包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能影響特征

崔浩浩，張光輝，劉鵬飛，王金哲，田言亮，王 茜

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北 石家莊 050061；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京100083；3.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050061）

我國西北內(nèi)陸流域下游的天然綠洲區(qū)，氣候干旱、少雨，天然植被生存、發(fā)育和生態(tài)維系對地下水水位埋深十分敏感[1]。地下水（潛水）直接或通過支持毛細(xì)作用向包氣帶表層輸供水分維系天然植被的生態(tài)能力或效應(yīng)，稱之為地下水生態(tài)功能。隨著人類活動(dòng)對地下水開發(fā)利用程度的不斷提高，一旦地下水天然平衡狀態(tài)被打破，地下水失去生態(tài)功能，旱區(qū)天然植被將會(huì)嚴(yán)重退化，甚至出現(xiàn)天然綠洲荒漠化[2-5]。而包氣帶是連接植被與地下水的重要紐帶，其巖性結(jié)構(gòu)是影響潛水向天然植被根系層輸供水分的主要因子之一，它對地下水生態(tài)功能具有重要影響[6-7]。因此，包氣帶巖性結(jié)構(gòu)如何影響地下水生態(tài)功能，不僅是值得探討的學(xué)科前沿問題，也是西北干旱區(qū)地下水生態(tài)保護(hù)亟待解決的重要問題[8-9]。

干旱區(qū)包氣帶對生態(tài)環(huán)境具有重要的意義[10-11]，這一點(diǎn)眾多學(xué)者已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。喬曉英等[12]分析了地下水生態(tài)功能在西北內(nèi)陸盆地的具體表現(xiàn)，指出包氣帶巖性結(jié)構(gòu)不同，其陸表植被的生態(tài)效應(yīng)也不同，相對于單一的砂土結(jié)構(gòu)，粉土和黏土的互層結(jié)構(gòu)更有利于植被的生長。陶正平等[13]研究了鄂爾多斯盆地風(fēng)積沙覆基巖型包氣帶結(jié)構(gòu)及特征，指出該結(jié)構(gòu)利于土壤水分的富集與保持，對維持當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)具有重要作用；陳敏建等[14]指出地下水毛細(xì)上升高度是計(jì)算極限生態(tài)水位埋深的關(guān)鍵，而影響毛細(xì)水上升高度的主要因子是包氣帶巖性結(jié)構(gòu)（圖1）。在相同潛水位埋深下，包氣帶巖性結(jié)構(gòu)不同，直接影響地下水通過支持毛細(xì)作用向天然植被根系層土壤輸供水分的能力[15]，導(dǎo)致陸表植被具有不同的生態(tài)響應(yīng)。前人關(guān)于包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能的影響研究取得了一定的成果，定性分析了旱區(qū)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)的生態(tài)效應(yīng)，但是對包氣帶不同巖性及結(jié)構(gòu)組合的研究尚不全面，也缺乏對地下水生態(tài)功能強(qiáng)弱影響的定量分析。

圖1 旱區(qū)地下水生態(tài)功能維系天然植被生態(tài)機(jī)理簡圖Fig.1 Ecological mechanism of groundwater ecological function maintaining natural vegetation in an arid area

針對上述問題，本文以甘肅省石羊河流域下游民勤盆地天然綠洲區(qū)為重點(diǎn)研究區(qū)，依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目開展的野外調(diào)查、室內(nèi)土柱試驗(yàn)和數(shù)值模擬工作，研究不同包氣帶巖性結(jié)構(gòu)與地下水耦合作用的生態(tài)效應(yīng)，分析不同巖性結(jié)構(gòu)包氣帶獲取地下水供給水分和持水能力差異，定量對比不同包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能的影響特征。研究結(jié)果加深了對包氣帶在地下水生態(tài)功能中調(diào)節(jié)作用的認(rèn)識(shí)，可以為旱區(qū)水資源的精細(xì)化管理及生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域下游民勤盆地面積為1.59×104km2，其中綠洲面積僅占6%。區(qū)內(nèi)年均降水量為113.2 mm，年均蒸發(fā)量為2 675.6 mm，年均氣溫為8.8 °C，年均日照時(shí)間為3 142.2 h，是我國西北內(nèi)陸典型的干旱區(qū)，被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[16-18]。研究區(qū)位于民勤盆地農(nóng)田與騰格里沙漠之間的天然綠洲區(qū)，調(diào)查點(diǎn)位布置見圖2。

