（生态学专业论文）嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水的产状、动态及其与植被的相关性.pdf

内蒙古大学硕士论文 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 摘要 草原地带的沙地是一种独特的土地类型，也是一种独特的自然景观。草原 区沙地与同气候条件下的草原相比，均表现出了不同程度的水分集中趋势。目 前沙地水分优势的形成机理已基本明确，但沙地水分运移过程及其影响因子尚 不明确。本文以内蒙古锡林郭勒盟西乌旗嘎亥额勒苏沙地作为研究对象，分析 沙丘潜水产状、沙地土壤水分吸收与运移特性；不同尺度下，沙地植被分布格 局与沙丘潜水系统的相互作用机制。现将研究成果概述如下： l 植被空间分布格局 沙地中由于坨甸相间分布和潜水出露频繁导致沙地内部生境的多样性，从 而改变了原有植被的空间格局，使得沙地植被在景观尺度上韵分布格局呈现出 高度的空间异质性。 小尺度植被空间格局随沙丘一丘间低地的局部地形变化而变化，大气降水 的再分配导致沙丘阳坡、沙丘顶部：沙丘阴坡、丘间低地的植被呈现有规律的 更替。 2 沙丘潜水产状 嘎亥额勒苏沙地潜水表面随地形表面的起伏而波动，地势较低的丘间低地、 滩地、沙地边缘等潜水出露较多。在沙地西部和中部，沙丘潜水出露较多处往 往形成小湖泊和湿地环，沙地内部沙丘潜水的溢出可能是形成这个湿地环的原 因。 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 3 沙地特殊生态水文特性 沙地土壤对降雨有良好的吸收和下渗效果，使得降水被更多的保存下来。 干沙层具有特殊的生态水文效应，一定厚度干沙层阻碍了下层水汽向上运动。 正是由于干沙层的存在，大大减少了沙地土壤水分的散失，使得沙丘( 沙地) 在某种意义上成为一个储水体。 4 沙地植被与水文系统耦合关系 沙地植被在沙丘丘间低地景观尺度上的分布格局决定于地形及因地形而异 的土壤水分梯度。不同地形部位发育不同的群落类型，各群落内部土壤湿度状 况的差异明显。在坡顶一般分布有旱生的黄柳群落；在高大沙丘的阴坡会分布 有中生杂木灌丛如耧斗叶绣线菊等；在阴坡或半阴坡的坡脚会有榆树疏林的团 块状分布；阳坡及矮小的沙丘上发育着沙蒿半灌木群落与稀疏的小叶锦鸡儿灌 丛。 关键词：嘎亥额勒苏沙地，植被格局，地下水，沙丘潜水产状，沙地生态水文， 干沙层 内蒙古大学硕士论文 s t u d yo ne c o h y d r o l o g i c a la n dv e g e l 硝t i o nd i s t r i b u t i o n r 盯t e r ni ns a n dl a n d t a k i n gg a h a i e l e s us a n d l a n da sa ne x a m p l e a bs t r a c t t h es a n dl a n dw h i c he m b e d d e di ng r a s s l a n da r e a ，i sav e r ys p e c i a lt y p eo fl a n d u s ea n dl a n dc o v e r ，a n da l s oi sak i n do fu n i q u en a t u r a ll a n d s c a p e s a n dl a n d d e m o n s t r a t et h et e n d e n c yo fw a t e rc e n t r a l i z a t i o nc o m p a r i n gw i t hg r a s s l a n du n d e rt h e 母；，- r ” s a m ec l i m a t i cc o n d i t i o n s t h em e c h a n i s mo ft h i sp h e n o m e n o nh a sm a i n l yc l e a ra t p r e s e n t ，t h em o i s t u r eb a l a n c em o d eo fs a n dl a n di s n tv e r yc l e a r , b u tt h es o i lm o i s t u r e c o n t e n tt r a n s p o r tp r o c e s sa n di n f l u e n c ef a c t o r si su n c l e a r as e r i e so fs t u d i e sw a sc o n d u c t e dt oa n a l y z ea n dp r o b et h eo c c u r r e n c ef e a t u r e so f g r o u n d w a t e r , s o i lm o i s t u r ea b s o r p t i o na n dm i g r a t i o n ，i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e n t h es a n dv e g e t a t