第22卷 第2期2008年2月
干 旱 区 资 源 与 环 境JournalofAridLandResourcesandEnvironment
Vol.22 No.2
Feb.2008
文章编号:1003-7578(2008)02-001-05
＊
中国西北干旱区生态地下水埋深适宜深度的确定
樊自立,陈亚宁,李和平,马英杰,艾里西尔·库尔班,阿布都米吉提
(中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐,830011)
提 要:干旱区影响天然植被生长的土壤水分和盐分,都和地下水埋深密切相关。地下水埋藏浅,在强烈的蒸发作用下,溶解于地下水中的盐分沿毛管上升水流于地表聚集,使土壤发生盐渍化,产生盐胁迫。地下水埋深过低,毛管上升水流不能到达植物根系层,植物生长受到水分胁迫,发生荒漠化。因此,确定既不会使土壤发生盐渍化和荒漠化的地下水埋深十分重要。本文根据地下水、土壤水及植物生长状况综合研究,把适宜的地下水埋深界定为在温带荒
漠区1.5—4m,暖温带荒漠区2.0～4.0(4.5)m,即在潜水的强烈蒸发深度以下和蒸发极限深度之上的区间,为防治土地盐渍化、荒漠化和估算生态用水提供了科学依据。
关键词:西北干旱区;生态地下水埋深;适宜深度确定
中图分类号:TV213.4文献标识码:A
干旱区降水稀少,地带性荒漠植被十分稀疏,而对生态起重要作用的是覆盖度较大的非地带性中生和中旱生植被,它们主要是依靠地下水维持生命,分布在河旁、湖边及扇缘地下水溢出带,其生长状况与潜水
埋深有十分密切关系,因此,可把能维持非地带性自然植被生长所需水分的浅层地下水埋藏深度称作生态地下水埋深。
干旱区影响植被生长的土壤水分和盐分,都和地下水位高低密切相关。地下水埋深浅,在蒸发作用下,溶解于地下水中的盐分沿毛管上升水流在表土聚积,使土壤发生盐渍化,产生盐胁迫,不利植物生长。地下水埋深过低,毛管上升水流不能到达植物根系层,使土壤干旱,植物生长受到水分胁迫,发生荒漠化。因此,确定既不会使土壤发生强烈盐渍化又不会发生荒漠化的地下水埋深界限是十分重要的。从防治土壤盐渍化角度讲,地下水埋藏深,可减少土壤积盐,有利于盐分淋洗;但从防治荒漠化角度来讲,地下水埋深过深,若无灌溉,植物所需水分不能由地下水供给,可促进风蚀沙化发展,两者是相互对立和矛盾的,因此,把既能减少地下水强烈蒸发返盐,又不造成土壤干旱而影响植物生长的地下水埋深称为适宜生态地下
[1]
水埋深。确定干旱区的适宜生态水位,对生态环境保育至关重要。
1
1.1
地下水埋深适宜深度的上限———大于潜水强烈蒸发深度
潜水埋深在
根据设在塔里木盆地、焉耆盆地、准葛尔盆地及河西走廊的地下水蒸发观测资料,潜水蒸发大致在1.