圖2 石羊河流域地形及研究區(qū)圖Fig.2 Topography of Shiyang River Basin and investigation work deployment of study area

研究區(qū)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)主要為“上粗下細(xì)”、“上細(xì)下粗”的多元結(jié)構(gòu)和單一“粗”結(jié)構(gòu)（圖3）。其中“上粗下細(xì)”多元結(jié)構(gòu)是：包氣帶上部地層為粗粒的粉細(xì)砂、中部為細(xì)粒的亞砂土和亞黏土、下部為粗粒的細(xì)砂地層，包括細(xì)粒土夾層結(jié)構(gòu)（研究區(qū)大部分地層為該結(jié)構(gòu)，如圖3 中ZB01 鉆孔）和粗細(xì)互層結(jié)構(gòu)（如圖3中ZB12 鉆孔）?！吧霞?xì)下粗”多元結(jié)構(gòu)是：包氣帶上部地層為細(xì)粒的亞砂土或亞黏土、下部為粗粒的粉細(xì)砂或細(xì)砂地層；包括粗粒土夾層結(jié)構(gòu)或者細(xì)粗互層結(jié)構(gòu)（如圖3 中ZB13 鉆孔）。單一“粗”結(jié)構(gòu)是：包氣帶上部地層為粉細(xì)砂、下部為細(xì)砂的粗粒地層。

從圖3 可見，單一“粗”結(jié)構(gòu)包氣帶主要分布在沙漠邊緣，遠(yuǎn)離沙漠2 km 之后，出現(xiàn)“上粗下細(xì)”的多元結(jié)構(gòu)包氣帶。在調(diào)查點(diǎn)分布方向上，自東南至西北，潛水位埋深逐漸變深；沙漠邊緣潛水位埋深約2 m，鄰近農(nóng)田區(qū)潛水位埋深增大至約為3.5 m。隨著潛水位埋深由淺至深，天然植被類型由鹽爪爪、黑枸杞和蘆葦，過渡為鹽爪爪、黑枸杞、檉柳和白刺。

2 研究方法

2.1 包氣帶巖性結(jié)構(gòu)調(diào)查

在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“我國西部特殊地貌區(qū)地下水開發(fā)利用與生態(tài)功能保護(hù)”成果—石羊河流域地下水功能評價(jià)與區(qū)劃的基礎(chǔ)上[19-20]，選擇荒漠—綠洲過渡帶的天然植被區(qū)布設(shè)2 條包氣帶巖性結(jié)構(gòu)詳查路線，每條路線長度約10 km。采用原位探測方法，每個(gè)調(diào)查點(diǎn)自地表至潛水水面，進(jìn)行垂向探測，垂向間隔為20 cm，包括采集土壤樣和記錄包氣帶巖性結(jié)構(gòu)，調(diào)查點(diǎn)位分布見圖2，調(diào)查結(jié)果見圖3。然后，以典型點(diǎn)位包氣帶剖面為基礎(chǔ)開展室內(nèi)土柱釋水試驗(yàn)，研究地下水排空條件下，土壤剖面中有效持水量繼續(xù)維持典型旱區(qū)植被的生態(tài)效應(yīng)；以土柱釋水試驗(yàn)為原型應(yīng)用Hydrus-1D 建立非飽和帶水分運(yùn)移數(shù)值模型，適當(dāng)調(diào)整參數(shù)并開展了模型的識(shí)別和驗(yàn)證，利用校正識(shí)別后的模型模擬評估不同包氣帶巖性結(jié)構(gòu)與地下水耦合作用對陸表植被的生態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而分析包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能的影響。

