Simulation of soil moisture dynamics under <italic style="font-style: italic">Hedysarum scoparium</italic> forests on fixed sand-dunes in eastern sandy land of Yellow River in Ningxia based on Hydrus-1D model

Zhang Weifu; Zhan Xiuli; Ma Siyi; Zhang Chengchun; Ma Xiaoxia

doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.013

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Simulation of soil moisture dynamics under Hedysarum scoparium forests on fixed sand-dunes in eastern sandy land of Yellow River in Ningxia based on Hydrus-1D model

Soil and Water Conservation Monitoring and Applied Technology

- Simulation of soil moisture dynamics under Hedysarum scoparium forests on fixed sand-dunes in eastern sandy land of Yellow River in Ningxia based on Hydrus-1D model
- Bulletin of Soil and Water Conservation Vol. 45, Issue 5, Pages: 267-276(2025)
- 作者机构：
  
  1.宁夏大学地理科学与规划学院，宁夏银川 750021
  2.中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，宁夏银川 750021
  3.宁夏旱区资源评价与环境调控重点实验室，宁夏银川 750021
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.013
  CLC： S152.7
- CSTR：32312.14.stbctb.2025.05.013.
- Received：07 April 2025，
  
  Revised：2025-06-11，
  
  Published：10 October 2025
- 稿件说明：
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张维福, 展秀丽, 马思怡，等.基于Hydrus-1D模型的宁夏河东沙地固定沙丘花棒林土壤水分动态模拟[J].水土保持通报,2025,45(5):267-276.

Zhang Weifu, Zhan Xiuli, Ma Siyi, et al. Simulation of soil moisture dynamics under Hedysarum scoparium forests on fixed sand-dunes in eastern sandy land of Yellow River in Ningxia based on Hydrus-1D model [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(5):267-276.
张维福, 展秀丽, 马思怡，等.基于Hydrus-1D模型的宁夏河东沙地固定沙丘花棒林土壤水分动态模拟[J].水土保持通报,2025,45(5):267-276. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.013. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.05.013..

Zhang Weifu, Zhan Xiuli, Ma Siyi, et al. Simulation of soil moisture dynamics under Hedysarum scoparium forests on fixed sand-dunes in eastern sandy land of Yellow River in Ningxia based on Hydrus-1D model [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(5):267-276. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.013. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.05.013..

摘要

目的

探究宁夏河东沙地固定沙丘花棒林土壤水分的变化规律，为该区沙漠化持续治理和防沙治沙效果评价提供科学参考。

方法

利用Hydrus-1D模型，模拟0—150 cm土壤剖面的土壤水分垂直分布和时间变化特征，并采用决定系数

、均方根误差RMSE和相对误差RE评价了模型在宁夏河东沙地的适用性。

结果

①降雨入渗表现出阈值依赖特征：降雨量小于2.2 mm时，入渗深度小于5 cm，降雨量介于3.6~8.2 mm时，入渗深度介于5~15 cm；降雨量介于10.8~22.8 mm时，入渗深度介于15~30 cm； ②利用Hydrus-1D模型模拟花棒林地不同深度土壤含水量总体模拟效果较好，模拟阶段和验证阶段决定系数分别为0.756和0.773，均方根误差分别为0.071%和0.064%，相对误差分别为0.030%，0.032%；表层5 cm和深层125 cm土壤含水量拟合精度不高，15，30，50，80 cm土壤含水量模拟效果较好，土层决定系数范围为0.571~0.849，均方根误差为0.000 1%~0.042%。

结论

不同降雨事件下的入渗效果有所差异，总体上降雨入渗的深度随着降雨量的增加而增加。Hydrus-1D模型模拟的土壤含水量与实测值吻合度较高，并证明该模型适用于模拟宁夏河东沙地土壤剖面的含水量。

Abstract

Objective

Soil moisture spatiotemporal dynamics in fixed sand-dunes （planted with

Hedysarum scoparium

） in eastern Yellow River sandy land in Ningxia Hui Autonomous Region were investigated， to provide scientific insights for sustainable desertification control and effective evaluation of sand stabilization measures.

