2种不同生态及地质构造系统蓄水量模拟演示实践

民勤绿洲沙质（粒）和土质（粒）2种不同生态及地质构造系统蓄水量模拟演示实践

 

摘要：从民勤绿洲沙质（粒）和土质（粒）2种不同地质构造系统蓄水量入手，通过采用饮料瓶罐窖藏“蓄水量称重法”与“比重瓶法”进行沙粒、土粒蓄水量、密度测定等模拟演示公共数字社会实践探究。结果表明，沙质（粒）层地质构造系统，当蓄水量为0.2kg时，沙粒蓄水量达到饱和状态，水分不再下渗，当蓄水量超过0.2kg时，沙粒蓄水量达到过饱和、超饱和状态，注入自来水悬浮于沙质层上部，饱和状态沙粒蓄水量与沙粒重量比例约1∶5；土质（粒）层地质构造系统，当蓄水量为0.4kg时，土粒蓄水量达到饱和状态，水分不再下渗，当蓄水量超过0.4kg时，土粒蓄水量达到过饱和、超饱和状态，注入自来水悬浮于土质层上部，饱和状态土粒蓄水量与土粒重量比例约2∶5。通过2种不同地质构造比对分析研究发现，沙质层蓄水下渗速度快，因沙质粗糙、沙粒大、水沙不相融，沙质层蓄水量较小，但随沙质（粒）层深浅变化，蓄水量随着增大或减小，蓄水能力随着增强或减弱；而土质层蓄水下渗速度慢，因土质细腻、土粒小、水土相融，土质层蓄水量较大，蓄水能力较强。

 

沙质和土质2种不同生态及地质构造系统蓄水量是沙漠、沙地及土地生命之源和稳定之源的绿色孵化器。特别是白刺、沙葱、沙米、黄蒿、芨芨草等天然林草植被的长势情况是沙漠、沙地等土地降雨量和生态及地质蓄水量大小的试金石、晴雨表和指示剂，生态及地质蓄水量好的地区，植被盖度高，长势好，在强风作用下不起沙、不起尘，生态及地质趋于自然平衡状态。而沙漠、沙地和土地荒漠化是形成“沙尘暴”生态及地质灾害性天气最根本的物质要素构件。因此，对沙质和土质2种不同生态及地质构造系统蓄水量的探索、实践、研究，成为科学防沙（风）治（固）沙用（储）沙、防治土地荒漠化和控制消减“沙尘暴”重大时代课题。

 

1实践区概况

 

民勤绿洲地处甘肃省河西走廊东北部，石羊河流域下游，东、西、北三面被巴丹吉林和腾格里两大沙漠所包围，是全国荒漠化最为严重的地区之一。属温带大陆性极干旱荒漠气候区，常年干燥，降水稀少，蒸发强烈，昼夜温差大，日照时间长，风大沙多，年平均气温7.8℃，年日照时数3028h，无霜期162d，年降水量113.6mm，年均蒸发量2643.3mm，是降雨量的23.2倍，干燥度11.4。土壤为沙壤土、风沙土、黏土、盐碱土等，土层瘠薄，有机质匮乏，土地疏松，通气性好。境内主风向为西北向，8级以上大风29d，最大风力达11级。年均沙尘暴日数37d，干热风5~7d，植被类型以白刺、红砂、梭梭、沙葱、芨芨草、冰草灌草型为主，生态及地质灾害性天气主要有扬沙、浮尘、沙尘暴、尘霾等。

 

2材料及方法

 

2.1材料

 

实践材料土粒、沙粒分别于2023年4月23日采自民勤县林草综合治理项目青土坑作业区，2024年5月16日采自民勤县苏武镇王和村生态及地质避险搬迁点东侧中沙窝，城区饮用自来水（地下水）。实践仪器为TCS-150电子台秤、容积为1L康师傅冰红茶饮料瓶、园艺小铲子、纸质圆锥形漏斗等实践仪器装备。