圖3 包氣帶巖性結(jié)構(gòu)分布特征剖面圖Fig.3 Profile of lithologic structure distribution in the vadose zone

2.2 室內(nèi)土柱釋水試驗(yàn)

根據(jù)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果，選擇巖性全面、結(jié)構(gòu)完整的點(diǎn)位為代表采集土樣，進(jìn)行室內(nèi)土柱釋水試驗(yàn)。土柱剖面巖性結(jié)構(gòu)是根據(jù)野外探查結(jié)果適當(dāng)調(diào)整確定，自上而下包氣帶地層巖性為亞砂土（40 cm）、亞黏土（40 cm）、粉細(xì)砂（20 cm）、細(xì)砂（50 cm），底部為25 cm 厚的粗砂作為含水層（圖4），按照原干容重每隔5 cm 進(jìn)行回填，層與層間打毛使得接觸更緊密。試驗(yàn)土柱高度200 cm，內(nèi)徑20 cm，自距離土柱頂部5 cm 位置開始，向下每隔10 cm 布設(shè)一個(gè)取樣點(diǎn)，共20 個(gè)，取樣點(diǎn)孔徑為2 cm，用橡膠塞封堵。試驗(yàn)土柱中心安裝Trime 土壤含水率測管，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測土柱不同深度土壤含水率變化，測點(diǎn)間距10 cm。試驗(yàn)結(jié)束后，在各取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，并通過烘干法和Trime 測試各測點(diǎn)深度的土壤含水率，利用烘干法和Trime 測試的土壤含水率擬合關(guān)系，對試驗(yàn)過程中Trime 實(shí)時(shí)測試的土壤含水率進(jìn)行校正。在毛細(xì)水上升過程中，由馬氏瓶向土柱定水頭供水；在釋水過程中，馬氏瓶中的水放空，充當(dāng)排水裝置。

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)（土柱）裝置示意圖Fig.4 Soil column test equipment

2.3 數(shù)值模型

根據(jù)天然植被區(qū)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)的原位調(diào)查結(jié)果，確定多元結(jié)構(gòu)包氣帶從上到下巖性為“粉細(xì)砂、亞砂土、亞黏土和細(xì)砂”，單一結(jié)構(gòu)包氣帶巖性為“粉細(xì)砂和細(xì)砂”。求解土壤水分運(yùn)移模型為Hydrus-1D 模型基礎(chǔ)上增加源匯項(xiàng)的Richards 方程[21]：

式中：θ—土壤體積含水率/（cm3·cm-3）；

t—時(shí)間/d；

z—垂向空間坐標(biāo)，向上為正；

φ—壓力水頭/cm；

K(θ )—水力傳導(dǎo)系數(shù)/（cm·d-1）；

S—根系吸水速率/（cm·d-1）。

（1）初始條件及邊界條件

本研究模擬中，暫不考慮根系吸水，由此S為0。在潛水支持毛細(xì)水上升的模擬中，設(shè)定初始壓力水頭為-1.5 MPa，上邊界為定流量邊界、流量為零；下邊界為定水頭邊界，地下水水位埋深設(shè)定為5 m，模擬時(shí)間為100 d。在土柱釋水模擬中，設(shè)定土壤剖面含水率的初始條件為30%，初始地下水水位埋深為5 m，上邊界為定流量邊界、流量為零；下邊界為自由排水邊界，模擬地下水水位埋深大幅增大的情況，模擬時(shí)間為250 d。

（2）土壤模型結(jié)構(gòu)和水力特性參數(shù)

土壤模型結(jié)構(gòu)以土柱釋水試驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行識(shí)別與校正。土壤水力參數(shù)應(yīng)用Hydrus-1D 模型的內(nèi)置模塊進(jìn)行擬合確定。其中殘余含水率是利用烘干法實(shí)測數(shù)據(jù)，細(xì)砂參數(shù)采用內(nèi)置土壤分類的“sand”參數(shù)設(shè)定，其它巖性是根據(jù)土壤顆粒組成（表1），通過Rosetta模塊預(yù)測確定。預(yù)測土壤水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)[22]，見表2。