i o nd i s t r i b u t i o np a r e r na n dg r o u n d w a t e rs y s t e m sa td i f f e r e n ts c a l e si n g a h a i e l e s us a n dl a n d s o m ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w na sf o l l o w s ： 1v e g e t a t i o nd i s t r i b u t i o np a r e m t h es a n du n i q u el a n d f o r m st y p e sb r i n ga b o u tm o r ed i v e r s i f i e dh a b i t a t ，t h u s c h a n g i n gt h eo r i g i n a lv e g e t a t i o n o ft h e s p a t i a lp a t t e r no fv e g e t a t i o n ，s ot h e d i s t r i b u t i o np a a e mo fs a n dv e g e t a t i o ns h o w sh i g hs p a t i a lh e t e r o g e n e i t yo nl a n d s c a p e s c a l e t h el o c a lt e r r a i nc h a n g e sa n ds o i lm o i s t u r ec o n t e n tr e d i s t r i b u t i o ni n f l u e n c e 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 v e g e t a t i o ns p a t i a lp a t t e mo fs m a l ls c a l eo ns a n dd u n e s 2o c c u r r e n c ef e a t u r e so fg r o u n d w a t e r w a t e rp l a n ef l u c t u a t i n gv a r yw i t ht o p o g r a p h i c a ls u r f a c eu p sa n dd o w n s a b u n d a n t g r o u n d w a t e ro u t c r o p so nt h ee d g ea n dl o w l y i n ga r e a so f t h es a n dl a n d 3e c o h y d r o l o g i cc h a r a c t e r i s t i co fs a n dl a n d c o m p a r e dw i t ht y p i c a lg r a s s l a n ds o i l ，t h es a n ds o i la b s o r bm o i s t u r em o r eq u i c k l y , m o i s t u r el e a kf a s t e ri ns a n ds o i l ，b u tt h ee v a p o r a t i o ni ss l o w e rd u et ot h ee x i s t e n c eo f d r ys u r f a c el a y e ro fs a n d b e c a u s eo ft h i ss e r i e so fe c o h y d r o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c s ， s a n dl a n dc o u l da b s o r ba n dh o l dm o r ew a t e l 4 t h ec o u p l i n gr e l a t i o n so fv e g e t a t i o na n dh y d r o l o g i cs y s t e m t h ed i s t r i b u t i o np a t t e r no fs a n dv e g e t a t i o ni ns m a l ls c a l ed e p e n d so nt e r r a i na n d s o i lm o i s t u r ec o n t e n t d i f f e r e n tt y p e so fc o m m u n i t i e sd i s t r i b u t eo nd if f e r e n t t o p o g r a p h i cp o s i t i o no fs a n dd u n e t h es o i lm o i s t u r ec o n t e n ti ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t i n