Methods

The HYDRUS-1D model was employed to simulate the vertical distribution （0—150 cm profile） and temporal variations in soil moisture in fixed dunes. The model performance in easte

rn sandy land of Yellow River in Ningxia was evaluated using the coefficient of determination （

²）， root mean square error （RMSE）， and relative error （RE）.

Results

① Rainfall infiltration exhibited threshold-dependent characteristics： infiltration depth was limited to

5 cm when precipitation

2.2 mm， 5—15 cm for 3.6—8.2 mm rainfall， and 15—30 cm for 10.8—22.8 mm rainfall. ② The model demonstrated satisfactory performance in simulating soil-water content across most depths （calibration

²=0.756， validation

²=0.773； RMSE=0.071% and 0.064%； RE=0.030% and 0.032%）. Although surface （5 cm） and deep layer （125 cm） simulations showed lower accuracy， intermediate layers （15， 30， 50， and 80 cm） achieved better results （

²=0.571—0.849， RMSE=0.0001%—0.042%）.

Conclusion

The infiltration patterns varied significantly across rainfall events， showing a positive correlation between the amount of precipitation and infiltration depth. The HYDRUS-1D model proved suitable for simulating the soil moisture dynamics in this arid sandy ecosystem， with simulations closely matching field observations.

关键词

Keywords

references

Lü Yihe ， Fu Bojie ， Feng Xiaoming ， et al . A policy-driven large scale ecological restoration：Quantifying ecosystem services changes in the Loess Plateau of China ［J］. PLoS One ， 2012 ， 7 （ 2 ）： e31782 .

张永旺，王俊，屈亚潭，等 . 黄土高原植被恢复过程中土壤水分有效性评价［J］. 灌溉排水学报， 2020 ， 39 （ 6 ）： 79 - 85 .

Zhang Yongwang ， Wang Jun ， Qu Yatan ， et al . Evaluating bioavailable soil water during vegetation restoration in the Loess Plateau ［J］. Journal of Irrigation and Drainage ， 2020 ， 39 （ 6 ）： 79 - 85 .

赵思腾，赵学勇，李玉霖，等 . 干旱半干旱区地下水埋深对沙地植物土壤系统演变的驱动作用综述［J］. 生态学报， 2022 ， 42 （ 23 ）： 9898 - 9908 .

Zhao Siteng ， Zhao Xueyong ， Li Yulin ， et al . A review on the driving effect of groundwater depth on the evolution of sandy plant soil systems in arid and semi-arid region ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2022 ， 42 （ 23 ）： 9898 - 9908 .

朱林峰，张宇清，秦树高，等 . 油蒿群落不同恢复阶段的土壤水分空间异质性及植被特征［J］. 水土保持通报， 2015 ， 35 （ 6 ）： 58 - 63 .

Zhu Linfeng ， Zhang Yuqing ， Qin Shugao ， et al . Spatial heterogeneity of soil moisture and vegetation characteristics in Artemisia ordosica community at different succession stages ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2015 ， 35 （ 6 ）： 58 - 63 .

田英，许喆，王娅丽，等 . 宁夏银川平原沙化土地不同人工林土壤质量评价［J］. 生态学报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1515 - 1525 .

Tian Ying ， Xu Zhe ， Wang Yali ， et al . Soil quality evaluation for different forest plantation of sandy land in Yinchuan Plain， Ningxia ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1515 - 1525 .

韩新生，刘广全，许浩，等 . 宁夏南部半干旱黄土区3种土地利用类型的土壤水分时空变化特征［J］. 水土保持学报， 2022 ， 36 （ 6 ）： 250 - 259 .

Han Xinsheng ， Liu Guangquan ， Xu Hao ， et al . Temporal and spatial variation characteristics of soil moisture under three land use types in the semi-arid loess region of southern Ningxia ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2022 ， 36 （ 6 ）： 250 - 259 .