表1 模擬模型巖性確定依據(jù)Table 1 Lithology of the simulation model

表2 校正識(shí)別后不同巖性土壤水力特性參數(shù)Table 2 Corrected hydraulic characteristic parameters of different lithology soils

利用校正識(shí)別后的參數(shù)，在Hydrus-1D 中分別建立包氣帶不同巖性結(jié)構(gòu)模型，模擬其毛細(xì)水上升過程的供水能力和土柱釋水過程的持水能力。在包氣帶不同巖性單一結(jié)構(gòu)模擬中，建立粉細(xì)砂、亞砂土、亞黏土和細(xì)砂4 種模型，設(shè)定包氣帶厚度均為5 m；在包氣帶不同組合結(jié)構(gòu)模擬中，建立上粗下細(xì)、上細(xì)下粗、細(xì)粒夾層和粗粒夾層4 種模型。在上粗下細(xì)結(jié)構(gòu)中，上部細(xì)砂和下部亞黏土厚度各設(shè)為2.5 m；在上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)中，上部亞黏土和下部細(xì)砂厚度各設(shè)為2.5 m；在夾層結(jié)構(gòu)中，設(shè)置夾層厚度（亞黏土或細(xì)砂）為1 m，上部地層厚度（細(xì)砂或亞黏土）為3 m，下部地層厚度（細(xì)砂或亞黏土）為1 m。

（3）有效持水量

當(dāng)植物開始發(fā)生永久凋萎時(shí)的土壤含水率，稱為凋萎含水率或萎蔫點(diǎn)[23-25]；當(dāng)土壤基質(zhì)勢為-1.5 MPa時(shí)[26-27]，對應(yīng)的土壤含水率為凋萎含水率。從保障天然植被生態(tài)需水角度，凋萎含水率與土壤含水率之間的土壤水量為有效持水量[28]。本研究中，基于表2 中土壤水力特性參數(shù)，求解各巖性土壤水分特征曲線，進(jìn)而獲得各巖性土壤凋萎含水率，由此計(jì)算和獲得各巖性土壤有效持水量。

3 結(jié)果

3.1 包氣帶延滯釋水的生態(tài)效應(yīng)

選取研究區(qū)多元結(jié)構(gòu)包氣帶不同深度土壤，包括亞砂土、亞黏土、粉細(xì)砂和細(xì)砂，采樣并建立試驗(yàn)土柱。試驗(yàn)開始之前，在定水頭下通過馬氏瓶向試驗(yàn)土柱的含水層供水，促使試驗(yàn)土體能夠充分獲得含水層（潛水）支持毛細(xì)水補(bǔ)給。317.45 h 后，支持毛細(xì)上升濕潤鋒不再繼續(xù)上移，此后開始釋水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 釋水后包氣帶含水率減降變化特征Fig.5 Variation characteristics of water content in the vadose zone after water release

17日21:00 開始釋水試驗(yàn)，至次日8:30 細(xì)砂和粉細(xì)砂的含水率明顯變小，而亞黏土和亞砂土的含水率變化微小。釋水過程歷時(shí)156 h（至24日9:00），再次測定試驗(yàn)土柱各深度土壤含水率，并與釋水前的土壤含水量比較，結(jié)果是試驗(yàn)土柱持水量由340.2 mm減少至305.1 mm，可供天然植被吸用的有效持水量為182.54 mm[29]。張陽陽等[30]研究表明適宜生態(tài)水位下，天然植被梭梭生長季內(nèi)（4—9月）耗水量為279 mm；極限生態(tài)水位下，梭梭耗水量為131 mm。因此，在地下水水位大幅下降之后，研究區(qū)包氣帶的有效持水量仍然能夠維持天然植被梭梭等生存一個(gè)生長季，確保旱區(qū)地下水生態(tài)功能有效。