s i d ee a c hc o m m u n i t y x e r o p h y t i a ( f o r m s n l i xg o r d e j e v i i ) d i s t r i b u t e s o nt h e t o p o fs a n d d u n e s ， m e s o p h y t i a ( f o r m s p i r a e aa q u i l e g i f o l i a ) d i s t r i b u t e so ns c h a t t e n s e i t eo fs a n dd u n e s ， e m e r s i h e r b o s ad i s t i l b u t e so nt h el o w l a n do fs a n dd u n e s k e y w o r d s ：g a h a i e l e s us a n dl a n d ，v e g e t a t i o nd i s t r i b u t i o np a t t e r n ，g r o u n d w a t e r , o c c u r r e n c ef e a t u r e so fg r o u n d w a t e r ，e c o - h y d r o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c ，d r ys u r f a c el a y e r 原创性声明 本人郑重声明；本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所 取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等， 均已注明出处。除文章中引用的内容外，不包含任何其他人或集体已经发表或撰 写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人与集体，均已在文中以 明确方式标明。 学位论文作者签名：拉邃壅 导师签名： 日 期：磁厶。f 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属内蒙古大 学。本人完全了解内蒙古大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或 向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子舨，允许论文被查阅和借阅。本 人授权内蒙古大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位 论文或该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为内蒙古大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者签名： 开期： 导师签名：鎏查趣 同 期：- 丝l 内蒙古大学硕士论文 1 选题依据与研究意义 引言 草原地带的沙地是一个独特的土地类型，也是植物的一个特殊生活环境，因而构成一种 独特的自然景观。( 中国科学院内蒙宁夏综合考察队，1 9 8 0 ) 。与沙漠相比，沙地一般具有水 份条件好，起伏平缓，固定程度高等特点。 草原区沙地与同气候条件下的草原相比，均表现出了不同程度的水分集中趋势。各个沙 地中均发育了大量的湖泊以及草甸、沼泽，各类湿地的分布密度明显地高于草原。如科尔沁 沙地南缘发育了大小不等的众多河流，浑善达克沙地发源了西拉沐仑河与滦河两大水系。 目前沙地水分优势的形成机理已基本明确，但沙地水分运移过程与及其影响因子尚不明 确。现有的文献资料表明，目前对于沙地的研究多集中于沙地植被的恢复以及沙尘源区的治 理，并未对沙地特殊的水文过程给予足够的关注。将沙地植被分布格局与沙地水文进行综合 研究，可揭示沙地这一特殊生态系统生态过程和生态格局的水文学机制( b a i r d ，1 9 9 9 ) ，将 会为管理沙地水资源，保护水源地，指导沙地生态建设提供科学依据。在此基础之上，深化 对沙地的认识，科学合理评价草原区沙地的生态功能。 由此，本项研究拟以内蒙古锡林郭勒盟西乌旗嘎亥额勒苏沙地作为研究对象，分析沙丘 潜水产状、沙地土壤水分吸收与运移特性；定量研究沙地植被不同类型水分利用差异，裸沙 地保水性能；不同尺度下，沙地植被分布格局与沙丘潜水系统的相互作用机制。 2 沙丘潜水产状的研究现状 产状就是指地质体在三维空闯的产出状态。通常可以用面状构造和线状构造来确定地质 体的空间方位或产出状态( 地质部宣化地质学校编，1 9 6 0 ) 。产状要素用来表示面状或线状 构造要素与水平参考面和地理方位之间的关系( 李治平，2 0 0 2 ) 。 日常工作中对地质结构面产状的确定主要为地表露头的测量和推测。沙丘潜水的产状就 是潜水在三维空间中的产出状态。对沙丘潜水产状的确定就是测量和推测潜水露头的过程。 