旱生植被影響下土壤水分運移規律及數值模擬*

孟令群，聶振龍，李琪

1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所；2.中國地質科學院第四紀年代學與水文環境演變重點實驗室；3.華北水利水電大學地球科學與工程學院

民勤盆地地處甘肅省武威市北部，是河西走廊三大內流河石羊河下游盆地，荒漠化形勢嚴峻，造成該地區土地荒漠化的主要因素有：降水稀少、蒸發強烈、大風日數多、環境惡化、地下水資源環境持續惡化等[1-4]。研究民勤盆地旱生植被類型覆蓋下的包氣帶水分運移機理，分析植被與地下水的關系，可揭示植被的耗水規律，為地下合理開發利用提供理論支持和科學依據。

土壤是植物根系生長、發育和分布的場所，也是為植物生長繁殖提供水分和養分的重要區域。土壤水分的含量直接影響和危害植物的生長發育，甚至導致植被的死亡。徐偉東[5]以新疆自治區昌吉市為例來闡明地下水位發生變化后，地表植被的變化情況，結果顯示當地下水埋深1.0m-2.5m時，平均土壤含水量為22.6%；地下水埋深2.5m-4.5m內平均土壤含水量下降至16.4%；當地下水埋深在4.5m-6.5m時，平均土壤含水量為11.3%，此時土壤含水量接近部分植物凋萎時的含水量；當地下水埋深在6.5m-10m時，平均土壤含水量達到7.1%，基本小于植物的凋萎含水量，植物衰敗枯死。武選民[6]把將生長狀態良好的某一植被主根區土壤平均含水量定義為該植被的適生含水量，將生長狀態一般的植被其平均含水量定義為臨界生態含水量。根據額濟納盆地野外調查結果顯示，土壤類型不同，植被類型不同，適生含水量和臨界生態含水量也不同。Cooper等[7]發現水位的下降將導致濕地植被生長減弱，并逐漸被灌木植被取代。Chen等[8]為了研究影響土壤水分含量的因素，在土壤水文模型中加入了地下水這一影響因子，結果表明，加入地下水影響因子之后，土壤水分顯著增加，更接近于實際觀測值，且土壤水分在空間變異上受到地下水埋深影響。

本文依托國家重點研發計劃項目課題“石羊河流域地下水合理開發利用與生態功能保護研究與示范”，以旱生植被類型下土壤水分運移為主要研究方向，采用典型剖面監測和數值模擬的分析方法，分析旱生植被類型影響下包氣帶水分運移規律及植被根系吸水規律，為石羊河流域地下水合理開發利用提供科學依據。

一、材料與方法

（一）研究區概況

研究區位于民勤盆地豐慶村（103°29′59E，38°46′35″N）。試驗點地勢低平，年降水量多年平均為 75 mm，全年潛在水面蒸發量達 2660 mm。地下水位埋深在6.05m-6.66m之間波動，年平均埋深為6.3m；地下水礦化度在2.3g/L-2.5g/L之間波動，非常穩定，平均為2.46g/L；包氣帶巖性為：0-0.5m為粉細砂，地表0.5-1.95m，地層中黏粒含量較高的粉質粉土，夾薄層粉細砂；1.95-4.1為細砂，夾厚層粉土，4.1-4.15為薄層黏土，4.15-7.5為中細砂層；試驗點主要植被為沙棗、檉柳、白刺、枸杞、芨芨草。

（二）試驗設計與布置

土壤溫度、鹽分及土壤含水率利用TDR-310S進行監測，通過測量土壤的介電常數來獲得土壤的體積含水率，測量范圍在0-100%，誤差為0.1%；土壤電導率測量范圍為0-5000μs/cm，土壤溫度測量范圍在-40℃-60℃，誤差為0.1%。在本次試驗中，土壤含水率監測頻率均為30min，傳感器布置如圖1。土壤含水率探頭在垂向上的布置為：20cm、40cm、60 cm、80 cm、100 cm、120 cm、140 cm、180 cm、220 cm、250 cm、280 cm、320 cm、360 cm、450 cm。監測時間從2018年10月開始直到2019年12月。

圖1 試驗點布置示意圖

為監測地下水的動態，在點位布設地下水位計，監測地下水動態，監測頻率為30min。在試驗場布設野外自動氣象站，監測記錄降雨量、蒸發量、氣溫、風速、大氣壓等，并布設E601蒸發皿（采用高精度diver監測蒸發情況）。根據試驗點位置，分別取土樣及環刀樣進行顆分試驗和土壤水分特征參數試驗，取樣埋深如下：25cm、65 cm、105cm、120 cm、145cm、180 cm、210 cm、250 cm、280 cm、330 cm、360 cm、400 cm、430 cm、500 cm、580 cm。