3.2 不同包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能影響特征

為了研究包氣帶延滯釋水的生態(tài)效應(yīng)是否具有普遍性，以土柱試驗(yàn)的包氣帶結(jié)構(gòu)為原型，通過Hydrus-1D 建立數(shù)值模型，利用實(shí)測值對模擬值進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證，開展不同包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能影響研究。通過圖6 可以看出模擬值和實(shí)測值吻合比較一致，因此，可以利用校正識(shí)別后的模型參數(shù)（表2）擬合各巖性的土壤水分特征曲線（圖7），并建立不同包氣帶結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，研究不同包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能影響特征，包括不同巖性的單一結(jié)構(gòu)、上粗下細(xì)結(jié)構(gòu)、上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)、以及不同質(zhì)地的夾層結(jié)構(gòu)。

圖6 土柱剖面各監(jiān)測點(diǎn)土壤含水率模擬值與實(shí)測值Fig.6 Simulated and measured values of soil moisture content in the soil column profile at each monitoring point

圖7 不同巖性土壤水分特征曲線Fig.7 Soil water characteristic curve of different lithologies

（1）包氣帶不同巖性單一結(jié)構(gòu)

植被的極限生態(tài)水位埋深為植被根系發(fā)育帶厚度和支持毛細(xì)水上升高度之和[14]。因此，在相同植被和地下水水位埋深條件下，支持毛細(xì)水上升高度越高的巖性結(jié)構(gòu)，其地下水生態(tài)功能越強(qiáng)。通過對比4 種不同包氣帶巖性單一結(jié)構(gòu)的最大支持毛細(xì)水上升高度、累計(jì)獲得地下水補(bǔ)給量和土壤含水率分布（圖8）可以看出，包氣帶巖性顆粒越細(xì)，其支持毛細(xì)水上升高度和速度就越大，并且土壤獲得地下水的補(bǔ)給水分越快越多，對地表植被的生長越有利。因此，從地下水支持毛細(xì)水上升高度角度，在4 種包氣帶單一巖性結(jié)構(gòu)中，地下水生態(tài)功能強(qiáng)弱為：亞黏土>亞砂土>粉細(xì)砂>細(xì)砂。

圖8 不同巖性包氣帶獲取地下水供給水分能力差異Fig.8 Difference characteristics of groundwater supply capacity in the vadose zone with different lithologies

在初始條件下，設(shè)定包氣帶不同巖性土壤總持水量相同。從圖9 可以看出，地下水水位大幅下降后，包氣帶不同巖性剖面持水性能不同，各巖性剖面在前20 d 內(nèi)總持水量迅速減少，然后進(jìn)行緩慢釋水，在50 d之后逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合各巖性的凋萎含水率，計(jì)算了包氣帶不同巖性的土壤凋萎含水量和釋水50 d 后的持水量、有效持水量，見表3。當(dāng)包氣帶中的有效持水量越大時(shí)，其地下水生態(tài)功能越強(qiáng)，從表3 中可以看出，地下水水位大幅下降時(shí)，不同巖性的包氣帶土壤持水量也大幅下降，但是其有效持水量依然可觀，可以繼續(xù)維持地表植被存活。以梭梭適宜生態(tài)水位埋深下耗水量279 mm 為例，各巖性的土壤有效持水量可以維持其一個(gè)生長季的存活，具有明顯的正生態(tài)效應(yīng)。雖然釋水后細(xì)粒亞黏土的土壤持水量最大，但是有效持水量卻是中等顆粒的亞砂土最大。

表3 釋水50 d 后不同巖性包氣帶有效持水量Table 3 Effective water holding capacity in the vadose zone of different lithologies after 50 days of water release/cm

圖9 不同巖性包氣帶持水能力差異Fig.9 Difference of water holding capacity in the vadose zone of different lithologies

在地下水不同水位動(dòng)態(tài)條件下，包氣帶不同巖性單一結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能的影響不同。在地下水水位上升時(shí)，細(xì)粒巖性毛細(xì)水上升速度和高度都優(yōu)于粗粒巖性，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)功能；在地下水水位大幅下降時(shí)，盡管顆粒較細(xì)的亞黏土持水量最大，但是顆粒中等的亞砂土有效持水量最高，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)功能。

