子、土壤含水率以及地下水水位的关系。研究表明:水汽压亏缺和潜在蒸散发是控制旱柳耗水最重要的气象因素;研究期内,土壤含水率对旱柳耗水的影响较小;旱柳的耗水与地下水具有密切的关系,随着水位埋深的增大,旱柳的耗水先增大后减小,在水位埋深1.25 m处达到最大。利用地下水的昼夜波动计算了地下水的蒸散发消耗量,发现旱柳的用水与地下水的蒸散发消耗量具有一定的相关性,表明地下水是旱柳重要的用水水源。     

毛乌素沙地风沙滩区降水入渗响应研究

为研究毛乌素沙地地下水浅埋区降水入渗补给滞后响应时间,确定补给滞后的影响因素,为该地水文生态保护与地下水资源评价提供科学依据,以陕北毛乌素沙地风沙滩区为研究区,基于原位试验数据和相关分析法,分析土壤含水率和地下水位对降水入渗的响应机制,运用土壤水均衡分析探讨降水入渗响应与各影响因素的关系式。结果表明,小雨型降水土壤含水率响应深度为0~10cm,中雨型为10~90cm,大雨型与暴雨型均>90cm。最大响应深度z与降水量P显著线性相关。在地下水位一定的前提下,随着前期累计降水增大,当前降水入渗响应深度也增大,前期累计降水对当前降水入渗的影响时段在144 h以内。雨后土壤水分与地下水补给均存在滞后。入渗响应滞后时间与土壤深度呈正比,与降水强度和土壤初始导水率的差成反比。     

青藏高原多年冻土活动层土壤水分对高寒草甸覆盖变化的响应

对青藏高原高寒草甸30%、60%和93%三种覆盖度下,多年冻土活动层的土壤水分随季节变化的观测研究,结果表明:多年冻土活动层土壤水分分布对植被覆盖变化响应强烈.年内不同时期,植被覆盖度为65%和30%的土壤表层20cm深度内水分含量及分布相似,每次降水后30%覆盖度土壤水分的变率略大于65%覆盖度的;而93%覆盖度土壤水分在年内解冻开始到冻结前均小于前两种覆盖类型;植被覆盖度越小,土壤冻结和融化响应时间越早,响应历时也越短;浅层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度较强,接近深层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度降低.覆盖度为30%和65%土壤水分在整个冻结过程的减少幅度比93%覆盖度土壤大10%～26%,而融化期水分增加幅度更大为1.5%～80%;土壤冻融的相变水量对植被覆盖度变化响应明显,植被覆盖度降低,土壤冻结和融化相变水量增大.由于受植被蒸腾与地表蒸散发和土壤温度梯度的影响,融化期土壤剖面的水分重新分配,总体上呈现水分向剖面上部和底部迁移,剖面中部60～80cm深度左右的土壤出现"干层".     

末次盛冰期和全新世大暖期毛乌素沙地的空间变化

沙漠/沙地边缘和内部的古风成沙层、砂质古土壤是重建晚第四纪以来地表变化的直接地质证据.位于我国北方半干旱区的毛乌素沙地,其地表过程对气候变化响应敏感.在对毛乌素沙地进行野外拉网式调查以及前人研究的基础上,我们在沙地南部和东部的沙漠-黄土过渡带发现了大量的埋藏古风成沙丘沉积,指示了干冷期沙漠扩张的最南、东界限;沙地内部广泛发育的砂质古土壤则表明在气候相对暖湿期地表植被生长,土壤发育,沙丘基本被固定.对14个典型风成沙/黄土/古土壤沉积剖面进行了光释光年代学样品的采集和测试,结合空间分析和他人研究结果,发现在末次盛冰期(约26 ～ 16ka),毛乌素沙地的流动沙丘向南、东扩张,扩张距离现代边界约30～ 50km,面积扩大至少约10000km2,占现代沙地面积的25％;在全新世大暖期(约9～5ka),毛乌素沙地大部分被固定,发育了较厚的砂质古土壤.研究结果揭示了毛乌素沙地的地表过程对末次盛冰期和全新世大暖期气候变化的直接响应.     