 

2.2方法

 

采用饮料瓶罐窖藏沙土粒“蓄水量称重法”和“比重瓶法”模拟演示，测定沙质层、土质层2种生态及地质饱和蓄水量、密度、蓄水能力，用来科学防沙（风）治（固）沙用（储）沙、防治土地荒漠化和控制消减“沙尘暴”，探索、实践、研究沙漠生态治理“自然科学创造理论”和“工程技术创造理论”（简称沙漠“两创论”）。

 

2.3实践设置

 

实践重点针对沙质（粒）和土质（粒）2种不同地质构造系统各设置1个对照、3个处理。其中，沙质（粒）构造系统。对照：在容积为1L冰红茶饮料瓶内装入1kg沙粒，然后缓慢注入自来水，当沙粒临近湿透时停止注水，称量计算出注入水量，观察记录沙粒蓄水情况；处理1：在容积为1L冰红茶饮料瓶内装入1kg沙粒，然后缓慢注入自来水，直至沙粒湿透达到饱和状态停止注水，称量计算出注入饱和蓄水量，观察记录沙粒蓄水情况；处理2：在容积为1L冰红茶饮料瓶内装入1kg沙粒，然后缓慢注入自来水，直至沙粒湿透达到饱和状态后继续注水至0.25kg，观察记录沙粒蓄水情况；处理3：在容积为1L冰红茶饮料瓶内装入1kg沙粒，然后缓慢注入自来水，直至沙粒湿透达到过饱和状态后持续注水至0.30kg，进一步观察记录沙粒蓄水情况。而土质（粒）地质构造系统蓄水量测定实践设置同沙质（粒）地质构造系统设置，观察记录土粒蓄水情况，计算得出2种不同地质构造蓄水量进行探索、实践、分析研究。

 

3实践步骤

 

3.1实践时间

 

2023年03月06日－2024年09月09日。

 

3.2实践地点

 

民勤县林业技术推广站种苗沙土（尘）实践室。

 

3.3实践步骤

 

（1）先将采样好的沙粒、土粒分别倒在报纸上晾干、晒干（“晒沙”“晒土”），特别是土粒黏结成块（团）的要研磨成土粒，称取冰红茶饮料瓶容器的重量。

 

（2）将晒干的沙粒、土粒分别装入3个冰红茶饮料瓶，并贴上实践标签，分别称取容器所装样品重量，再计算容器所装沙粒、土粒的重量。

 

（3）分别缓慢往饮料瓶容器注水至临近饱和状态、饱和状态、过饱和状态和超饱和状态，静置5min注满水后，分别称取上述容器重量，然后计算出各容器注入水的重量或体积。

 

（4）通过采集样品，计算出单位沙质（粒）、土质（粒）的蓄水量。

 

4结果与分析

 

4.12种不同地质构造系统沙质层与土质层对模拟演示蓄水量的影响

 

由表1可知，当蓄水量达到0.2kg时，沙粒蓄水量达到饱和状态水分不再下渗，当蓄水量超过0.2kg时，沙粒蓄水量达到过饱和状态，注入自来水悬浮于沙质层上部，饱和状态沙粒蓄水量与沙粒重量比约为1∶5。当蓄水量达到0.4kg时，土粒蓄水量达到饱和状态水分不再下渗，当蓄水量超过0.4kg时，土粒蓄水量达到过饱和状态，注入自来水悬浮于土质层上部，饱和状态土粒蓄水量与土粒重量比约为2∶5（见表1）。

依此推测，沙漠沙质层越深厚，雨水下渗越深厚，生态蓄水量越大，随着沙质层深度的增大而增大；而土地土质层越深厚，雨水（灌水）下渗至饱和状态出现最大田间持水量，但达到饱和状态后不再下渗，生态及地质蓄水量达到峰值，不会随土质层深度的增加而增加，特别是沙漠丘间低地黏土层，降雨后下渗速度慢或不下渗，在地面积水蒸发出去或形成地表径流流走。