二、結果與分析

（一）一維垂向包氣帶水分運移

圖5 檉柳根系吸水速率特征

試驗點土壤含水量隨時間變化如圖2，由圖可知，該剖面0-75m和100-150cm土壤含水量隨時間推移變化幅度明顯，其他土層隨時間無明顯變化趨勢，1-3月表層土壤含水量較高，3月份后由于氣候影響，土壤含水量小幅度降低。根據土壤含水量垂向分布特征可知，0-150cm隨深度增大，土壤含水量逐漸升高，150cm處達到峰值，變化幅度為0.213-0.218，由于檉柳等灌木根系吸水，使得100-150cm土壤含水量較高，由于植被根系吸水，下層土壤水分補給上層，150-300cm土壤含水量大幅度降低，在220cm出現谷值，變化幅度0.0629-0.0698；220-300cm是沙棗樹的吸水層位，該層土壤含水量升高，下層土壤水分補給上層，由于在埋深410cm以下存在厚約5cm的黏土隔水層，該層的存在使得潛水毛細水難以上升，而上部的降水及灌溉等在入滲過程中被淺層的植被根系吸水，導致350cm土壤含水量出現谷值，變化幅度為0.0335-0.0341；400cm以下土壤含水量主要受地下水變化影響，在毛細水作用下含水量隨深度逐漸達到飽和。

圖2 試驗點土壤含水量隨時間變化圖

（二）二維包氣帶水分運移

試驗點土壤水分等值線變化，由圖可知，該點位包氣帶土壤含水量變化小，分層明顯，主要受包氣帶巖性控制，近地表土層含水量受氣候條件影響變化較大。由于降水稀少且蒸發強烈，0-75cm地表土壤含水率全年均小，并在蒸發最強烈的7-8月形成干旱峰值，50-75cm之間草本植物根系發育較好，受根系吸水作用的影響，該層位土壤含水率略好。100-150cm土層為粉粘和粉細砂互層，土壤含水量較高，大于0.1658，為檉柳等灌木的主要吸水層位。埋深150cm-350cm時，土層為細砂和粉質黏土互層，含水率大幅降低，在細砂層位含水率為0.05左右，在粉質黏土層位含水率略高，達到0.1105。在埋深410cm以下存在厚約5cm的黏土隔水層，該層的存在使得潛水毛細水難以上升，而上部的降水及灌溉等在入滲過程中被淺層的植被根系吸水，導致350-400cm存在0.5m厚的干層，含水率在0.052-0.14之間。400-460cm土層含水率主要受潛水變化影響，在毛細水的作用下含水率從上到下逐漸升高，在潛水面附近達到飽和。

（三）地下水變化對土壤水分運移影響

試驗周期內地下水動態變化對土壤水分影響如圖3，由圖可知2018年11月至2019年4月，地下水位呈波動性變化，平均值為6.2m；4月份后，水位逐漸降低，9月份水位達到谷值；9月份后，蒸發強度降低，降水容易入滲補給給地下水，使得地下水位逐漸抬升。根據地下水位與土壤含水量關系可知，0-450cm土壤含水量不隨地下水位變化而變化，說明該層土壤含水量變化與地下水位無關，450cm以下土壤含水量隨地下水位有小幅度的變化，說明450cm以下土壤含水量變化受到地下水變化影響。

圖3 地下水位埋深與土壤含水量動態變化特征圖

（四）包氣帶水分運移數值模擬

HYDRUS-1D 是美國農業部鹽土實驗室開發的模擬非飽和介質中一維水分、熱量、溶質運移的模型，被廣泛應用于室內和野外試驗中水分和溶質運移模擬等方面[9]。

包氣帶水分運移模型采用Richards方程來描述土壤水分運移過程，忽略土壤水分在水平和側向上的運動，僅考慮一維垂向水流運移，即水流運動方向為垂直方向的單相一維流時，建立數學模型如下：