黄土高原关键带全剖面土壤水分空间变异性

土壤水分是黄土高原关键带水循环、地下水补给和植被恢复的关键因素。为揭示黄土高原关键带黄土整个剖面的土壤水分空间变化特征,通过土芯钻探的方式获取了黄土高原关键带5个典型样点（杨凌、长武、富县、安塞和神木）从地表到基岩的土壤水分样品,采用经典统计学和地统计学相结合的方法分析了剖面土壤水分的分布规律、变异特征及空间结构。结果表明:黄土高原关键带剖面土壤水分从南往北,土壤平均含水量由高变低;5个样点的土壤水分均为中等变异,随着深度由40 m增加到200 m,土壤水分变异性变弱,且样点之间的土壤含水量差异降低;地统计学分析表明样点的半方差函数能被理论模型较好地拟合（杨凌除外）,指数模型能够描述大部分样点深剖面的空间变异结构。相关结果有助于了解黄土高原深层土壤水分状况及分布规律,对于黄土高原土壤水资源估算和区域植被恢复具有重要价值。     

基于包气带水分运移数值模型的黄河三角洲蒸发量研究

蒸发是重要的水循环过程,在野外试验和室内分析的基础上,建立了黄河三角洲地下水浅埋区观测试验场土壤水分运移数值模拟模型,模型中对上边界条件处理采用了考虑气象因素、地表覆盖条件和表层土壤含水量的Penman Wilson公式。利用模型对试验点1999年、2000年、2002年的蒸发量进行了数值模拟计算,计算并分析了裸地、棉花地、芦苇地不同地表植被条件下,地表蒸发量(包括棵间裸地蒸发量和植物蒸腾量)的变化规律。从时间上看,黄河三角洲7、8月是蒸发量较高的时期, 1、2月是蒸发量最低时期,一般日蒸发量在0~8 mm/d。影响地面蒸发的主要因素除气象因素外,还有植被类型和覆盖程度、地下水位埋深等因素。植被覆盖程度越高、地下水位埋深越浅,则蒸发量越大,从而导致裸地蒸发量相对较小,农田年蒸发量稍大,而芦苇地蒸发量最大。研究表明,土壤水分运移模型是估算各种复杂条件下蒸发量的有效工具。     

草原化荒漠带人工固沙植丛区土壤水分动态

研究土壤水分动态有助于在水文过程与生态格局之间建立定量的联系。以大型自动称重式蒸渗仪为试验设施,对草原化荒漠带固沙植丛区与无植被沙区土壤水分动态及蒸散发进行对比研究。结果表明,观测期内植丛区及无植被沙区土壤水分变化均与降水过程高度相关,油蒿与柠条植丛区总蒸散量大体相当,平均蒸散速率分别为1.31mm/d,1.22mm/d。受固沙植物种生育期差异与降水年内分配变化的综合影响,当经历连续30多天无雨期时,柠条植丛区土壤水分骤降,根系密集区土壤体积含水率降低至0.5%以下,平均蒸散速率由前期的2.2mm/d降至0.6mm/d。油蒿植丛区土壤体积含水率在1%左右变化,平均蒸散速率由1.8mm/d降为0.9mm/d,仍高于柠条植丛区达50%。无植被沙区土壤体积含水率保持在大于2%的水平,平均蒸发速率由1.1mm/d减小至0.4mm/d,平均为0.78mm/d,约为植丛区平均蒸散速率的60%。土壤深层渗漏量达113.4mm,占降水量的40.5%,渗漏速率平均为0.63mm/d。人工固沙植被有效地利用了这部分降水资源,使得植丛区土壤水分无深层渗漏。     