国内外对沙丘潜水产状的研究资料极少，仅有王永利( 2 0 0 8 ) 在博士毕业论文通过采集 浑善达克沙地潜水露头信息，在a r cg i s9 1 软件的支持下，将潜水露头数据与区域d e m 数 据进行叠加及空间分析，提取湖泊边缘、泉水出露点、河岸及河流源头的高程值，最终生成 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 以海拔高度表示的潜水表面。 但国内外对于岩体的产状研究资料很多，多通过野外测定与观察进行研究。在1 9 世纪 4 0 年代，中国机械制造业非常落后的情况下，何作霖应用“赤平极射投影 的方法，借助航 空相片可以计算出断层面的产状，与实地测量相符。这是国内首次基于数字技术进行产状研 究，明显减轻了作业工作量，提高了工作效率。 陈才明，张雷等( 2 0 0 2 ) 利用数码相机对开挖隧道、边坡、基坑等编录对象进行拍摄， 获得原始相片，对数字图像进行几何纠正、增强处理和无缝拼接，把拼接图做底图，绘出地 质构造线并计算出其产状。 3 沙地水分的研究现状 沙地水分特征的研究方面前苏联起步较早，1 9 1 2 1 9 1 3 年h h 托马斯基开始对俄罗斯东 南部沙地进行了水分状况的定位研究。b a 杜卡斯基研究了顿河沙地的湿度状况，c c - 索保 列夫研究了3 第聂伯河下游沙地的湿度状况( 冯起等，1 9 9 3 ) 。0 h 布拉戈维申斯基对中亚沙 漠的水分状况进行了极为广泛的研究，并着重研究了大气水的凝结过程及植物利用凝结水的 可能性问题( 韩德儒等，1 9 9 5 ；王兴鹏等，2 0 0 5 ) 。1 9 5 8 年，库里克主要在顿河沙地测定了沙 地水分状况，并建立起顿河沙地水分平衡的简单方法。进入2 0 世纪7 0 年代后( 冯起等，1 9 9 3 a ： 1 9 9 5 b ) ，由传统的实际水分动态观测，进入到模拟理论的研究阶段，如库里克应用热力学和 土壤水文学的理论基础指出，水分迁移强度取决于化学梯度和温度梯度，叶流断面积和液体 的黏滞性。同时他还指出，沙地表层的干沙层直接影响降水补给沙丘的水量，干沙层对沙土 中水分的蒸发过程具有阻碍作用，并且将沙土中的水分运动分为气态和液态水分运动。这时 期，对植物生长与沙地储水之间的关系研究较多的应用生物学与生态学的方法，如s m i t h 认为， 在湿润地区良好的沙土条件下，牧草生长的土壤水分亏缺界限为5 0m m 水量( 在1m 土层内) 。 进入2 0 世纪8 0 年代后，一方面是沙地水分研究进入定量的数值模拟阶段，如水在饱和沙壤土 中的运动已能比较精确地确定；不饱和水分迁移模型已发展n - 维系统等，并证明采用随机 模型来模拟降水过程是可行的；降水过程的随机模型结合土壤水和表层水运动的确定性模型 可以用来研究蒸发输出与土壤水分动态变化等。另一方面，更加重视蓄存于沙地中水的能势 状况的研究，真正认识到在一个系统中不同位置的水势差异是土壤中水分渗流或扩散的动力， 而且克服了土壤质地和理化性质不同的土壤问含水量不可比较的缺点，进而研究了沙土中水 分入渗、贮存和转移等的物理特性及渗透扩散与土壤水势的关系。这期间的研究结果还表明， 土壤中蓄存的水分做功的势、从土壤中移去所需做的功是土壤系统中温度、压力、含水量及 2 内蒙古人学硕士论文 溶解物质数量的函数。这些研究成果成为了土壤一植物一大气一水系统的重要基础部分( 康 绍忠等，1 9 9 4 ) 。 我国沙地水分研究始于2 0 世纪6 0 年代。在2 0 世纪6 0 年代至7 0 9 代主要采用定点人工测定 沙土含水率，确定沙地水分运动的简单过程。2 0 世纪7 0 年代至9 0 年代的沙地水分研究主要与 农业生产和防风固沙林相联系，并继续进行部分定点的沙地水分观测，相继建立起了一些水 分平衡场，对沙地水分动态进行观测( 高前兆，1 9 8 4 ；王燕来等，1 9 8 7 ；曲耀光等，1 9 8 4 ； 陈荷生，1 9 8 7 a ；1 9 9 0 b ：) 。王晓江( 1 9 9 4 ) 对荒漠草原土壤水分动态研究结果表明，土壤蒸 发是荒漠草原水分丧失的主要途径，也是水分亏缺的主要原因。胡小龙( 1 9 9 6 ) 通过对毛乌 素沙地不同覆盖度油蒿群落土壤水分含量的长期连续定位观测，研究了不同覆盖度下沙地土 壤水分动态规律及分布特征，并提出了毛乌素沙地适宜植被覆盖度为3 0 一4 0 。冯起( 1 9 9 9 ) 研究表明，气候条件随季节变化呈周期变化，沙地水分具有明显的时问变化规律。并按沙地 水分变化趋势、剖面水分分布及与气象条件的关系，将沙地水分年内变化按季节划分成弱失 水、降水补给、失水和调整4 个阶段。陈有君( 2 0 0 0 ) 在研究内蒙古浑善达克沙地土壤水分状 况的分析中发现，在坡度 1 5 。时，沙丘 阴坡上土壤的含水量随坡度的增大而增大。高沙丘阳坡的土壤含水量，受坡度的影响较小， 略有降低。王鸣远( 2 0 0 0 ) 对毛乌素沙地过渡地带土壤水分特征及其植物利用进行了研究， 研究结果表明，在沙丘从流动变为固定的过程中，固沙林形成后的土壤水分动态和林木群落 实际蒸腾蒸发规律的关系反映不同植被覆盖、不同密度、不同年份和不同季节水分平衡状况， 借以确定合理的土壤水分消耗模式以维持固沙林群落的稳定和良性演替。 对于沙地土壤表面普遍存在的干沙层的特殊水分效应，目前多数研究关注于其强大的保 水性能上。刘新平( 2 0 0 6 ) 对流动沙丘不同干沙层厚度下的土壤水分蒸发作了测定与分析， 结果表明：当干沙层厚度发育达n 5c l n 以上时，流动沙丘干沙层厚度成为土壤水分蒸发的决 定因素。