（2）包氣帶不同組合結(jié)構(gòu)

包氣帶常見的結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，主要包括上粗下細(xì)、上細(xì)下粗、細(xì)粒夾層和粗粒夾層等結(jié)構(gòu)。為方便討論不同結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能影響特征，細(xì)粒巖性選取亞黏土，粗粒巖性選取細(xì)砂。細(xì)粒夾層和粗粒夾層為上粗下細(xì)、上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)的特殊情況，當(dāng)支持毛細(xì)水不能穿透中間夾層時(shí)，與上述結(jié)構(gòu)情況相同。因此，在夾層結(jié)構(gòu)模擬中設(shè)置夾層厚度為1 m，以便毛細(xì)水能夠穿透夾層達(dá)到上部地層。利用Hydrus-1D 設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行地下水毛細(xì)上升過程模擬和土壤釋水過程模擬。除了巖性結(jié)構(gòu)外，其他條件與單一巖性結(jié)構(gòu)的模擬相同。

通過圖10 發(fā)現(xiàn)，相同巖性不同結(jié)構(gòu)的包氣帶，其對地下水生態(tài)功能影響不同。上粗下細(xì)結(jié)構(gòu)的毛細(xì)水上升高度和地下水累計(jì)供水量要遠(yuǎn)大于上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)，下部細(xì)粒的亞黏土能夠通過毛細(xì)作用將地下水輸送到上部的細(xì)砂中，利于地表植被吸水，具有明顯的正生態(tài)效應(yīng)。上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)中，雖然支持毛細(xì)水沒有達(dá)到上部亞黏土，但是下部粗粒細(xì)砂支持毛細(xì)水上升高度（200 cm）比單一巖性的細(xì)砂（185 cm）要高15 cm，表明上部細(xì)粒的亞黏土對下伏細(xì)砂產(chǎn)生了一定的影響，使得地下水生態(tài)功能得到一定程度的提升。

圖10 不同結(jié)構(gòu)包氣帶獲取地下水供給水分能力差異Fig.10 Difference characteristics of groundwater supply capacity in the vadose zone with different structures

從圖10 可以看出，細(xì)粒夾層（250 cm）和粗粒夾層（260 cm）的毛細(xì)水上升高度基本相同，但是地下水向二者的剖面累計(jì)供水量不同，細(xì)粒夾層的累計(jì)供水量（38.31 cm）大于粗粒夾層的累計(jì)供水量（29.75 cm）。因此，細(xì)粒夾層結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的供水能力，地下水生態(tài)功能較強(qiáng)。

在土壤釋水過程中，包氣帶不同巖性結(jié)構(gòu)的土壤持水量隨釋水時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化與不同巖性單一結(jié)構(gòu)具有相似的特征（圖9 和圖11）。通過土壤有效持水量計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)表4，包氣帶結(jié)構(gòu)的組合方式對土壤持水性能具有顯著影響，即使巖性完全相同，僅組合結(jié)構(gòu)不同，其有效持水量也會(huì)有較大差異。

圖11 不同結(jié)構(gòu)包氣帶持水能力差異Fig.11 Difference in water holding capacity in the vadose zone of different structures

表4 釋水50 d 后不同結(jié)構(gòu)包氣帶有效持水量Table 4 Effective water holding capacity in the vadose zone of different structures after 50 days of water release/cm

當(dāng)包氣帶中的有效持水量越大時(shí)，其地下水生態(tài)功能越強(qiáng)。通過上粗下細(xì)和上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)對比，二者初始持水量和凋萎含水量相同，但是在自由釋水50 d 后，上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)釋水量較少，有效持水量較多；粗粒夾層和細(xì)粒夾層對比，在自由釋水50 d 后，粗粒夾層有效持水量較多，表明上細(xì)下粗和粗粒夾層結(jié)構(gòu)其生態(tài)功能較強(qiáng)。綜合對比包氣帶單一巖性和組合結(jié)構(gòu)，在釋水后，多種巖性的組合結(jié)構(gòu)有效持水量較大。尤其是通過對比單一亞黏土結(jié)構(gòu)和粗粒夾層，單一細(xì)砂結(jié)構(gòu)和細(xì)粒夾層，不管夾層的巖性如何，夾層的存在都使得包氣帶剖面的有效持水量增加。因此，當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲蠓龃蠛螅喾N巖性的組合結(jié)構(gòu)更有利于持有較大的有效持水量，生態(tài)效應(yīng)更強(qiáng)。