末次冰期毛乌素沙地湖泊消涨过程:沉积证据

毛乌素沙地位于东亚季风边缘区,对于气候变化响应敏感.基于沙地的侵蚀-堆积关系,在侵蚀作用为主的沙地西北部和中部很难找到沉积相对连续且分辨率较高的地层剖面,因此已有的末次冰期古气候环境研究多集中于堆积作用为主的沙地东南缘的萨拉乌苏河河谷地区.本文选取位于沙地腹地,厚度为3.5 m的风成砂-河湖相沉积序列——神水台(SSTG)剖面为研究对象,基于AMS 14C和OSL年代数据,推测得出剖面中湖相层的上界和下界分别为约24.2 ka B.P .和42.7ka B.P.,依据沉积地层和环境代用指标分析结果,针对末次冰期毛乌素沙地湖泊消涨的一般过程进行了探讨.结果表明,自约5万年以来,由神水台(SSTG)剖面指示了两次明显的湖泊主要发育期,时间分别约为42.7~34.3 ka B.P.和31.1~24.2 ka B.P.,期间粘土含量、有机质、红度均表现为低值,为含淡水螺壳化石的典型湖泊相沉积,且与毛乌素沙地已有湖泊发育的年代结果基本一致.在两期湖相层之间的砂层,平均粒径、砂含量表现为峰值,指示了一次明显的湖泊消退的过程,其时间约为34.3~31.1 ka B.P.;在湖相层上下可能均为风力作用为主导的风沙沉积.通过区域对比并初步探讨其可能的驱动机制,结果表明SSTG剖面记录的湖泊消涨过程主要受控于东亚季风强度的变化.     

Spatial distribution characteristics of soil moisture in different types of sand dune in the Mu Us Sandy Land,adjacent to north of Chinese Loess Plateau

The distribution of soil moisture in arid and semiarid regions is a major environmental factor and is regulated by regional topography, vegetation and soil texture. Here, we present the results of a study of the spatial distribution characteristics of soil moisture in the Mu Us Sandy Land, which is the transitional area between the northwestern deserts and the Chinese Loess Plateau, in North China. Samples were taken from holes drilled to a depth of 4 m in 52 different microtopographic positions on different types of dune (bare dunes, shrub-covered dunes and tree-covered dunes). The sites were located in the northwestern margin, the central region and the southeastern margin. All samples were analyzed for moisture content and grain size distribution. The results show that: (1) for the same type of dune, the soil moisture content varies in different microtopographic positions. The soil moisture content on windward slopes is greater than on leeward slopes in the shrub-covered dunes and the tree-covered dunes, while this is the case in only some of the bare migratory sand dunes. In addition, the soil moisture content on leeward slopes is greater than on the corresponding windward slope. (2) The vegetation type and density have a large influence on the moisture content of sandy soils; specifically, the presence of shrubs and trees significantly affects the soil moisture content of windward and leeward slopes and the inter-dune lowland. (3) Soil moisture content is positively correlated with the clay and silt content of sandy soils. From northwest to southeast across the Mu Us Sandy Land, the silt and clay content increases gradually; however, in the case of dunes covered with planted trees, a peak in the content of fine-grained material occurs in the central region, while for shrub-covered sand dunes, the peak occurs in the southeastern margin. In addition, the correlation between soil moisture and soil grain size distribution of the three types of dunes varies from northwest to southeast. (4) The proportion of fine-grained material and the correlation between the content of fine-grained material and soil moisture are the two main factors influencing the soil moisture distribution of the different types of dune. A soil moisture concentration index can be used as a rough indicator of the distribution characteristics of soil moisture.     

毛乌素沙地冻融期气态水迁移机理及影响因素

受冰-水间相变影响, 冻融期内土壤水、热传输过程变得复杂, 研究气态水分布特征与运移规律, 可为厘清冻融过程中沙地包气带水文循环机理提供关键信息。通过在毛乌素沙地建立原位监测点, 并利用修改后的Hydrus-1D冻融程序建立包气带水-汽-冰-热耦合数值模型, 对冻融期包气带气态水迁移过程展开研究。结果表明: 模拟与实测土壤水分及温度变化拟合较好, 证实所建立的模型具有良好的精度以及适用性; 对比典型未冻结、初始冻结、向下冻结以及融化时段结果可知, 冻融过程会改变剖面土壤水分、含冰量以及水汽密度分布, 其中水汽密度变化与温度联系紧密; 冻结后, 由温度梯度驱动的非等温气态水通量在总水分通量中的占比超过90%, 表明气态水占据主导地位, 其运移过程对于剖面土壤水分分布以及高含水量带出现有重要影响。     