随着干沙层厚度的增加，土壤蒸发量逐渐降低；各观测日的蒸发抑制率随着干沙层 厚度的增大而增大；5c n l 的干沙层对蒸发的抑制作用最大可达7 0 6 ，3 0o m 的干沙层则最大 可达9 2 3 8 。 干沙层厚度与土壤蒸发量之间存在显著的线性关系。王积强( 1 9 9 0 ) 对干沙层保水性的 形成机理提出了“闭塞空气理论，认为当含水量较大时，土体内存在“闭塞空气”膨胀， 但这种空气只停留在原地不动。白天当“闭塞空气 膨胀时，使毛管水和重力水形态发生变 化，仅有一部分毛管水通过未闭塞空气与大气相交换，但这种交换远赶不上土壤表面蒸发， 3 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 结果使表面沙土失水量大大减少，使沙土表层变千。 王永利( 2 0 0 8 ) 认为沙地干沙层存在一种复合层状结构，即沙层呈现一种细粗交替的层 状分布，粗沙层间存在较大的孔隙甚至空腔，抑制了沙地土壤的毛管效应，阻断了下层水分 向上运移，近而起到了保持沙地水分的作用。 4 沙地植被与沙丘潜水的相关性研究进展 植被与水分的相互关系研究一直受到生态学与水文学研究的重视，在生态水文学的学科 概念尚未建立以前，生态学与水文学在这个交叉领域的研究从未间断过，对于生态水文学关 注的生态水文物理过程、化学过程及其生态效应三个方面都有不同层面的涉及。我国在2 0 世 纪9 0 年代以来，先后在多方面开展了生态水文学的研究，如在干旱半干旱地区建立的小尺度 描述土壤一植被一大气间水分传输过程的s p a c 模型、在流域或区域尺度上研究“大气一土壤一 植物 系统水分能量交换的s v a t 模型等，在模拟植被生态系统水分传输方面无论是试验观测 手段和参数确定方法还是数学模型的开发和模拟研究，基本与国际发展水平相接近。森林生 态水文研究在我国多种气候单元都有了较长的时间，尤其在黄土高原和干旱内陆山区森林生 态水文研究具有鲜明特色，以研究森林对降水一汇流过程和土壤侵蚀过程的影响为主，从林冠 截留、林地枯落物吸持水、林地土壤水分入渗与贮水以及林地蒸散发等水文平衡要素出发， 系统研究森林水文生态作用过程，包括对不同气候带典型森林植被类型水文过程及对比研究， 对森林水文生态作用过程的不同阶段或全过程，提出了许多数值模拟模型( l i u ，1 9 9 6 ) ，同时 在森林生态系统的水文生态功能和森林水文生态效益等方面也开展了卓有成效的研究。在干 旱内陆流域，生态水文过程研究集中在3 个方面，一是在河源山区森林带开展的以森林水源 涵养功能观测研究为核心的森林生态水文过程研究，在黑河流域祁连山区这方面的研究已有 近3 0 a 历史，在国内具有一定影响：二是干旱区典型植物的水分利用机理和水分胁迫的响应 特征等方面相对微观尺度的生态水文研究，包括干旱区土壤结皮的生态水文规律研究；三是 不同景观带植被生态系统的蒸散发及其年内变化规律的研究。1 9 9 0 - - - 1 9 9 2 年的h e i f i 试验选 择黑河流域中游7 0 k m x9 0 k m 的绿洲与沙漠地区作为研究区域，进行了大量以水分与热量交换 为核心的地气相互作用综合观测，对黑河中游荒漠陆面过程特征与机制有了新的认识，获得 了大量观测数据与参数化方案中的重要参数，关于绿洲与沙漠之间的水热相互作用研究有了 突破性的认识与进展( h ue ta 1 ，1 9 9 4 ；t a oe ta 1 ，1 9 9 4 ) ；2 0 0 1 年以来在黑河流域山区森林和草原 带、中游绿洲一荒漠交界带和下游荒漠植被带分别建立了陆面过程观测的环境观测系统 ( e n v i s ) ，研究流域不同植被景观带内各有特色的土壤一植物一大气体系( s v a t ) 内的水分、热量、 4 i - ii 堕鍪直盔兰堡主堡兰 _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ 一_ _ - _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 。_ _ _ _ _ i - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一 光合作用过程及其时空分布规律，已取得了初步研究成果( 莫兴国等，1 9 9 9 a ；2 0 0 2 b ；s o n ge t a 1 2 0 0 3 ) 。赵文智在黑河流域开展的内陆河流域生态需水和生态地下水位研究( 赵文智等， 2 0 0 2 ) ，研究了黑河流域植被与地下水与地表水之间的相互关系，初步揭示了内陆河流域的 生态水文过程及其评价体系。在塔里木河流域中下游地带，有关荒漠植被和地下水、地表水 的关系研究有了近4 0 a 的历史，近年来对流域植被系统的水文过程响应规律的研究取得了一 些很有影响的成果，揭示了荒漠植被的水分耗散规律和来源以及对生态输水的响应特征等 ( c h e n e t a l 2 0 0 3 ) 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 1 1 地理位置 1 研究区域与样地概况 在乌珠穆沁草原的南部有一条呈狭条带状分布的沙地，东西长约1 0 0k m ，南北宽1 0 - 2 0 l 锄，被称作嘎亥额勒苏沙地。