5-2m处是一个转折处,以分布最广的轻壤土为例,无论是年累计蒸发量,日蒸发强度和蒸发系数,以埋深2m处为界,
[2]
发计算)和潜水供水能力控制。在潜水埋深
＊收稿日期:2007-01-25。
[1]
基金项目:中国科学院重大创新项目;塔里木河流域绿洲生态系统研究和试验示范。:(男,,,
·2·干 旱 区 资 源 与 环 境第22卷
图1a沙井子潜水埋深与蒸发强度的相关
Fig.1aCorrelationbetweenthephreaticdepthandtheevaporationintensityatShajingzi
图1b卡拉潜水埋深与蒸发系数关系
Fig.1bRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationcoefficientatQara
图1c莎车潜水埋深与蒸发量关系
Fig.1cRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationatShach
e
图1d 焉耆潜水埋深与蒸发量关系Fig.1dRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationatYanqi
图1e 昌吉水埋深与蒸发系数关系Fig.1eRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationcoefficientatChangji
图1f 河西走廊潜水埋深与蒸发量关系Fig.1fRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationatHexicorridor
1.2 潜水埋深在2m以内矿化度相对较高
潜水对土壤积盐的影响除了埋深外,还和矿化度高低有关,地下水的矿化度高低也与潜水蒸发有密切关系,一般情况下也是潜水埋深越浅,蒸发越强,矿化度越高。在塔里木河中游冲积平原和河西走廊,潜水埋深也是小于1.5m-2.5m,矿化度明显升高;3-4m以下逐渐降低(图2、图3)。
1.3 潜水埋深在
由塔里木盆地土壤积盐速率与地下水埋深关系模型(图4),可以看出随着地下水埋深增加,土壤积盐速率呈指数下降。若将地下水埋藏深度划分成若干段,其不同埋深下地表积盐率平均值如表1,说明当地下水埋深在3.5-4.0m时,土壤停止积盐;3.0-2.5m微弱积盐,与积盐最强烈的0.5m深度比较积盐速率仅为其0.02-0.05;从1.5-2.0m开始积盐速率提高,为0.5m深的0.26-0.12;1.0m更高,为0.5m的0.53。据此,可以地下水埋深1.5-2.0m作为自然植被下土壤强度积盐的起始点,大于2.0m仅以百分位增加,是缓慢积盐;
[5]
。
图2河西走廊潜水埋深与矿化度关系[4]Fig.2Relationshipbetweenthephreatic
depthandthemineralization
[4]
atHexicorridor
图3塔里木盆地潜水埋深与矿化度关系Fig.3Relationshipbetweenthephreatic
depthandthemineralization
atTarimBasin
图4塔北地区0-50cm土层积盐速率与地下水埋深关系
[5]
Fig.4Relationshipbetweenthesaltaccumulation
speedinsoillayerof0-50cmindepth
[5]
intheNorthernTarimregion
第2期樊自立等 中国西北干旱区生态地下水埋深适宜深度的确定
表1塔里木盆地不同地下水埋深的土壤0-50cm土层积盐速率
·3·
Tab.1Saltaccumulationspeedinsoillayerof0～50cmindepthunderthedifferentgroundwaterdepthsintheTarimBasin
地下水埋深(m)
2
积盐速率(kg/m·a)与0.5m的积盐速率比较
0.52.951
11.570.53
1.50.790.26
20.360.12
2.50.150.05
30.050.02
3.50.010
400
1.4潜水埋深
干旱荒漠区地下水埋深即使在3-4m,通过薄膜和毛管水的缓慢移动,在较长时间后,土壤仍可积盐,但对土壤积盐量影响强烈的还是毛管水强烈上升高度,即受大气蒸发控制毛管水上升速度最快和上升量最大的
高度,即毛管支持水高度,也就是通常所说的临界深度。综合考虑地下水矿化度和土壤质地,南疆(暖温带干旱区)北疆(温带干旱区)不同条件地下水的临界深度约为1.5-2.0m(表2)。从图4、图5反映的表层土壤积盐量与潜水埋深关系,也可以看出,潜水埋深在1.5-2m以内,表层积盐量高,以下积盐逐渐减轻。
[6]
表2南、北疆不同土壤质地和地下水临界深度(m)
Tab.2DifferentsoiltexturesandthecriticalgroundwaterdepthsinsouthXinjiangandnorthXinjiang(m)[6]
土壤质地地下水矿化度(g/l)
南疆北疆
粉砂壤土
5～302.1～2.31.9～2.1
中壤土
5～301.9～2.11.6～1.8
粘质土
5～301.6～1.81.4～1.6
平均
5～302.01.