4 討論

在同一研究區(qū)域，天然植被類型、地下水水位埋深和氣象影響因素基本相同，唯有包氣帶巖性結(jié)構(gòu)不同。不同的包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能的影響主要表現(xiàn)在支持毛細(xì)水高度不同和潛水位大幅下降過程中植被主根系層土壤釋水和含水量減少程度方面。理論上，相同潛水水位埋深下，地下水支持毛細(xì)水上升高度越大，地下水供給天然植被根系層土壤水分能力就越強(qiáng)，地下水生態(tài)功能則越強(qiáng)；在潛水水位大幅下降過程中，天然植被主根系層土壤釋水越慢、含水率減小越少，越有利于維系天然植被生態(tài)，地下水生態(tài)功能則越強(qiáng)。在西北內(nèi)陸干旱區(qū)，不同植被的適宜生態(tài)水位埋深均值為2.9 m，極限生態(tài)水位埋深均值為5.5 m[31]。根據(jù)前期在青土湖區(qū)開展的地下水水位埋深動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，由于農(nóng)田灌溉或者未得到及時(shí)的人工輸水，天然植被區(qū)地下水水位埋深會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)大幅增大，甚至大于極限生態(tài)水位（圖12）。從圖12 可知，在青土湖核心區(qū)，地下水水位埋深在6—8月時(shí)段大于適宜生態(tài)水位；在外圍區(qū)，地下水水位埋深在8—10月時(shí)段大于極限生態(tài)水位，雖然此時(shí)植被無法通過支持毛細(xì)作用持續(xù)獲得地下水的補(bǔ)給，但是包氣帶的有效持水量會(huì)繼續(xù)維持植被存活一段時(shí)間。包氣帶有效持水量越大，其地下水生態(tài)功能越強(qiáng)；待地下水水位埋深逐漸減小時(shí)，支持毛細(xì)水上升速度越快越有利于對土壤水的補(bǔ)給，其地下水生態(tài)功能越強(qiáng)。

圖12 天然植被區(qū)地下水水位埋深動(dòng)態(tài)變化規(guī)律Fig.12 Dynamic response of groundwater depth to artificial water conveyance in the natural vegetation area

在土柱釋水試驗(yàn)中驗(yàn)證了包氣帶中有效持水量具有繼續(xù)維持典型旱區(qū)植被的生態(tài)效應(yīng)；數(shù)值模擬中分析了包氣帶不同巖性和結(jié)構(gòu)與地下水耦合作用的生態(tài)效應(yīng)，因此，包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能具有重要的影響。在包氣帶單一巖性結(jié)構(gòu)中，顆粒的粗細(xì)決定著地下水支持毛細(xì)水上升高度和土壤有效持水量，從而影響地下水生態(tài)功能。顆粒越細(xì)，其支持毛細(xì)水上升高度越大，持水量也越大，但是由于其較高的凋萎含水率，細(xì)粒巖性的有效持水量不是最高；而中等巖性顆粒的持水量雖然不是最大，但是由于其較低的凋萎含水率，有效持水量反而最高[32]。根據(jù)土壤水分特征曲線可以看出（圖7），在獲得相同含水率情況下，巖性顆粒越細(xì)，其需要的吸持力越大。因此，細(xì)粒巖性土壤對水分具有較高的吸持力，水分不容易被植被利用，而中等顆粒的亞砂土中砂粒和粉粒含量較高，顆粒較粗，雖然總持水量相對較少，但是土壤對水分的吸持力也較小，可供植被吸收利用的水分較多。而粉細(xì)砂和細(xì)砂以砂粒為主的粗顆粒含量較高，土壤顆粒大不容易吸持水分，持水性能最低。