 

4.2不同地质构造沙质层与土质层密度、蓄水量比对实践

 

由表2可知，在水分下渗的速度方面，沙漠沙质层下渗速度极快，随时降雨（灌溉）随时下渗，直至下渗到底达到饱和状态不再下渗，而土地土质层下渗速度极慢，直至下渗到底达到饱和状态需要24h以上，特别是黏土层，降雨难以下渗在地面积水、积涝、蒸发，或形成地表径流汇入河流；在蓄水、防洪、防涝方面，沙漠沙质层要比土地土质层蓄水调节效果好，自然降雨或灌溉及时下渗，可起到蓄水、防洪、防涝作用；在灌溉方面，沙漠沙质层的蓄水能力比土地土质层的蓄水能力相对较弱。

 

降水后沙漠沙质层由干沙层变为湿沙层，其沙质地质构造由“固－气”悬浮漂移两相态变为“固－液－气”相持稳定三相态，从而起到科学防沙（风）治（固）沙、控制消减“沙尘暴”沙源区和尘源区的作用，可有效削弱沙漠沙粒的流动性，提高沙漠地质的稳定性和黏结性。而土地降水后土质层由干土层变为湿土层，其土质地质构造由“固－气”悬浮漂移两相态变为“固－液－气”融合稳定单相态呈“团粒”稳定结构，从而起到科学防治土地荒漠化和气候干旱的作用，提高土壤地质团粒性和稳定性。1L沙粒蓄水量0.35kg，即1m3沙粒蓄水量350kg，而1L土粒蓄水量0.45kg，即1m3土粒蓄水量450kg。据此可匡算出沙漠、沙地、土地单位体积的自然生态及地质蓄水量，从而科学供水，以满足大漠风沙区人民生产、生活、生存和世代繁衍生息。

 

5结论与讨论

 

沙质（粒）层地质构造系统，当蓄水量为0.2kg时，沙粒蓄水量达到饱和状态水分不再下渗；当蓄水量超过0.2kg时，沙粒蓄水量达到过饱和状态，注入自来水悬浮于沙质层上部，饱和状态沙粒蓄水量与沙粒重量比约为1∶5。

 

土质（粒）层地质构造系统，当蓄水量为0.4kg时，土粒蓄水量达到饱和状态水分不再下渗，当蓄水量超过0.4kg时，土粒蓄水量达到过饱和状态，注入自来水悬浮于土质层上部，饱和状态土粒蓄水量与土粒重量比约为2∶5。

 

沙质层蓄水下渗速度快，因沙质粗糙、沙粒大、水沙不相融，沙质层蓄水量较小，但随沙质（粒）层深浅变化，蓄水量随着增大或减小，蓄水能力随之增强或减弱；而土质层蓄水下渗速度慢，因土质细腻、土粒小、水土相融，土质层蓄水量较大，蓄水能力较强。

 

放置在实践室分别装入半密闭容器饮料瓶内的沙粒、土粒丝毫不受瓶内、室内外空气、大风沙尘天气的影响，当缓慢注入自来水，水分下渗潜入沙粒、土粒，沙粒由干沙变为湿沙，将沙质层内的空气排出在外，干沙层由“固－气”两相态转变为“固－液－气”相持稳定三相态，沙质地质构造处于相持稳定状态，而土粒由干土粒变为泥土，将土质层内的空气近似排除在外，干土层由“固－气”两相态转变为“固－液－气”融合稳定单相态，土质地质构造处于团粒稳定状态，不受空气、强风等影响。

 

由此可见，沙漠、沙地、土地（壤）近地面设置生态、环保、无污染生态及地质自然保护地“生态及地质防护罩”，以隔离强风，最大限度减少水分蒸发，科学高效循环节约利用水资源，发展知识密集型农林草海沙“大农业”，造福人类。