它大部分分布在西乌珠穆沁旗，少量分布在东乌珠穆沁旗，因 而又被称作乌珠穆沁沙地( 王文辉，1 9 9 0 ；朱震达，1 9 9 4 ) 。地理坐标大体为：东经 11 6 。2 8 , - - 11 9 。0 8 ，北纬4 4 。2 9k 4 5 0 0 0 ( 图1 ) 。 1 2 地形地貌 图l 嘎亥额勒苏沙地地理位置 f i g 1t h eg e o g r a p h i cp o s i t i o no fg a h a i e l e s us a n dl a n d 浑善达克等内蒙古中东部沙地起源于第三纪后期古代河流、古代湖泊的冲积、不同地质 年代砂岩的物理分化，并在第四纪初期新构造运动使地体不断抬升和问冰期一度干旱气候的 双重作用下，再经风力吹蚀搬运，分选堆积形成( 中国科学院内蒙古宁夏综合考察队，1 9 8 5 ) 。 与浑善达克毗邻的嘎亥额勒苏沙地也是在这地质历史时期形成的。 6 内蒙古大学硕士论文 嘎亥额勒苏沙地地势东高西低，沙带由西向东宽度逐步减小，东部尾部南北宽不足2k m ， 西部南北宽可达2 0k m ，中部约1 0k m 左右( 图1 ) 。沙地内部为垅状沙丘( 佗) 与丘间低地( 甸) 相问排列，并有岛状湖沼镶嵌分布，具有典型的沙地地貌特征。沙丘多数较平缓，相对高度 一般为3 2 0m 。 1 3 气候 嘎亥额勒苏沙地沙地位于温带大陆性气候区，其特征是冬季寒冷、干旱、风大。地跨半 湿润气候带和半干旱气候带，水资源相对丰富。本区年均温0 3 ，年较差和日较差较大， 年日照时数3 0 0 0 3 2 0 0 h ，耋1 0 的积温2 0 0 0 2 6 0 0 ，无霜期1 0 0 l l o 天，较丰富的热 量和光照。年降水3 5 0 4 0 0n 1 1 t i ，年蒸发量为2 0 0 0 2 7 0 0m n ：干燥度为4 0 1 4 0 。光、热、 水同期。年平均风速3 5 5 0m s ，大风日数5 0 8 0d ，其中4 5 月平均风力均在5 级以上， 大风日数占全年的4 0 一5 0 ，冬春季节风力强大而且发生频繁。 1 4 土壤 其境内主要的土壤类型为风沙土。由于地貌呈坨( 沙丘) 、甸( 丘间低地) 相间分布，沙丘上 主要为风沙土，丘问低地土壤多为草甸或盐化草甸土，局部地段有盐碱土和沼泽土。围绕湖 盆或低湿洼地的土壤往往呈环带状分布，基本模式是：湖盆沼泽土、草甸沼泽土、盐化草甸 土、草甸土、风沙土。 1 5 水文 该区河流为内陆河，属乌拉盖水系，从东到西有宝日嘎斯台河、彦吉嘎高勒、高日罕高 勒、巴拉格尔高勒、巴格吉仁高勒、伊和吉仁高勒等6 条河流，沙地周边较大的湖泊有查干 淖尔、巴拉淖尔等。 该旗地表水资源较丰富，总量为1 5 9 8 0 万m 3 ，地下水补给量为5 3 3 2 7 万m 3 ，地上、地下 水总量为6 9 3 0 7 万m 3 ，占大气降水的8 。8 。可开采量为1 4 6 5 8 万m 3 ，占地下水资源的2 7 5 。 7 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 2 1 野外调查 2 1 1 沙丘潜水现状调查 2 研究方法与数据处理 在沙地地下水的存在形式以沙丘潜水为主，沙丘潜水出露形式主要有：河流、常年湖泊、 季节性湖泊、丘间低湿地，泉水等，降水较多的年份，潜水露头非常常见。 在充分考虑调查目的和交通条件的基础上，于2 0 0 7 年和2 0 0 8 年的7 月9 月对研究区域 的沙丘潜水及植被现状展开调查。通过对沙地沙丘潜水出露点、丘间低洼地的经纬度和潜水 埋深进行统计。 2 1 2 植被现状调查 在潜水出露处及潜水埋深较浅处设置样点，用g p s 定位，在每个样点根据植被类型的变 化设置样方、样线，记录样方内植物名称，测量各物种平均高度和统计各物种的株丛数及盖 度，同时记录群落生境。为进一步研究沙丘潜水与植被分布格局的关系提供基础。 2 2 野外试验与测定 2 2 1 不同群落土壤样品的采集与粒度测定 土壤样品的采集时间为2 0 0 8 年7 月8 月，为了研究粒度对土壤水分下渗的影响，在所 选群落( 表4 1 ) 的中央与中子仪测管相距lm 处，采用剖面法采集土样，取样深度分别为 0 - - 2 0g i n 、2 0 , - , 4 0 锄、4 0 - , 6 0g i n 、6 0 8 0c l i l 、8 啦! 0 0c l l l 、1 0 0 - - 1 2 0c n l 、1 2 啦1 4 0g i l l 、1 4 0 1 6 0 g n l ，每层取3 个重复，土样装入封口袋中，风干，带回室内进行粒度分析，并采用筛分法对 土壤样品进行粒径分析。 2 2 2 沙丘不同地形部位、不同群落土壤水分含量的测定 ( 1 ) 沙丘不同地形部位土壤水分含量的测定 为了研究沙丘不同地形部位土壤水分，我们于2 0 0 7 年8 月，在距西乌旗政府所在地巴彦 内蒙古大学硕士论文 乌拉镇北9k m 处的围封沙地中，选取高大、植被稀疏的半固定沙丘为样地，于沙丘的不同地 形部位，即阳坡、沙丘顶部、阴坡和丘间低洼地分别设置样点，在每个样点埋设中子仪探管， 测定沙丘各地形部位不同土壤深度的土壤水分含量，土壤水分含量测定的深度1 6 0 c m ，每层 问隔为2 0 c m ，设置2 个重复。 ( 2 ) 不同群落土壤水分含量的测定 为了研究不同群落的土壤水分，我们于2 0 0 8 年7 9 月，在距西乌旗政府所在地巴彦乌拉 镇北9k m 处的围封沙地中，选取典型的固定沙丘为样地，分别于阳坡的小叶锦鸡儿褐沙蒿 群落和一年生植物群落、丘项的黄柳群落、阴坡的耧斗叶绣线菊群落和丘问低洼地的多年生 禾草群落设置样点，在每个样点埋设中子仪探管，测定各群落不同土壤深度的土壤水分含量， 并密切关注天气情况，雨前、雨后要加测。土壤水分含量测定的深度1 6 0 c m ，每层间隔为2 0 c m ， 设置2 个重复。 2 2 3 不同干沙层厚度蒸散量的测定 由于生长季降雨频繁，自然状态下难以形成一定厚度的干沙层，所以在沙丘不同地形部 位分别选取植被盖度较大和无植被盖度的典型地段作为样点，并设置防雨罩。于2 0 0 8 年8 月 2 5 日，用l i 7 0 0 0 c 0 2 h 2 0 分析仪静态箱法，测定沙丘不同地形部位各样点的蒸散量，时间 间隔为两小时。光照强度采用z d s 1 0 w - 2 d 型号照度计测定。 2 3 数据处理 2 3 1 沙丘潜水信息提取 ( 1 ) 沙地沙丘潜水出露点及潜水面d e m 的提取 在l ：5 万国家基础地理信息数据库的数据系列中，包涵了区域水系的精确分布，以此为 基础，通过与2 0 0 8 的卫星影像的叠加分析，同时用g p s 对沙丘潜水出露点进行定位，从而 得到2 0 0 8 年潜水露头的信息。 在a r cg i s9 1 的支持下，将潜水露头数据与区域1 ：5 万d e m 数据进行叠加及空间分析， 提取野外采集潜水露头点的信息。 以野外考察潜水露头经纬度为依据，在1 ：5 万区域d e m 上提取高程值，采用协同泛克罩 9 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 格( c n - k r i g i n g ) 方法计算研究区潜水表面，经过数据的分区校验，采用球面模型的计算结果 与监测结果较为接近。计算结果潜水表面以海拔高度表示，以利于与d e m 和植被分布等数 据进行分析。 ( 2 ) 沙地沙丘潜水溢出带提取 将潜水表面模型与数字高程模型进行叠加分析，提取潜水表面高于地表的部分即地下水 溢出带，在潜水表面模型与d e m 交接的部分就是实际的地下水向地表水转换的界面。通过 地下水溢出带的提取，可以明确地下水与地表水分的相互转换的空间格局。 采用空间分析的手段，提取沙丘潜水表面高于数字地形表面的区域，然后提取这些区域 各自的最低区，构成最终的地下水溢出区。 2 3 2 样方数据的处理 将野外实地调查取得的样方数据，根据公式计算每个物种的相对密度、相对优势度( 盖 度) 、相对频度，再计算每个样点中所有物种的重要值。将3 2 个物种作为分析指标，1 2 5 个样 点作为分析单位，构成一个原始数据矩阵。采用植被数量分析软件c a n o c 0 4 5 ，对原始数 据进行除趋势对应分析( d c a ) ，并对分析结果进行生态学意义上的解释，确定嘎亥额勒苏沙 地不同地形部位的聚类群分布特点。 2 3 3 群落蒸散量计算 求取被测表面气体的通量f ( m g m 之m i f f l ) ： f m a m ( s a t ) = ( d v a c ) ( s * a t ) = d h a c a t = - o 7 5 1 tp a a c r t a t p a 可以用a t m ( 标准大气压) 计算，l a t m = 1 0 1 3 k p a 式中a m 为时间间隔t 内箱体内被测气体质量的变化( m 曲；s 为被测表面积( m 2 ) ；d 为 箱体内气体的密度，d = p f l r t ，且假定在时间间隔t 内气体密( m 吕m 3 ) ，其中p 为箱内气压 ( a t m ) ii l 为摩尔质量( g m u l 。1 ) ，r 为气体( o 0 8 2 0 6 a r m m o l q k 1 ) ，t 为箱体内气温( k ) ，t - - 2 7 3 1 5 + t ；t 为箱体内气温( ) 箱高度( m ) ；a c 为时间t 内箱内被测气体浓度的变化( p m 0 1 m o l _ ) 。 f h 2 0 ( g m - 2 m i n ) = o 7 5 x l s x p a a c ( m m 0 1 m o l ) 0 0 8 2 0 6 ( 2 7 3 15 + 0 l o 内蒙古大学硕士论文 2 3 4 气室内外温度差异比较 p 餐 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 l o 5 0 四大气温度口气室温度 堰匡蓁藿雾震 7 ：0 09 ：0 01 1 ：0 01 3 ：0 01 5 ：0 01 7 ：0 0 时间h 图2 1 气室内外温度差异图 f i 9 2 - lt e m p e r a t u r ec o m p a r i s o nb o t w c o nt h ei n s i d ea n do u t s i d eo ft h ec l i m a t ec h a m b e r 气室内外温度差异不大，中午时气室内外温差较大时最大不超过6 5 c ，所以温室效应不 明显。 