何晓帆，田丽慧，汪海娇，等 . 高寒沙地沙棘群落的土壤水分时空变异特征［J］. 水土保持通报， 2023 ， 43 （ 2 ）： 23 - 33 .

He Xiaofan ， Tian Lihui ， Wang Haijiao ， et al . Temporal-spatial variation of soil moisture content of different Hippophae rhamnoides communities in an alpine desert ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2023 ， 43 （ 2 ）： 23 - 33 .

吴亚彪，高晓东，何娜娜，等 . 黄土高原极端降水对人工林地深层土壤水分的补给效应［J］. 生态学报， 2024 ， 44 （ 23 ）： 10757 - 10769 .

Wu Yabiao ， Gao Xiaodong ， He Nana ， et al . Recharge effect of extreme precipitation on deep soil water in artificial forest on the Loess Plateau ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2024 ， 44 （ 23 ）： 10757 - 10769 .

王明明，刘新平，李玉霖，等 . 不同植被盖度沙质草地生长季土壤水分动态［J］. 中国沙漠， 2019 ， 39 （ 5 ）： 54 - 61 .

Wang Mingming ， Liu Xinping ， Li Yulin ， et al . Soil moisture dynamic under different plant coverages in sandy grassland during growing season ［J］. Journal of Desert Research ， 2019 ， 39 （ 5 ）： 54 - 61 .

梁海荣，王涛，杨宇，等 . 毛乌素沙地与浑善达克沙地水分深层渗漏特征对比［J］. 中国沙漠， 2022 ， 42 （ 2 ）： 69 - 76 .

Liang Hairong ， Wang Tao ， Yang Yu ， et al . Comparison of deep soil recharge characteristics between Mu Us sandy land and Hunshandake sandy land ［J］. Journal of Desert Research ， 2022 ， 42 （ 2 ）： 69 - 76 .

闵梓骁，张建新，范文波，等 . 不同立地条件下沙棘土壤水分分布特征及动态生长研究［J］. 水土保持学报， 2022 ， 36 （ 4 ）： 204 - 210 .

Min Zixiao ， Zhang Jianxin ， Fan Wenbo ， et al . Soil moisture distribution and dynamic growth of Hippophae rhamnoides under different site conditions ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2022 ， 36 （ 4 ）： 204 - 210 .

张华，押海廷，徐存刚 . 兰州市南北两山土壤水分遥感反演及植被需水量估算［J］. 干旱区研究， 2024 ， 41 （ 4 ）： 566 - 580 .

Zhang Hua ， Ya Haiting ， Xu Cungang . Remote sensing retrieval of soil moisture and estimation of vegetation water requirements in the north and south mountains of Lanzhou City ［J］. Arid Zone Research ， 2024 ， 41 （ 4 ）： 566 - 580 .

张凡琛，谷天峰，孔嘉旭，等 . 基于HYDRUS模型的灌溉和降雨条件下黑方台斜坡土壤水分变化研究［J］. 干旱区资源与环境， 2021 ， 35 （ 6 ）： 110 - 116 .

Zhang Fanchen ， Gu Tianfeng ， Kong Jiaxu ， et al . Changes of soil moisture in Heifangtai slope under irrigation and rainfall ［J］. Journal of Arid Land Resources and Environment ， 2021 ， 35 （ 6 ）： 110 - 116 .

Pollacco J A P ， Fernández-Gálvez J ， Rajanayaka C ， et al . Multistep optimization of HyPix model for flexible vertical scaling of soil hydraulic parameters ［J］. Environmental Modelling & Software ， 2022 ， 156 ： 105472 .

邹慧，高光耀，朱斌，等 . 黄土高原恢复草地土壤水分对降水响应及模拟［J］. 干旱区研究， 2020 ， 37 （ 4 ）： 890 - 898 .

Zou Hui ， Gao Guangyao ， Zhu Bin ， et al . Modeling of the response of soil moisture to precipitation in the restored grasslands of the Loess Plateau ［J］. Arid Zone Research ， 2020 ， 37 （ 4 ）： 890 - 898 .

