科尔沁沙地不同地貌-土壤-植被组合单元降水入渗机理与过程模拟

来源 :内蒙古农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:furuirui
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降水入渗是半干旱荒漠化地区沙丘稳定和植被健康生长的重要水分来源,揭示降水入渗过程机理对于准确估算降水入渗过程各水分通量对半干旱区植被恢复和生态环境建设具有重要的理论和现实意义。本研究以科尔沁沙地半流动、半固定、半阳坡固定、阴坡固定沙丘、草甸地、玉米地和林地7种地貌-土壤-植被组合单元作为研究对象,以2018年研究区土壤和植被原位监测数据为基础,分析了科尔沁沙地不同地貌-土壤-植被组合单元降水入渗机理,辨识了影响降水入渗过程的驱动因子,建立了降水入渗过程模型,准确估算了水平衡各分量,在此基础上,系统分析了半流动沙丘水分深层渗漏量及其对降雨格局的响应规律。主要结论如下:(1)科尔沁沙地不同地貌-土壤-植被组合单元土壤水分具有典型的时空变化特征。时间尺度上,沙丘土壤水分表现为“正态分布”型,与降雨量具有较好的一致性,草甸地、林地和玉米地仅表层土壤水分具有明显的波动性,深层土壤水分较稳定;垂直剖面上,沙丘土壤水分变化趋势由半流动沙丘的“镜像S”型逐渐过渡到阴坡固定沙丘的“S”型,草甸地和林地土壤水分随土层深度的增加而增加,而玉米地随深度的增加先减小后增大。(2)土壤水分均属弱变异和中等变异,其中半流动、半固定、阴坡固定沙丘和草甸地均表现为随深度的增加变异性减弱,林地和半阳坡固定沙丘在土壤剖面上表现为“S”型,且半阳坡固定沙丘在80cm变异性达到最大值为75.45%,玉米地随土层深度的增加变异性先增大后减小。(3)草甸地、玉米地和林地降水入渗补给土壤水分过程较沙丘复杂。在小降雨事件发生后,不同地貌-土壤-植被组合单元易在表层土壤形成发散型零通量面,伴随降雨量的增大逐渐下移。强降雨事件发生后,沙丘产生单一入渗补给过程,而草甸地、玉米地和林地易形成入渗湿润锋面型补给过程。(4)不同类型沙丘深层渗漏量和渗漏速率与降雨量级和植被组成呈显著相关性。半流动和半固定沙丘次降雨量或累积降雨量越大渗漏速率越快,产生渗漏速率峰值的时间越短,渗漏量及其补给系数越大,而半阳坡固定和阴坡固定沙丘只有在强降雨下才会产生深层渗漏。草甸地、玉米地和林地地下水位变化与降雨量呈显著正相关,即地下水位随着降雨量的增大,抬升幅度变大。(5)半流动、半固定、半阳坡固定沙丘和林地降水入渗过程的主要影响因子为干容重、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率;阴坡固定沙丘的主要影响因子为砂粒含量、粉粒含量、有机质和饱和导水率;草甸地的主要影响因子为砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量和有机质;玉米地的主要影响因子为砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量和饱和导水率。(6)利用优化土壤水力学参数后的Hydrus-1D模型可以很好地描述不同地貌形态下的降水入渗过程,揭示了半流动和半固定沙丘深层渗漏量是降雨的主要转化形式,分别占总降雨量的57.35%和54.56%;半阳坡固定、阴坡固定沙丘和草甸地植被蒸腾是水分的主要转化形式,分别占总水分的77.15%、54.88%和76.49%。(7)半流动沙丘2016~2019年平均渗漏量为254.31mm,占同期降雨量的61.82%;降雨较为集中的6~8月份,200cm 土层以下平均渗漏量高达185.05mm,占平均渗漏总量的72.76%。降雨量级不同对深层渗漏量变化具有显著影响,22.1mm、37.3mm和70mm的降雨事件分别在第94h、81h和24h渗漏速率达到峰值,分别为0.173mm/h、0.3mm/h和0.94mm/h。高频次的降雨事件易补给到200cm深度土层,且渗漏速率增大及其峰值出现时间提前,渗漏补给过程延长及其系数增大。16~18mm降雨量是产生深层渗漏量的阈值。
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