2 3 5 数据统计和图表制作 用e x c e l 进行数据的预处理与制图等，在a r c g i s 9 1 软件下处理遥感影像和区域d e m ， 用植被数量分析软件c a n o c 0 4 5 对样方数据进行d c a 排序。 嘎亥额勒苏沙地沙丘潜水产状、动态及其与植被的相关性 3 1 沙丘潜水产状 3 结果与分析 沙丘潜水的露头是区域地下水排泄的主要方式，常见的潜水露头形式有以下几种：河流、 常年湖泊、季节性湖泊、丘间低湿地，泉水等，降水较多的年份，在沙地中这样的地下水露 头非常常见。 由于这些特殊的水文地质构造，使得沙丘潜水露头成为提取计算沙丘潜水表面的重要信 息来源。以g p s 为测量手段，通过基础地理信息( 1 ：5 万d e m ) 以及卫星影像，提取以海拔 高度显示的沙地沙丘潜水面d e m ，进而确定沙丘潜水与植被的关联。 3 1 12 0 0 7 年和2 0 0 8 年生长季降雨量比较 由2 0 0 7 年和2 0 0 8 年西乌旗降雨量统计表( 表3 1 ) 可以看出，2 0 0 8 年生长季降雨总量、 单次降雨最大值和降雨次数都要高于2 0 0 7 年，尤其是2 0 0 8 年生长季降雨总量是2 0 0 7 年的 2 5 倍左右。 由2 0 0 7 年和2 0 0 8 年生长季各月份降雨量图( 图3 1 ) 可以获知，2 0 0 8 年生长季各月份 降雨总量都大于2 0 0 7 年同期降雨总量，特别是2 0 0 8 年6 月份降雨量显著高于2 0 0 7 年同期降 雨量。2 0 0 8 年6 月降雨量占整个生长季降雨总量的1 2 左右，水分下渗的时滞性和相对集中 降雨对我们在2 0 0 8 年的7 月初进行潜水露头的调查非常有利。 表3 - 12 0 0 7 年和2 0 0 8 年西鸟旗降雨量统计 t a b l e 3 1t h es t a t i s t i ca n a l y s i so f r a i n f a l li nm a yt h r o u g hs e p t e m b e ro f 2 0 0 7a n d2 0 0 8 1 2 内肇古 学颤i ：论文 3 捌 窿 遨 一 一一 盯一 5 月6 月7 月8 月 9 月 月份 珥3 - 12 0 0 7 年和2 m 年生长季各月甘降西量 f i g 3 - i t h er a i n f a l l 抽g r o w i n g s e a s o n o f 2 0 0 7 a d d 2 0 0 $ 3t 2 沙地沙丘潜水出露点特征 由2 0 0 7 年和2 0 0 8 年潜水露头与d e m 叠加分析圈( 图3 - 2 、图3 - 3 ) 可以获知，2 0 0 7 年 沙地潜水出露很少，除几条常年河流外，只有零星的一些小湖泊，同时实地调查还发现湖面 水位持续下降，而且多数季节河流已干涸；2 0 0 8 年沙地潜水出鳝较为普遍，且主要以河流和 湖泊的形式出现，实地调查还发现湖面水位较2 0 0 7 年有大幅回升，且丈多数季节河均有河水 出现。 一 乩嚏舀醢池 a l ”_ ：i ” 卅水摊 i l i 麒f 蜘t 固3 22 0 0 8 年眷水拳头与d e m 叠加舟析田 h g3 - 2w a 孵p i 帅d 辩农面) a p p 锄蜘a n d s u p e q 描e da n a l y s i n g w i t h d e m i n2 0 憾 们拍们0 嘎亥额勒苏眇地沙r 措水产状、动吝厦其，缸被的相共性 搿坛 渡监皇 i “：m m 十# * _ h ：蛐 圈3 42 0 0 7 年潜水霉击与d e m 叠加分析田 f i g , 3 - 3w a t e r p l a n e ( 潜水面) 卵p e 啪da n d 哪峨删址m p 镕w i t h d e m i n2 0 0 7 由以海拔高度表示的2 0 0 8 年沙丘潜水表面与地形表面( 圈3 4 ) 可以看出，潜水表面随 地形表面的起伏而波动，在沙地中有两个地下水出露的“谷”，一个在沙地的西部为伊和吉 仁高勒流经的区域，另一个位于沙她的中部为巴拉格尔河流经的区域。 j 露 女i m “ _ m 曲：1 0 5 一- “e i 瑚 一d t ：f f l q 一7 a - ：8 5 1 田3 4m 海提高度袁示的2 0 0 8 年沙丘眷水表面与地形表面 f i g3 - 4t o p o g r a p h i c a ls m f a e ea n d w a r n p l a n e i n2 0 0 8 w h e ne x p r e s s o d w i t ha l t i t u d e 313 沙地沙丘潜水溢出带特征 由2 0 0 7 年和2 0 0 8 年潜水表面与地形表面叠加分析图( 图3 - 5 、图3 - 6 ) 及2 0 0 7 年和2 0 0 8 年沙丘潜水溢出带分布图( 图3 - 7 、图3 8 ) 可以获知，嘎亥颧勒苏沙地中沙丘潜水出露较为 普遍，沙地西部和巾部的周边有河流及小湖泊组成的湿地环。西部地f 水资源较丰富，多以 河流，湖泊形式排出；中部地势较高且平坦，地下水位较为平缓，地下水的落差不大，地下 水以涟地湖泊、季节性湖泊和低湿地为主；东部地势起伏较大地下水多以季节性河流和湖 自辇古大学硬l 论文 泊的形式出露。 田3 - 5 如形表面与2 0 嘴井水