7
图5塔里木盆地土壤表层积盐量与潜水埋深关系Fig.5RelationshipbetweenthesaltaccumulationintopsoilandthephreaticdepthintheTarimBasin
图6河西走廊表层土壤积盐量与潜水埋深关系[7]
Fig.6RelationshipbetweenthesaltaccumulationintopsoilandthephreaticdepthinHexiCorridor
2地下水埋深适宜深度的下限—小于潜水蒸发极限深度
Tab.3Ultimatedepthsofphreaticevaporationunder
thedifferentterreneconditionsintheOganRiverwatershedinsouthXinjiang
土质极限深度
重壤4.5
中壤4.0
轻壤4.0
沙壤3.0
细砂2.0
砾石1.0
m) (1)潜水埋深大于其极限蒸发深度(4.0～4.表3南疆渭干河流域不同土质的潜水蒸发极限深度(
5m),土壤水分不能满足植物需水。
所谓潜水蒸发的极限深度也就是潜水蒸发趋于零的深度,即当潜水埋深H>Hmax时,蒸发强度E=0
[2]
。当潜水埋深大于其极限蒸发强度时,土壤
蒸发损耗的水分由潜水供给不足或停止,土壤湿度降低,乔灌木植被也因土壤干旱而开始衰败,草本植物死亡。潜水蒸发的极限制深度受气候和土质影响各地不同(表3、4、5),粗粒土质为2.5m,一般沙壤、中壤为3.5-4.5m。
土壤全剖面平均含水率是随地下水的埋藏深度的增加而降低(图7、表6)当地下水埋深大于4(4.5)m时全剖面土壤平均含水率为15%,小于毛管持水量为薄膜水状况,植物不易利用。以塔里木T05剖面为例(图8),地下水埋深5.6m,土壤质地以轻壤、砂壤为主,全剖面平均含水率5.9%,小于
据渭干河管理处:渭干河潜水蒸发实验资料。
[3]
表4南疆叶尔羌河不同土质的潜水蒸发极限深度(m)
Tab.4UltimatedepthsofphreaticevaporationunderthedifferentterreneconditionsintheYarkentRiverwatershedinsouthXinjiang
土质极限深度
重壤4.5
中壤4.5
轻壤4.0
沙壤4.0
细砂2.5
砾石2.5
表5北疆昌吉不同质地的潜水蒸发极限深度(m)Tab.5UltimatedepthsofphreaticevaporationunderthedifferentterreneconditionsinChangjiinnorthXinjiang
土质极限深度
粉壤土4.0
粗砂3.5
砾石2.0
据刘名成:干旱区潜水蒸发与排水的规律研究。
·4·
[8-10]
干 旱 区 资 源 与 环 境第22卷
稳定凋萎含水量,植物发生枯萎,仅在剖面底部潜水位以上60cm处,毛管支持水的水分含量为19.8%,达到毛管持水量的80%,但在这个深度植物根系很少。T010剖面(图9)潜水埋深为7m,土壤质地是沙壤、轻壤和亚粘土交互成层,全剖面土壤平均含水率11.9%,也小于凋萎含水量,剖面下部毛管支持水可上升到6.4m处,也难为植物利用。
表6塔里木河平原10m以内全剖面土壤水分含量变化
Tab.6Changeofsoilmoisturecontentindepthwithin10mintheplainoftheTarimRiver
地下水埋深(m)地下水埋深(m)
0.55.5
1.029.76.011.8
1.527.16.510.7
2.024.77.09.8
2.522.57.58.9
3.020.58.08.1
3.518.78.57.4
4.017.09.06.8
4.515.59.56.2
5.014.210.05.
6
土壤含水率(%)32.6土壤含水率(%)12.9
图7地下水埋深与土壤含水率的关系Fig.7Relationshipbetweengroundwater
depthandsoilmoisturecontent
图8 T05剖面土壤含水率变化
Fig.8ChangeofsoilmoisturecontentatprofileT05
图9 T010剖面土壤含水率变化
Fig.9ChangeofsoilmoisturecontentatprofileT010
(2)潜水埋深小于蒸发极限深度而大于潜水强烈蒸发强深度时,潜水蒸发损失量小,土壤水分沿剖面分布适合自然植物生长需要。以T04号(图10)和T06号(图11)土壤剖面为例,全剖面以轻壤、沙壤土为主,地下水埋深4.0m,两个剖面0-4m的平均含水率16.4%,仅为毛管持水量的65%-70%,是土壤有效含水量的下限。但在剖面不同深度含水率不同,上部1m土层平均为8.5%,小于稳定凋萎湿度,土壤水分以吸湿水和薄膜水形式存在,为无效含水量。1-2m深度平均含水量16.5%,与全新面平均含水率一致,供植物根吸收利用困难。2-4m深度平均含水率22.6%,为毛管持水量的90%以上,能充分供给植物根生长需水。潜水埋深在蒸发极限深度以内的这种土壤水分沿剖面分布形式,上部含水率低,减少了无效蒸发,下部含水量高,能充分满足自然植物生长需水,为适宜的土壤水分沿剖面分布形式
。
[9-10]
图10 T04剖面土壤含水率变化
Fig.10ChangeofsoilmoisturecontentatprofileT04
图11 T06剖面土壤含水率变化
Fig.11ChangeofsoilmoisturecontentatprofileT06