The effects of the last glacial paleo-aeolian sands on desertification in northern China

In this paper, nine sediment sequences in the inner desert, desert-loess transitional zone (agro-pastoral transitional zone) and the northern margin of the Loess Plateau were investigated to study the sediments of Mu Us (Maowusu) and Otindaq (Hunshandake) sandy land in northern China since the last glaciation. All of these sequences consisted of the upper Holocene dark paleosol and the lower aeolian sand formed during the last glacial stage. The Mu Us and Otindaq sandy land became the active desert since the last glaciation and covered a larger sandy area than at present. Mu Us sandy land began to show a landform of sandy desert and expanded southward towards the northern boundaries of the Loess Plateau. The Holocene was characterized by the advent of warmer and wetter climatic conditions in northern China, resulting in the rapid growth of surface vegetation and Mu Us and Otindaq sandy land became a steppe. The thickness of surface soil reached up to as much as 50–80 cm. Thick paleosol covered the drift sands, and served as a protective layer for the steppe and farmland. Although the last glacial cycle is far away, paleo-aeolian sands formed during that period are still the material sources of regional desertification. Unreasonable cultivation destroying the Holocene paleosol, combined with dry climate and strong wind would result in activation of paleo- aeolian sand leading to the desertification of the study areas.     

毛乌素沙地植被与地下水关系

以植被的种群和盖度、地下水埋深、包气带含水率、地下水矿化度和包气带含盐量等指标,研究毛乌素沙漠腹地地区植被与地下水的关系,确立了研究区优势植被沙蒿（Artemisia）、沙柳（Salix psammophila）和苔草（Carex）的适生地下水埋深、包气带含水率、地下水矿化度和包气带含盐量。研究表明：地下水埋深、包气带含水量对植被种群影响非常敏感,而地下水矿化度和包气带含盐量则为不敏感指标。另外,地下水埋深对以地下水为水分来源的植被盖度较为敏感,而总盖度为不敏感指标。     

陕北毛乌素沙地生态修复效果分析

应用“3S”技术与土壤化学方法,对毛乌素沙地榆林市境内区域的沙质荒漠化土地进行了近45年来变化研究与生态修复效果分析,研究结果表明:研究区土地的沙质荒漠化强度以轻度、中度为主,治理方式以人工修复为主;1975—2019年沙质荒漠化的分布面积与强度呈现先快速发展而后逆转的变化特征。其中,1975—2007年沙质荒漠化的发展与过度放牧、荒地开垦及矿产资源开发等人类活动及强度密切相关。2007—2019年的逆转与生态调控政策及治理工程的实施密切相关。人工修复地区的土壤养分含量优于自然修复地区,在同等背景的自然修复条件下,不同成因的沙质荒漠化土地土壤养分含量有一定区别。采用人工修复与自然修复相结合的方式,以人工修复促进植被自然修复能力,是研究区有效的生态修复方式。     

渭河流域西部季节冻融对浅层非饱和土壤水热变化的影响

以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为研究区域,建立了野外观测场地,对该区域浅层非饱和土体冻融过程及水热运移规律对气候作用的响应过程进行了研究与分析。结果表明：气温对地温及地温变幅的影响随深度增加而迅速衰减,地温振幅随深度增加按指数规律衰减且温度波的相位随深度的增加而滞后,地表下200 cm深度以内地温振幅受气温影响较大。该区域裸露地表土壤的最大冻结深度在20～50 cm之间。在土壤冻结过程中,深层土壤未冻水逐渐向冻结层运移,导致深层含水量逐渐减少。不同深度土壤冻结系数随土壤深度的增加而减小,融化系数则相反。地表下50 cm深度以内的土体含水量受降水影响波动显著。土壤含水量与温度呈相似变化,地温峰值出现的时间总滞后于土壤水分,其变异程度均随土壤深度的增加而减小。     