董智今，张呈春，展秀丽 . 宁夏河东沙地生物土壤结皮对土壤性质及入渗过程的影响［J］. 生态学报， 2022 ， 42 （ 17 ）： 7128 - 7136 .

Dong Zhijin ， Zhang Chengchun ， Zhan Xiuli . Effects of biological soil crusts on soil properties and soil water infiltration process of sandy land in the east of Yellow River in Ningxia ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2022 ， 42 （ 17 ）： 7128 - 7136 .

Chen Yunfei ， Liu Xiuhua ， Zheng Ce ， et al . Estimation of water budget components and its driving factors analysis in arid grassland ［J］. Science of The Total Environment ， 2024 ， 906 ： 167654 .

王世明，范敬龙，赵英，等 . 咸水灌溉条件下塔里木河下游沙漠土壤水盐运移数值模拟［J］. 干旱区地理， 2021 ， 44 （ 4 ）： 1104 - 1113 .

Wang Shiming ， Fan Jinglong ， Zhao Ying ， et al . Numerical simulation of water and salt migration in desert soil in the lower reaches of Tarim River under salt-water irrigation ［J］. Arid Land Geography ， 2021 ， 44 （ 4 ）： 1104 - 1113 .

王宇祥，刘廷玺，段利民，等 . 基于Hydrus-1D模型的科尔沁沙地沙丘—草甸相间区土壤水分动态模拟［J］. 中国沙漠， 2020 ， 40 （ 2 ）： 195 - 205 .

Wang Yuxiang ， Liu Tingxi ， Duan Limin ， et al . Dynamic law of soil moisture in Horqin sand dune-meadow area based on Hydrus-1D model and its applicability evaluation ［J］. Journal of Desert Research ， 2020 ， 40 （ 2 ）： 195 - 205 .

王宇祥，刘廷玺，段利民，等 . 半干旱地区半流动沙丘水分深层渗漏量及其对降雨格局的响应［J］. 应用生态学报， 2020 ， 31 （ 8 ）： 2710 - 2720 .

Wang Yuxiang ， Liu Tingxi ， Duan Limin ， et al . Deep water leakage from semi-mobile dunes in semi-arid regions and its response to rainfall patterns ［J］. Chinese Journal of Applied Ecology ， 2020 ， 31 （ 8 ）： 2710 - 2720 .

Guan Hongjie ， Cao Rongjiang . Effects of biocrusts and rainfall characteristics on runoff generation in the Mu Us Desert， northwest China ［J］. Hydrology Research ， 2019 ， 50 （ 5 ）： 1410 - 1423 .

洪光宇，王晓江，刘铁山，等 . 基于Hydrus-1D模型的毛乌素沙地杨柴（ Hedysarum laeve ）灌木林土壤含水量模拟［J］. 中国沙漠， 2022 ， 42 （ 6 ）： 233 - 242 .

Hong Guangyu ， Wang Xiaojiang ， Liu Tieshan ， et al . Applicability of Hydrus-1D Model in simulating the soil moisture in Hedysarum leave in Mu Us sandy land， China ［J］. Journal of Desert Research ， 2022 ， 42 （ 6 ）： 233 - 242 .

洪光宇，王晓江，苏庆溥，等 . 毛乌素沙地流动沙丘土壤水分模拟及渗漏特征［J］. 中国沙漠， 2023 ， 43 （ 2 ）： 288 - 298 .

Hong Guangyu ， Wang Xiaojiang ， Su Qingpu ， et al . Simulation of soil moisture and leakage characteristics of mobile dunes in Mu Us Sandy Land ［J］. Journal of Desert Research ， 2023 ， 43 （ 2 ）： 288 - 298 .

Jia Wuhui ， Yin Lihe ， Zhang Maosheng ， et al . Estimation of groundwater evapotranspiration of different dominant phreatophytes in the Mu Us sandy region ［J］. Water ， 2021 ， 13 （ 4 ）： 440 .