(3)潜水埋深大于其强烈蒸发深度时,土壤积盐微弱。土壤积盐主要受潜水蒸发、地下水埋深和地下水矿化度的影响,潜水埋深在2～4m间,其蒸发强度、蒸发量仅为1～2m时的20%,毛管上升水流到达地
表,仅以薄膜水方式移动,十分缓慢和微弱。从图1和图2都可看出,地下水埋深1.5-2m处是土壤积盐
第2期樊自立等 中国西北干旱区生态地下水埋深适宜深度的确定·5·
和地下水矿化度的转折点,当地下水埋深大于1.5-2m时,土壤积盐微弱。 (4)潜水蒸发极限深度处(4～4.5m)是土壤活性积盐和残余积盐的分界。地下水参于土壤积盐的方式有两种情况,一种是活性积盐,即溶解在地下水中的盐分可通过毛管———薄膜水达到地表;另一种是由于地下水埋深大于蒸发极限深度,盐分不能到地表,土壤中的盐分或是土内积盐或是过去的积盐的残存。由于地下水对土壤积盐的影响不同,形成了活性盐土和残余盐土。活性盐土现还在继续积盐,土壤盐分剖
[11]
面成T型,聚集在地表;而残余积盐的盐分剖面,表层有轻微淋溶,盐分含量降低,聚盐层在亚表层。活性盐土由于地下水位高、积盐强,改良较难。残余盐土地下水埋藏较深,改良较易。
参考文献
[1]宋郁东,樊自立,雷志栋,等.中国塔里木河水资源与生态问题研究[M].乌鲁木齐,新疆人民出版社,2000,249～262.[2]雷志栋,杨诗秀,谢传森.土壤水动力学[M].北京,清华大学出版社,1988:77-82,141-146.
[3]毛晓敏,李明,沈言利,等.叶尔羌河流域潜水蒸发规律试验分析[J].干旱区地理,1998,11(3):44～45.[4]陈隆享,曲耀先.河西地区水土资源及其合理开发利用[M].北京,科学出版社,1992,80.
[5]张宏,樊自立.全球变化对塔里木盆地北部盐化草甸植被影响[J].干旱区地理,1988,21(4):15～21.[6]刘亚传,常厚春.干旱区咸水资源利用与环境[M].兰州,甘肃科学技术出版社,1992,234.[7]罗家雄.新疆垦区盐碱土改良[M].北京,水利电力出版社,1985:128-136.[8]B.A.柯夫达.土壤学原理(下册)[M].北京,科学出版社,1981:3～11.[9]熊毅,李庆逵主编.中国土壤[M].北京,科学出版社,1987:363～366.[10]新疆土壤普查办公室,新疆土壤[M].北京,科学出版社,1996:256-266.
[11]樊自立,马英杰,张宏,等,塔里木河流域生态地下水位极其合理深度确定[J].干旱区地理,2004.27(1):8-14.
DeterminationofSuitableEcologicalGroundwaterDepthinAridAreasinNorthwestPartofChina
FANZi-li,CHENYa-ning,MAYing-jie,
LIHe-ping,AlishirKurban,Abdimijit
(XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)
Abstract
Soilmoisturecontentandsaltcontentaffectingthegrowthofnaturalvegetationsarecloselyrelatedtoground-waterdepthinaridareas.Saltsdissolvedingroundwatercanbecarriedupwardbycapillarywaterandaccumula-tedintopsoilifgroundwaterdepthistooshallowundertheviolentevaporation,thus,soilsalinizationandsaltstressoccur.Upwardcapillarywatercannotreachtherhizosphereofplantsifgroundwaterdepthistoodeep,thus,thegrowthofvegetationisstressedbysoilmoisture,andlanddesertificationoccurs.Therefore,isitvery
importanttodeterminesuitablegroundwaterdepthwhichdoesnotresultinsoilsalinizationnorlanddesertifica-tion.Accordingtothecomprehensivestudyresultsofthesituationofgroundwaterdepth,soilmoisturecontentandgrowthofvegetations,inthispaperitisdeterminedthatthesuitablegroundwaterdepthsshouldbe1.5～4.0mand2.0～4.0(4.5)mforthemoderatedesertsandthewarm-moderatedesertsrespectively.Thatmeansthesuitablegroundwaterdepthshouldbeinarangebetweentheviolentphreaticevaporationdepthandtheevapo-rationultimatedepth.Thestudyresultscanprovidethescientificbasisforcontrollingsoilsalinizationandlanddesertificationandestimatingwaterconsumptionforecology.
