沙地水分的研究进展
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第650页（3080字）
土地沙漠化是当前世界极为严重的生态问题和社会经济问题。
主要发生在干旱、半干旱地区和半湿润地区。土地沙漠化造成生物生产量下降和可利用土地资源的丧失相当严重，全世界受沙漠化危害和影响的土地约有3．6×1012m2，涉及全球1／4土地面积和1／6的人口。为了改造和利用土地，防治土地沙化，许多国家都注重沙地水分的观测和研究，并取得一些进展。
沙地水分的研究，前苏联起步较早。
1912～1913年，托马斯基开始对俄罗斯东南沙地进行水分状况的定位研究，首次收集沙地水分状况和有关大气凝结水的资料。1930～1936年前苏联的观测扩大到捷别克沙地、那伦沙地。
杜卡斯基在顿河、索别列夫在第聂伯河下游分别对沙地湿度状况进行分析和观察。彼得罗夫和里昂捷夫等则积累了中亚沙区水分状况的大量资料。
50年代法国，Stoue、Stuger、Milthorpe详细地观察与研究干旱沙地露水凝结的重要性，收集了大量资料。
法国Monteith和Hofmann对有关露的形成条件进行了论述。1948年日本不少大学和科研单位进行了沙地含水量与砂粒大小关系研究，随之有人进行了水源、水位、水量和水动态的研究工作。1958年库利克提出根据水分资料来确定沙地旱情的论述。
沃朗科夫和斯维特利谢夫阐述了前苏联部分沙质土，特别是顿河沙地的水分状况，并建立起顿河水分平衡的简单方程。随后米霍维奇和维诺格拉夫对乌克兰沙地做了详细的研究，并出版《荒漠过境水及其利用问题》。奥吉尔维和丘巴罗夫研究了雅斯汉淡水透镜地区各沙地热量平衡和水分平衡之间的关系，并且开始对地下储水与沙地水分变化关系的重要性进行研究。
沙地水分运动的基础是沙土的土质和粒径组成，不同粒径组成具有不同的沙土水分状况和运动状态。Thormpson应用土壤物理学理论分析指出：沙土田间持水量受有机质含量影响大，调萎点随植物生长情况和大气状况而发生轻微变化。而孔隙体积与细砂、粉砂、粘粒、有机质和可溶性盐含量成正相关，与粗砂、碳酸钙和代换性钠含量成负相关。
沙粒较细时，孔隙率小，沙中的水蒸气扩散系数较小，沙丘蒸发速度慢。70年代以来，许多国家在沙地上建立了气象观测系统，从而把气象学和气候学理论应用到沙地水分研究中。
土壤温度对沙地水分影响明显，当土壤在夜间冷却时，水汽压下降，水汽从温度高的地下向温度低的地表运动，并进行蒸发。
土层中水蒸气的迁移受热力规律所支配。
这是因土壤中空气含有的水汽所受局部压力与液态水状况相关，特别是液态水随温度呈现函数关系。沙层中液态水主要决定于大气降水，当降水在沙丘上下渗时，受沙丘的形态、结构影响和超过休止角的沙层跌落的覆盖，使水分深入沙层。
沙地表层的干沙层直接影响降水补给沙丘的水量，干沙层对沙丘微气候影响很大，干沙层与地温(0～20cm)的日变化相关，两者周期极相似，干沙层随地温下降水分略有增加趋势。进入沙丘中的水分的运动可以分汽态和液态水运动，它们的影响因素有土体孔隙和各种“势”以及土壤的温度梯度(库利克，1979)。
库利克应用热力学与土壤水文学指出，水分迁移强度取决于化学梯度势和温度梯度、液流断面和液体的粘滞性，并总结为：气压势在沙地水分不超过最小持水量时，对水分迁移意义较小；当超过时则为主要因素，并对地表蒸发产生影响。
应用生物学与生态学来分析植物体与沙地储水之间关系。
在湿润地区Smith认为良好的土壤条件下，牧草生长时土壤水分亏缺的界限为50mm(1m土层内)，在浅薄的土壤中，该界线降到5mm。为了保证牧草生长，牧草实际蒸散量和土壤含水量之差值，不应超过5mm这个限度。
植被蒸腾作用消耗降水量的72%。裸沙地土壤表层水势波动与降水有关，降水时植被覆盖地的土壤层水势增加，尽管沙地持水量低于粉沙与粘土持水量，但沙粒持水的负基质电位比颗粒低的多，即使沙的含水量较低，植物也易吸收。
应用风沙流动力学研究沙地土壤水分含量与风蚀关系引起许多人的兴趣。W．P．Chepil发现土壤可蚀性随土壤水分增量的平方而减少，土壤水汽压达到15%大气压时则不发生风蚀。经过不断的研究，其结论为土壤水分对起动风速的增大程度与土壤质地有密切联系。一般地，其凋萎系数大，在一定范围内则土壤水分增大条件下起动风速呈缓增趋势。
经过研究，完整的模拟系统已经建立，70年代以来，模拟水文层流系统发展很快。在沙地中，不饱和水分迁移模型已发展到二维系统即垂直与水平方向上(N．Hanks，1973)，模拟不同相液态水与气态水过程就需要设计空间方向上的三维模型。
降水可以看作是随机模型，虽然降水在空间上分配不均衡，但采用随机模型来模拟降水过程证明是可行的，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，可以研究蒸发输出与土壤水特性、土壤水数量。
地下水经常当作单独系统来考虑，实际上沙漠地区地下水与地表水是相互转化的，地下水除部分来源于降水外，地表水系中河水下渗或山区地质结构裂隙的入渗，往往成为地下水的重要组成部分。
沙漠地区地下水是生物生长的重要因素。草原地区和沿沙漠边缘潜水溢出带和凿井带，在模拟沙地水分时不能忽略地下水的作用。
国际生态中的沙漠生态项目已经开始从事这个沙漠带的任务。
沙地水分研究进展的另一种表现，是世界各地沙地水分研究机构和人员的不断增加。50年代之前，前苏联和美国、日本等国家都有从事有关沙地水分研究的机构：如前苏联的土库曼沙漠所列别捷夫试验站、日本的鸟取大学沙地水分研究室等。进入60～70年代，主要研究沙地水分的国家开始建立起专门机构，如日本、前苏联、美国、埃及等国家建立起了水分平衡研究试验场。
70～80年代，随着沙漠化的研究，开始从事沙地水分研究的国家和地区逐渐增多，世界上有沙漠的沙地分布的国家都开始直接或间接对沙地水分进行观察和研究。
沙地水分研究的深入，促进了沙地利用和保水技术的改善。
节水保水技术有：采用地膜覆盖和下层防渗材料、干旱条件下盐水和咸水灌溉、光电流电渗析法。自从美国Sterling Davis首先研制滴灌系统以来，给沙漠地区经济、有效地用水提供了良好的方法。随后以色列迅速发展滴灌技术，已建立起自控模拟滴灌系统。
美国、澳大利亚也都积极采用，使沙地农业和经济种植得以发展。
中国沙地水分研究从20世纪60年代开始。60～70年代主要采用定点人工测定沙土水常数，确定了沙地水分运动的简单过程。
70～90年代沙地水分研究与农业生产和防风固沙林相联系，继续进行部分定点(位)沙地水分观测，并在90年代建立起一些水分平衡场，使水资源综合评价得以发展，并在沙坡头站加强了沙地水分的研究，不同地区的站、点也相应进行了沙地水分的动态观测。同时逐步建立优化组合模型，但沙地水分的平衡综合研究和动态模拟还很薄弱。
(中国科学院兰州沙漠研究所冯起、高前兆研究员撰)