在包氣帶不同結(jié)構(gòu)中，不管是上粗下細(xì)結(jié)構(gòu)、上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)還是不同質(zhì)地的夾層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其不同地下水生態(tài)功能差異的原因就是水分在穿過粗、細(xì)巖性界面時(shí)發(fā)生的不同吸持力的變化。當(dāng)?shù)叵滤上孪蛏线\(yùn)移時(shí)，由于細(xì)粒對水分的吸持力較大，水分由細(xì)粒向粗粒運(yùn)移時(shí)速度會(huì)減緩，而水分由粗粒向細(xì)粒運(yùn)移時(shí)速度會(huì)加快；當(dāng)?shù)叵滤缮舷蛳逻\(yùn)移時(shí)，由于細(xì)粒對水分的吸持力較大，以及細(xì)粒的滲透性能較差，水分由細(xì)粒向粗粒運(yùn)移或者由粗粒向細(xì)粒運(yùn)移時(shí)速度都會(huì)減緩，從而加強(qiáng)了包氣帶延滯釋水效應(yīng)，使得包氣帶持有的有效水分能夠在一段時(shí)期內(nèi)繼續(xù)供給地表植被，發(fā)揮地下水的生態(tài)功能。

需要說明的是，上述不同包氣帶不同組合結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果只是針對設(shè)定的結(jié)構(gòu)情景。由于不同包氣帶結(jié)構(gòu)的巖層厚度不同，夾層的巖性、厚度、位置以及層數(shù)不同，其毛細(xì)上升高度和持水量也不同[33]，這些因素均會(huì)影響地下水生態(tài)功能。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)?shù)叵滤宦裆钪饾u減小時(shí)，在相同植被條件下，包氣帶巖性結(jié)構(gòu)不同，其支持毛細(xì)水上升高度和速度不同，對地下水生態(tài)功能的影響也不同。單一巖性中，顆粒越細(xì)，其支持毛細(xì)水上升高度和速度越大，土壤獲得地下水的補(bǔ)給水分越快越多，對地表植被的生長越有利；其中，亞黏土的毛細(xì)水上升高度為5 m，地下水累計(jì)供水量為92.17 cm，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)效應(yīng)。不同巖性結(jié)構(gòu)組合的支持毛細(xì)水上升高度比較復(fù)雜，因巖性厚度、位置、層數(shù)等而異；其中，上粗下細(xì)結(jié)構(gòu)的毛細(xì)水上升高度為3.20 m，地下水累計(jì)供水量為54.80 cm，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)效應(yīng)。

（2）當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲蠓龃蠛?，旱區(qū)包氣帶具有繼續(xù)維持陸表植被存活的生態(tài)效應(yīng)，不同巖性和結(jié)構(gòu)的包氣帶其有效持水量均可以維持旱區(qū)典型植被（梭梭）存活一個(gè)生長季（4—9月），從而拓展了“生態(tài)水位”的含義。單一巖性中，包氣帶巖性顆粒越細(xì)，其持水量越大，但是其凋萎含水量也越高；其中，中等巖性顆粒的亞砂土有效持水量最大，為69.68 cm，對維持植被的生態(tài)效應(yīng)最明顯。與單一巖性相比，多種巖性組合結(jié)構(gòu)的有效持水量更大，生態(tài)效應(yīng)更強(qiáng)；其中，粗粒夾層結(jié)構(gòu)有效持水量最大，為74.96 cm，上細(xì)下粗性結(jié)構(gòu)有效持水量次之，為73.57 cm，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)效應(yīng)。

因此，充分認(rèn)識(shí)旱區(qū)包氣帶不同巖性和結(jié)構(gòu)在地下水水位埋深增大和減小情況下對地下水生態(tài)功能的影響，利用包氣帶在地下水生態(tài)功能中的調(diào)節(jié)作用，可以為當(dāng)?shù)厮Y源的精細(xì)化管理和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。