Keywords:aridarea;ecologicalgroundwaterlevel;determinationofsuitablegroundwaterlevel
第22卷 第2期2008年2月
干 旱 区 资 源 与 环 境JournalofAridLandResourcesandEnvironment
Vol.22 No.2
Feb.2008
文章编号:1003-7578(2008)02-001-05
＊
中国西北干旱区生态地下水埋深适宜深度的确定
樊自立,陈亚宁,李和平,马英杰,艾里西尔·库尔班,阿布都米吉提
(中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐,830011)
提 要:干旱区影响天然植被生长的土壤水分和盐分,都和地下水埋深密切相关。地下水埋藏浅,在强烈的蒸发作用下,溶解于地下水中的盐分沿毛管上升水流于地表聚集,使土壤发生盐渍化,产生盐胁迫。地下水埋深过低,毛管上升水流不能到达植物根系层,植物生长受到水分胁迫,发生荒漠化。因此,确定既不会使土壤发生盐渍化和荒漠化的地下水埋深十分重要。本文根据地下水、土壤水及植物生长状况综合研究,把适宜的地下水埋深界定为在温带荒
漠区1.5—4m,暖温带荒漠区2.0～4.0(4.5)m,即在潜水的强烈蒸发深度以下和蒸发极限深度之上的区间,为防治土地盐渍化、荒漠化和估算生态用水提供了科学依据。
关键词:西北干旱区;生态地下水埋深;适宜深度确定
中图分类号:TV213.4文献标识码:A
干旱区降水稀少,地带性荒漠植被十分稀疏,而对生态起重要作用的是覆盖度较大的非地带性中生和中旱生植被,它们主要是依靠地下水维持生命,分布在河旁、湖边及扇缘地下水溢出带,其生长状况与潜水
埋深有十分密切关系,因此,可把能维持非地带性自然植被生长所需水分的浅层地下水埋藏深度称作生态地下水埋深。
干旱区影响植被生长的土壤水分和盐分,都和地下水位高低密切相关。地下水埋深浅,在蒸发作用下,溶解于地下水中的盐分沿毛管上升水流在表土聚积,使土壤发生盐渍化,产生盐胁迫,不利植物生长。地下水埋深过低,毛管上升水流不能到达植物根系层,使土壤干旱,植物生长受到水分胁迫,发生荒漠化。因此,确定既不会使土壤发生强烈盐渍化又不会发生荒漠化的地下水埋深界限是十分重要的。从防治土壤盐渍化角度讲,地下水埋藏深,可减少土壤积盐,有利于盐分淋洗;但从防治荒漠化角度来讲,地下水埋深过深,若无灌溉,植物所需水分不能由地下水供给,可促进风蚀沙化发展,两者是相互对立和矛盾的,因此,把既能减少地下水强烈蒸发返盐,又不造成土壤干旱而影响植物生长的地下水埋深称为适宜生态地下
[1]
水埋深。确定干旱区的适宜生态水位,对生态环境保育至关重要。
1
1.1
地下水埋深适宜深度的上限———大于潜水强烈蒸发深度
潜水埋深在
根据设在塔里木盆地、焉耆盆地、准葛尔盆地及河西走廊的地下水蒸发观测资料,潜水蒸发大致在1.
