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植樹造林是生態(tài)建設的主要手段之一,我國自20世紀70年代開始建設“三北防護林”和退耕還林還草工程,土地利用和覆蓋變化(LUCC),影響著當?shù)氐乃Y源。干旱半干旱地區(qū)約占全球陸地面積的45%,水資源利用上主要依賴地下水,因而評估生態(tài)工程對地下水補給的影響至關重要。氯質(zhì)量平衡方法(CMB)是估算干旱半干旱地區(qū)地下水補給量的常用方法,然而,在評價LUCC對地下水補給影響時,前提條件是包氣帶土壤氯含量分布的代表性,以及曲線達到穩(wěn)態(tài)。缺乏對于這些條件的判別方法,在一定程度上限制了CMB方法的應用。
針對上述問題,中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所頁巖氣與地質(zhì)工程院重點實驗室副研究員黃天明、研究員龐忠和等,建立了在LUCC條件下判別土壤氯含量分布曲線是否達到穩(wěn)態(tài)的方法。方法的原理包括:第一,LUCC變化時間與特定深度的土壤水分年齡對比判斷氯剖面的代表性,即對比特定深度上土地利用變化歷史延時(AL)與氯累積年齡(A),如果前者大于后者,說明這個深度以上的土壤水是新植被覆蓋條件下補給的,可以利用包氣帶氯質(zhì)量平衡方法評價地下水補給及其變化;反之,說明土壤水是新舊兩種條件下補給水的混合物,系統(tǒng)水分分布尚未達到新的平衡。第二,利用氯累積和水分累積的相關曲線來識別土壤氯剖面是否為穩(wěn)態(tài),線性曲線為穩(wěn)態(tài),否則,為非穩(wěn)態(tài)(圖1)。
圖1.土地利用與覆蓋變化(LUCC)條件下包氣帶氯剖面特征及穩(wěn)態(tài)識別
毛烏素沙地(圖2)雖然降水量較?。?20 mm/yr),但裸地補給量較大(50-54 mm/yr)。原因是包氣帶巖性為細砂和粉砂,土壤水入滲較快。利用該研究提出的方法進行判別,發(fā)現(xiàn)在蓋度較低的稀疏草地、灌木和林地下面的土壤剖面已達到穩(wěn)定狀態(tài)(圖3),可直接利用CMB方法估算補給。但在蓋度較高的灌木條件下,土壤剖面尚未達到新的平衡,不能用此方法。評估結(jié)果表明,毛烏素沙地的地表植被為沙蒿、檸條、沙柳、楊樹等的時候,相對于裸地條件下,在補給區(qū)地下水補給量就會減少到67%,甚至10%以下,在排泄區(qū)則應該更少。因此,毛烏素沙地的地下水受防護林建設的影響是比較顯著的。
研究提出的評估方法,可用于區(qū)域水文模型的標定或遙感方法估算補給量的校正。綜合應用上述技術方法,有望在更大的時空尺度上,對干旱半干旱地區(qū)實施的植樹造林等生態(tài)工程對地下水補給的影響進行更加系統(tǒng)的評價。
圖2.毛烏素沙地研究區(qū)土壤剖面和地下水采樣點位置圖
圖3.毛烏素沙地土壤氯剖面穩(wěn)態(tài)曲線(AL>A)
相關研究成果以Impact of afforestation on atmospheric recharge to groundwater in a semiarid area為題,發(fā)表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres上。研究工作得到了國家自然科學基金委、中國地調(diào)局西安地質(zhì)調(diào)查中心、中科院青年創(chuàng)新促進會和國際原子能機構(gòu)(IAEA)等的資助。
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