展秀丽，王红，张呈春，等 . 宁夏黄河以东固定沙丘土壤粒度特征及小尺度空间分异［J］. 东北林业大学学报， 2021 ， 49 （ 12 ）： 108 - 114 .

Zhan Xiuli ， Wang Hong ， Zhang Chengchun ， et al . Soil grain size characteristics and small scale spatial differentiation of fixed dune in east of the Yellow River in Ningxia ［J］. Journal of Northeast Forestry University ， 2021 ， 49 （ 12 ）： 108 - 114 .

张维福，张呈春，马思怡，等 . 宁夏河东沙地土壤水分动态变化［J］. 水土保持通报， 2024 ， 44 （ 4 ）： 97 - 106 .

Zhang Weifu ， Zhang Chengchun ， Ma Siyi ， et al . Dynamic changes of soil moisture in sandy lands in east of Yellow River in Ningxia ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2024 ， 44 （ 4 ）： 97 - 106 .

Simunek J. The Hydrus-1D Software Package for Simulating the One-dimensional Movement of Water， Heat， and Multiple Solutes in Variably Saturated Porous Media ［Z］. Hydrus Software， 2005：68 .

van Genuchten M T . A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils ［J］. Soil Science Society of America Journal ， 1980 ， 44 （ 5 ）： 892 - 898 .

Busscher W . Simulation of field water use and crop yield ［J］. Soil Science ， 1980 ， 129 （ 3 ）： 193 .

洪光宇，王晓江，刘果厚，等 . 毛乌素沙地杨柴灌木林土壤水分对不同降雨格局的响应［J］. 水土保持通报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 76 - 83 .

Hong Guangyu ， Wang Xiaojiang ， Liu Guohou ， et al . Response of soil moisture to differ ent rainfall patterns in Hedysarum leave in Mu Us sandy land ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 76 - 83 .

李新乐，安景源，王丹阳，等 . 白刺（ Nitraria tangutorum ）灌丛沙堆干沙层土壤水分动态及其对小雨事件的响应［J］. 中国草地学报， 2022 ， 44 （ 5 ）： 20 - 30 .

Li Xinle ， An Jingyuan ， Wang Danyang ， et al . Soil moisture dynamics in dry sand layers of Nitraria tangutorum nebkha and its responses to small rainfall events ［J］. Chinese Journal of Grassland ， 2022 ， 44 （ 5 ）： 20 - 30 .

胡安焱，付稳东，陈云飞，等 . 毛乌素沙地不同覆被类型土壤水分动态及其对降水的响应［J］. 水土保持研究， 2023 ， 30 （ 6 ）： 133 - 142 .

Hu Anyan ， Fu Wendong ， Chen Yunfei ， et al . Soil moisture dynamics and its response to precipitation in different cover types of the Mu Us sandy land ［J］. Research of Soil and Water Conservation ， 2023 ， 30 （ 6 ）： 133 - 142 .

李新乐，刘雅婧，孙非，等 . 乌兰布和沙漠白刺灌丛沙堆丘间地黏土层土壤水分时空格局及其对降雨变化的响应［J］. 水土保持通报， 2022 ， 42 （ 6 ）： 39 - 46 .

Li Xinle ， Liu Yajing ， Sun Fei ， et al . Spatial-temporal patterns of soil water in clay layer at inter-dune area of Nitraria tangutorum and its response to rainfall changes in Ulan Buh desert ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2022 ， 42 （ 6 ）： 39 - 46 .

朱超凡，黄金柏，顾准，等 . 基于Hydrus-1D的城市草地土壤水分模拟：以扬州市人工草地为例［J］. 水土保持通报， 2021 ， 41 （ 3 ）： 118 - 126 .

Zhu Chaofan ， Huang Jinbai ， Gu Zhun ， et al . Soil moisture simulation in urban grassland using HYDRUS-1D： Taking artifical grassland in Yangzhou City as an example ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2021 ， 41 （ 3 ）： 118 - 126 .

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