5-2m处是一个转折处,以分布最广的轻壤土为例,无论是年累计蒸发量,日蒸发强度和蒸发系数,以埋深2m处为界,
[2]
发计算)和潜水供水能力控制。在潜水埋深
＊收稿日期:2007-01-25。
[1]
基金项目:中国科学院重大创新项目;塔里木河流域绿洲生态系统研究和试验示范。:(男,,,
·2·干 旱 区 资 源 与 环 境第22卷
图1a沙井子潜水埋深与蒸发强度的相关
Fig.1aCorrelationbetweenthephreaticdepthandtheevaporationintensityatShajingzi
图1b卡拉潜水埋深与蒸发系数关系
Fig.1bRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationcoefficientatQara
图1c莎车潜水埋深与蒸发量关系
Fig.1cRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationatShach
e
图1d 焉耆潜水埋深与蒸发量关系Fig.1dRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationatYanqi
图1e 昌吉水埋深与蒸发系数关系Fig.1eRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationcoefficientatChangji
图1f 河西走廊潜水埋深与蒸发量关系Fig.1fRelationshipbetweenthephreaticdepthandtheevaporationatHexicorridor
1.2 潜水埋深在2m以内矿化度相对较高
潜水对土壤积盐的影响除了埋深外,还和矿化度高低有关,地下水的矿化度高低也与潜水蒸发有密切关系,一般情况下也是潜水埋深越浅,蒸发越强,矿化度越高。在塔里木河中游冲积平原和河西走廊,潜水埋深也是小于1.5m-2.5m,矿化度明显升高;3-4m以下逐渐降低(图2、图3)。
1.3 潜水埋深在
由塔里木盆地土壤积盐速率与地下水埋深关系模型(图4),可以看出随着地下水埋深增加,土壤积盐速率呈指数下降。若将地下水埋藏深度划分成若干段,其不同埋深下地表积盐率平均值如表1,说明当地下水埋深在3.5-4.0m时,土壤停止积盐;3.0-2.5m微弱积盐,与积盐最强烈的0.5m深度比较积盐速率仅为其0.02-0.05;从1.5-2.0m开始积盐速率提高,为0.5m深的0.26-0.12;1.0m更高,为0.5m的0.53。据此,可以地下水埋深1.5-2.0m作为自然植被下土壤强度积盐的起始点,大于2.0m仅以百分位增加,是缓慢积盐;
[5]
。
图2河西走廊潜水埋深与矿化度关系[4]Fig.2Relationshipbetweenthephreatic
depthandthemineralization
[4]
atHexicorridor
图3塔里木盆地潜水埋深与矿化度关系Fig.3Relationshipbetweenthephreatic
depthandthemineralization
atTarimBasin
图4塔北地区0-50cm土层积盐速率与地下水埋深关系
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Fig.4Relationshipbetweenthesaltaccumulation
speedinsoillayerof0-50cmindepth
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intheNorthernTarimregion
第2期樊自立等 中国西北干旱区生态地下水埋深适宜深度的确定
表1塔里木盆地不同地下水埋深的土壤0-50cm土层积盐速率
·3·
Tab.1Saltaccumulationspeedinsoillayerof0～50cmindepthunderthedifferentgroundwaterdepthsintheTarimBasin
地下水埋深(m)
2
积盐速率(kg/m·a)与0.5m的积盐速率比较
0.52.951
11.570.53
1.50.790.26
20.360.12
2.50.150.05
30.050.02
3.50.010
400
1.4潜水埋深
干旱荒漠区地下水埋深即使在3-4m,通过薄膜和毛管水的缓慢移动,在较长时间后,土壤仍可积盐,但对土壤积盐量影响强烈的还是毛管水强烈上升高度,即受大气蒸发控制毛管水上升速度最快和上升量最大的
高度,即毛管支持水高度,也就是通常所说的临界深度。综合考虑地下水矿化度和土壤质地,南疆(暖温带干旱区)北疆(温带干旱区)不同条件地下水的临界深度约为1.5-2.0m(表2)。从图4、图5反映的表层土壤积盐量与潜水埋深关系,也可以看出,潜水埋深在1.5-2m以内,表层积盐量高,以下积盐逐渐减轻。
[6]
表2南、北疆不同土壤质地和地下水临界深度(m)
Tab.2DifferentsoiltexturesandthecriticalgroundwaterdepthsinsouthXinjiangandnorthXinjiang(m)[6]
土壤质地地下水矿化度(g/l)
南疆北疆
粉砂壤土
5～302.1～2.31.9～2.1
中壤土
5～301.9～2.11.6～1.8
粘质土
5～301.6～1.81.4～1.6
平均
5～302.01.