乌兰陶勒盖水源地地下水开采的植被生态风险研究

乌兰陶勒盖水源地位于毛乌素沙漠腹地,地表水体不发育,植被生态相对脆弱。水源地大规模开采引发的地下水位下降将会对区内的植被生态造成一定的破坏。采用样方调查方法,对区内植被生态现状进行了调查,将区内植被分为荒漠、低湿和沙地三种植被类型;对植被覆盖度与地下水位的关系进行了探讨,得出植被生存的最佳水位是1.1～3.0m;运用GIS软件对区内植物现状与地下水位埋深进行了敏感性分区研究。试探性的建立开采条件下的植被生态风险指数,并根据指数值的大小进行风险性分区,结果表明,在选定的开采方案下,高风险区和中风险区的分布面积较小,而低风险区的面积最大,从而说明在乌兰陶勒盖水源地新增地下水开采量11.82万m3/d的情况下,不会对生态植被造成大的影响。     

青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析

青藏高原多年冻土区活动层土壤的入渗规律研究是高寒区土壤水循环过程研究的主要内容。以青藏高原多年冻土区高寒沼泽草甸、高寒草甸和高寒草原的活动层土壤为研究对象,裸地为参照对象,分析了不同植被类型土壤的入渗规律及其主要影响因子。结果表明：不同植被类型土壤的入渗能力排序为高寒草原>裸地>高寒草甸>高寒沼泽草甸。高寒草甸土壤中致密的根系对土壤水分的运移具有强烈的阻滞作用,降低了土壤的入渗性能,而高寒草原土壤层根系较为稀疏,对土壤入渗的阻滞作用较弱,土壤水分向深层的渗漏速率较大。通过对比4种土壤入渗模型的模拟结果,发现Horton模型更适用于描述高寒草地土壤水分的入渗过程。另外,不同入渗模型对裸地入渗过程的模拟均优于其他植被类型草地,说明植被类型及植物的生长状况影响土壤入渗过程的模拟效果。全球变暖条件下,多年冻土区土壤入渗研究将为青藏高原多年冻土区陆地水文过程模型提供参数支持,为未来水资源变化研究提供基础数据。     

毛乌素沙地全新世地层粒度组成特征及古气候意义

分析结果显示,毛乌素沙地粒度自西北至东南逐渐变细、磁化率值逐渐变大。这一规律不仅表现在地表,而且在不同地点同一层位也有明显反映。说明了毛乌素沙地的形成过程与东亚季风联系密切。就所选剖面分析来看,本区在更新世晚期及全新世早期气候比较寒冷干燥,东亚冬季风影响较明显,此时为堆积成沙期,自北至南堆积的砂粒渐细,砂层渐薄;全新世中期气候温暖湿润,东亚夏季风影响显著,此时为较明显的成壤期,表现在自北至南普遍可见发育较好的黑垆土层,且南部的成壤作用比北部好,土壤的厚度也大;全新世晚期至今,气候向干冷的方向转化,但变化幅度远小于末次冰期     

黄土高原南北样带不同土层土壤水分变异与模拟

为掌握黄土高原区域尺度土壤水分的时空分异特征及其影响因素,在黄土高原布设一条南北方向样带（N=86）,动态监测0~5 m剖面土壤含水率。采用经典统计学方法分析了土壤蓄水量的分布规律、变异特征及影响因素。结果表明:不同土层土壤水分均呈中等程度变异,并由南向北递减,样带0~5 m剖面平均土壤蓄水量为735 mm;随着土层深度的增加,土壤水分在空间上的变异增强,而在时间上的变异减弱,表明深层土壤水分具有较强的时间稳定性特征。干燥度、黏粒、归一化植被指数和坡度是影响区域土壤水分空间分布的主要因素,可作为一定置信水平上预测区域土壤水分空间分布状况的预测变量。