沙地蒸散發及地下水動態變化試驗分析

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沙源之一，早在19世紀以前，沙地較為平坦，植被覆蓋率較高，形成了較為穩定的稀疏森林草原生態系統。后來由于過度開墾和放牧，導致出現了次生沙丘，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，導致農業生產不穩定，沙塵暴災害頻發[1]。近年來，隨著我國農村經濟體制的改革，以前屬于集體所有制的沙丘地已由農民承包經營，由農民自主經營，有的過度使用，開辟荒地，放牧和打柴，導致土地嚴重沙漠化。如何更好地開發和管理這些土地，即投資少、見效快、效益高，已成為農村生態環境建設和農民富裕亟待解決的技術問題。

目前，沙漠化防治研究與控制項目已引起全社會的廣泛關注，已融入到各種學科當中，并吸引了許多部門的參與，不僅林業、農業等部門正在開展荒漠化防治工作，水土保持、環境保護等部門也在關注荒漠化防治工作，利用各自的專業條件，建立了實驗示范區[2]。

沙漠化的持續發展和擴大離不開人類活動的強烈干擾，主要是指以大規模掠奪性旱作物種植作為特征的經濟活動，人類活動不當，破壞了地表保護層，使風直接作用于下伏沙基，加速了土地沙漠化的演變進程[2]。可以說，人為破壞是該地區土地荒漠化自然過程的有力催化劑，如果沒有這種催化劑，沙漠化的自然進程將非常緩慢，而且不明顯。當人為破壞力與自然破壞力相結合時，沙漠化發展迅速，甚至整個生態系統被破壞，生態系統對外界干擾具有一定的自我修復能力。

當人類活動以草原畜牧業生產為主時，破壞草原生態系統的過程相對緩慢，草原植被發育、層次較深的草原植被的自我修復能力足以抵消人為因素的不利影響，生態系統是完全可靠的，其自身的力量可以逐漸得以恢復，此時，受損程度較低的地區也逐漸恢復，生態系統整體未出現退化狀態。

2 草地與裸地蒸發比較

土壤水分蒸發作為一個物理過程，是沙地水循環的重要環節，這不僅與土壤水分的動態變化密切相關，而且直接關系到干旱半干旱地區植被重建的成敗[3]，研究沙漠化草地蒸散發和裸地蒸發，對于采用合理的灌溉系統和節水技術，合理利用有限的水資源，在一定的水分條件下開發利用沙地具有重要的現實意義。

2.1 試驗設計

采用蒸發桶測定草地蒸散量和裸地蒸發量，即蒸發桶由1mm厚的鐵皮制成，內筒高45cm，內筒直徑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，設置遮雨罩，將內筒放入夾套筒內。試驗設置兩個處理，重復3次，處理一為裸沙土，處理二為堿草3株，桶內填充40cm土壤厚度，33.0kg干沙重量，用精度為0.1g的電子秤測量灌溉至田間的水量，每隔一天稱重一次，實驗于2018年8月進行。

2.2 試驗結果

土壤水分蒸發是土壤水分通過土壤表面進入大氣，導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量變化趨勢大致一致，在相同控制條件下，草地蒸發量大于裸地蒸發量，平均為裸地蒸發量的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，在整個觀測期間，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，從水量平衡的角度來看，在一定區域內的綠色植分布面積或覆蓋范圍應具有適當的比例，以保持有限水資源的可持續利用，不因缺水而導致植被枯萎，導致沙地的進一步活化。

3 沙地地下水動態變化

降水量的增加有利于地下水資源的補充和植被的有效生長，同時降水量的減少可以抑制沙漠化的發展。近年來，我國一些沙漠化地區的植被不斷惡化，沙漠化程度越來越嚴重，已從社會、經濟、環境等方面對其成因進行了研究。然而，由于缺乏對地下水資源動態的長期定位觀測，使得人們對地下水資源變化及其與氣候變化和荒漠化發展的關系缺乏足夠的認識[5]。因此，研究沙地地下水位的演變規律，繪制觀測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系，對沙化地區地下水的開發利用和保護具有重要意義。

彰武北部年平均降水量為506～532.1mm，年平均氣溫為6.0～7.3℃，空氣相對濕度為59%～60%，風速為3.5～4.2m/s，以彰武北部的氣象資料為參考，沙地干旱貧瘠，降水是生態因子的主導因子，彰武地區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 試驗方法

試驗區內設置16口地下水觀測井，4—10月每5天觀測一次地下水位變化過程，11—3月每15天觀測一次，在降雨前后對地下水進行加測水位變化，從2017年6月至2018年12月連續18個月采用人工觀測方法進行觀測。

3.2 地下水水位動態變化分析

3.2.1地下水位日間變化

地下水位隨降水量變化而發生相應變化，試驗結果表明，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關系，如圖2—3所示。可以看出，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，地下水水位相應增加了13cm，平均增長率為2.6cm/d，這是觀測期間地下水最大值。

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致的[6]，隨后，地下水位繼續下降，到4月10日，地下水位下降了9cm，變化為16cm，這可能是因為植物開始生長并隨著溫度升高蒸騰消耗水分所導致，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升趨勢。

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

該地區地下水位的年變化與降水量的年變化呈顯著的正相關關系[7]如圖4所示，該區地下水位變幅年內變化較大，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，第二個最大埋深發生在6月，為3.63m，第二個最小埋深出現在10月，為2.92m。1—4月，由于降水量較少，地表蒸發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，隨著5—8月降水量的增多，受降水量補給的影響，地下水位繼續上升。

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聯性，2018年的兩個降雨峰值也造成了兩個地下水位向上波動的峰值，但也存在一定的滯后性。2018年5月，降水量為108.7mm，1個月后地下水位上升12cm；2018年8月，最大降雨量為168.8mm，1個月后地下水位上升了23cm，3個月后地下水位上升了34cm。

結果表明，降水是半干旱區東北西沙地地下水補給的主要來源，地下水位變化與同年降水量的相關系數較低[7]，但高于前一年或兩年，由于本研究地下水觀測資料時間較短，需進一步研究地下水位變化與降水量變化的年際相關性[8]。

圖4 2018年地下水位變化與降雨變化比較

4 結語

通過上述試驗可知，草地蒸散量趨勢與裸地蒸發量趨勢基本一致，在相同的控制條件下，草地蒸發量大于裸地蒸發量，平均為裸地蒸發量的1.5倍，地下水位隨降水量的變化也相應發生變化，而降水量是影響地下水位變化的主要環境因素，呈顯著的正相關關系[9]。