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图5塔里木盆地土壤表层积盐量与潜水埋深关系Fig.5RelationshipbetweenthesaltaccumulationintopsoilandthephreaticdepthintheTarimBasin
图6河西走廊表层土壤积盐量与潜水埋深关系[7]
Fig.6RelationshipbetweenthesaltaccumulationintopsoilandthephreaticdepthinHexiCorridor
2地下水埋深适宜深度的下限—小于潜水蒸发极限深度
Tab.3Ultimatedepthsofphreaticevaporationunder
thedifferentterreneconditionsintheOganRiverwatershedinsouthXinjiang
土质极限深度
重壤4.5
中壤4.0
轻壤4.0
沙壤3.0
细砂2.0
砾石1.0
m) (1)潜水埋深大于其极限蒸发深度(4.0～4.表3南疆渭干河流域不同土质的潜水蒸发极限深度(
5m),土壤水分不能满足植物需水。
所谓潜水蒸发的极限深度也就是潜水蒸发趋于零的深度,即当潜水埋深H>Hmax时,蒸发强度E=0
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。当潜水埋深大于其极限蒸发强度时,土壤
蒸发损耗的水分由潜水供给不足或停止,土壤湿度降低,乔灌木植被也因土壤干旱而开始衰败,草本植物死亡。潜水蒸发的极限制深度受气候和土质影响各地不同(表3、4、5),粗粒土质为2.5m,一般沙壤、中壤为3.5-4.5m。
土壤全剖面平均含水率是随地下水的埋藏深度的增加而降低(图7、表6)当地下水埋深大于4(4.5)m时全剖面土壤平均含水率为15%,小于毛管持水量为薄膜水状况,植物不易利用。以塔里木T05剖面为例(图8),地下水埋深5.6m,土壤质地以轻壤、砂壤为主,全剖面平均含水率5.9%,小于
据渭干河管理处:渭干河潜水蒸发实验资料。
[3]
表4南疆叶尔羌河不同土质的潜水蒸发极限深度(m)
Tab.4UltimatedepthsofphreaticevaporationunderthedifferentterreneconditionsintheYarkentRiverwatershedinsouthXinjiang
土质极限深度
重壤4.5
中壤4.5
轻壤4.0
沙壤4.0
细砂2.5
砾石2.5
表5北疆昌吉不同质地的潜水蒸发极限深度(m)Tab.5UltimatedepthsofphreaticevaporationunderthedifferentterreneconditionsinChangjiinnorthXinjiang
土质极限深度
粉壤土4.0
粗砂3.5
砾石2.0
据刘名成:干旱区潜水蒸发与排水的规律研究。
·4·
[8-10]
干 旱 区 资 源 与 环 境第22卷
稳定凋萎含水量,植物发生枯萎,仅在剖面底部潜水位以上60cm处,毛管支持水的水分含量为19.8%,达到毛管持水量的80%,但在这个深度植物根系很少。T010剖面(图9)潜水埋深为7m,土壤质地是沙壤、轻壤和亚粘土交互成层,全剖面土壤平均含水率11.9%,也小于凋萎含水量,剖面下部毛管支持水可上升到6.4m处,也难为植物利用。
表6塔里木河平原10m以内全剖面土壤水分含量变化
Tab.6Changeofsoilmoisturecontentindepthwithin10mintheplainoftheTarimRiver
地下水埋深(m)地下水埋深(m)
0.55.5
1.029.76.011.8
1.527.16.510.7
2.024.77.09.8
2.522.57.58.9
3.020.58.08.1
3.518.78.57.4
4.017.09.06.8
4.515.59.56.2
5.014.210.05.