式中：C(h)為土壤容水度（1/cm）；

K(h)為非飽和滲透系數（cm/d）；

h為壓力水頭或基質勢（cm）；

S(z,t)為單位時間單位體積土壤根系吸水率（1/d）；

t為時間變量（d）；

Z空間變量（cm），地表為原點，向下為正；

L為潛水埋深（cm）；

h0(z)為初始壓力水頭分布（cm）；

ε(t)為入滲強度（cm/d）。

根系吸水率表示單位土壤體積在單位時間內因根系吸水而損失的水分含量，本文采用Feddes模型，即：

式中：α(h,z)為水分脅迫反應方程；

β(z)為根系吸水分布函數（cm-1）；

TP為作物潛在蒸騰率（cm/d）。

初始條件選擇為實際觀測數據，采用當天剖面各個傳感器位置實際測量的土壤含水率，相鄰監測點之間含水率按照線性插值方法自動給出。識別期2018.12.01-2019.03.31，驗證期2019.07.01-2019.09.30。上邊界選擇大氣邊界，將下邊界取到潛水面，即定水頭邊界。選擇時間步長為1d，剖面深度為600cm，空間步長Δz為5cm，共剖分121個節點。

Hydrus-1D進行參數的反演優化過程設置完畢后，運行模型，待模型成功收斂后，在模擬結果中設置觀察點，軟件會自動將含水率模擬值和實測值繪制圖件進行對比，觀察擬合效果。在充分了解各個參數物理意義的基礎上，在模型的擬合過程中不斷調試相關參數，使計算值和觀測值的相對誤差小于15%，方可認為識別出的參數真實可靠。

圖4-圖6為地下水埋深在6.0m上下波動時，沙棗樹、檉柳和枸杞的根系吸水特征。由圖可以發現，沙棗樹在垂向上，7月份根系吸水率整體最大，主要是由于地下水埋深越大，上層土壤水分降低，沙棗為了生存，需要扎根到土壤深層中去吸收水分，使得剖面內根系吸水率出現波動性變化，但20 cm以上9月份根系吸水率最大，7月份根系吸水率最小，這主要是由于9月份相較于7月份降水量大，蒸發小的緣故；檉柳根系隨深度增加，180-220 cm之間根系吸水率達到最大，主要是由于地下水埋深越大，上層土壤水分降低，檉柳為了維持生存，需要扎根到土壤深層中去吸收水分；枸杞根系吸水速率在垂向上呈先增大后減小再增大的趨勢，由于植被生長對水的需求增大，因此根系吸水速率也在增大，吸水層次不斷下移，主要集中在10-20 cm 之間，且枸杞根系在土壤深層90-120 cm上根系吸水也是增大的。

圖4 沙棗根系吸水速率特征

圖6 枸杞根系吸水速率特征

三、結論

（1）當地下水埋深大于6 m時，土壤溫度和地下水對包氣帶淺層土壤含水量幾乎沒有影響。

（2）通過對研究區優勢植被根系吸水速率分析，得出植被在生長過程中根系吸水速率分布特征。7-8月植被生長成熟期間，由于氣溫升高，蒸發量較大，植物需水量增加，根系吸水速率增強；9月份以后植被進入衰退期，植被吸水能力逐漸減弱。另外，9月份后蒸發量相對降低，降雨量增加，淺層土壤含水量增大，該區域根系吸水速率增大。

（3）當地下水埋深≥6.0 m，植被根系完全分布在包氣帶中，由于上層土壤水分含量降低，植被為了維持生長，部分根系向著土壤深層中土壤含水量高的地方延伸，土壤深層根系吸水速率增大。9月份最大根系吸水深度相對最淺，這可能是由于9月份降水量增大，蒸發減小，且在9月份后植被逐漸處于衰敗期，深層吸水能力降低，淺層土壤水分可以供給植被生存。

相關鏈接

地下水埋深是指地下水水面到地表的距離。一般所稱的地下水是指潛水。

潛水 （Underground water）埋藏在地表以下第一穩定隔水層之上，具有自由表面的重力水。潛水的自由表面稱潛水面，潛水面的絕對標高稱為潛水位，潛水面距地面的距離稱為潛水埋藏深度，即地下水埋深。一般埋藏在第四紀疏松沉積物的孔隙中或出露地表基巖的裂隙中，它的埋藏深度及含水層厚度各處不一，有時相差很大，山區地表切割厲害埋藏較深，含水層厚度差異較大；平原地表切割微弱，埋藏淺，甚至出露地表，形成沼澤，含水層厚度差異小。同一地區，潛水埋藏深度及含水層厚度，有季節變化，多雨季節，補給量較多，因而含水層厚度增大，埋藏深度變淺；干旱季節則相反。潛水一般埋藏較淺，分布較廣，便于開采，廣泛地用作供水水源。但由于含水層之上無穩定隔水層存在，所以容易受到污染。