6
土壤含水率(%)32.6土壤含水率(%)12.9
图7地下水埋深与土壤含水率的关系Fig.7Relationshipbetweengroundwater
depthandsoilmoisturecontent
图8 T05剖面土壤含水率变化
Fig.8ChangeofsoilmoisturecontentatprofileT05
图9 T010剖面土壤含水率变化
Fig.9ChangeofsoilmoisturecontentatprofileT010
(2)潜水埋深小于蒸发极限深度而大于潜水强烈蒸发强深度时,潜水蒸发损失量小,土壤水分沿剖面分布适合自然植物生长需要。以T04号(图10)和T06号(图11)土壤剖面为例,全剖面以轻壤、沙壤土为主,地下水埋深4.0m,两个剖面0-4m的平均含水率16.4%,仅为毛管持水量的65%-70%,是土壤有效含水量的下限。但在剖面不同深度含水率不同,上部1m土层平均为8.5%,小于稳定凋萎湿度,土壤水分以吸湿水和薄膜水形式存在,为无效含水量。1-2m深度平均含水量16.5%,与全新面平均含水率一致,供植物根吸收利用困难。2-4m深度平均含水率22.6%,为毛管持水量的90%以上,能充分供给植物根生长需水。潜水埋深在蒸发极限深度以内的这种土壤水分沿剖面分布形式,上部含水率低,减少了无效蒸发,下部含水量高,能充分满足自然植物生长需水,为适宜的土壤水分沿剖面分布形式
。
[9-10]
图10 T04剖面土壤含水率变化
Fig.10ChangeofsoilmoisturecontentatprofileT04
图11 T06剖面土壤含水率变化
Fig.11ChangeofsoilmoisturecontentatprofileT06
(3)潜水埋深大于其强烈蒸发深度时,土壤积盐微弱。土壤积盐主要受潜水蒸发、地下水埋深和地下水矿化度的影响,潜水埋深在2～4m间,其蒸发强度、蒸发量仅为1～2m时的20%,毛管上升水流到达地
表,仅以薄膜水方式移动,十分缓慢和微弱。从图1和图2都可看出,地下水埋深1.5-2m处是土壤积盐
第2期樊自立等 中国西北干旱区生态地下水埋深适宜深度的确定·5·
和地下水矿化度的转折点,当地下水埋深大于1.5-2m时,土壤积盐微弱。 (4)潜水蒸发极限深度处(4～4.5m)是土壤活性积盐和残余积盐的分界。地下水参于土壤积盐的方式有两种情况,一种是活性积盐,即溶解在地下水中的盐分可通过毛管———薄膜水达到地表;另一种是由于地下水埋深大于蒸发极限深度,盐分不能到地表,土壤中的盐分或是土内积盐或是过去的积盐的残存。由于地下水对土壤积盐的影响不同,形成了活性盐土和残余盐土。活性盐土现还在继续积盐,土壤盐分剖
[11]
面成T型,聚集在地表;而残余积盐的盐分剖面,表层有轻微淋溶,盐分含量降低,聚盐层在亚表层。活性盐土由于地下水位高、积盐强,改良较难。残余盐土地下水埋藏较深,改良较易。
参考文献
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DeterminationofSuitableEcologicalGroundwaterDepthinAridAreasinNorthwestPartofChina
FANZi-li,CHENYa-ning,MAYing-jie,
LIHe-ping,AlishirKurban,Abdimijit
(XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)
Abstract
Soilmoisturecontentandsaltcontentaffectingthegrowthofnaturalvegetationsarecloselyrelatedtoground-waterdepthinaridareas.Saltsdissolvedingroundwatercanbecarriedupwardbycapillarywaterandaccumula-tedintopsoilifgroundwaterdepthistooshallowundertheviolentevaporation,thus,soilsalinizationandsaltstressoccur.Upwardcapillarywatercannotreachtherhizosphereofplantsifgroundwaterdepthistoodeep,thus,thegrowthofvegetationisstressedbysoilmoisture,andlanddesertificationoccurs.Therefore,isitvery
importanttodeterminesuitablegroundwaterdepthwhichdoesnotresultinsoilsalinizationnorlanddesertifica-tion.Accordingtothecomprehensivestudyresultsofthesituationofgroundwaterdepth,soilmoisturecontentandgrowthofvegetations,inthispaperitisdeterminedthatthesuitablegroundwaterdepthsshouldbe1.5～4.0mand2.0～4.0(4.5)mforthemoderatedesertsandthewarm-moderatedesertsrespectively.Thatmeansthesuitablegroundwaterdepthshouldbeinarangebetweentheviolentphreaticevaporationdepthandtheevapo-rationultimatedepth.Thestudyresultscanprovidethescientificbasisforcontrollingsoilsalinizationandlanddesertificationandestimatingwaterconsumptionforecology.
Keywords:aridarea;ecologicalgroundwaterlevel;determinationofsuitablegroundwaterlevel