本文摘要：摘要：干旱區(qū)綠洲灌區(qū)水資源集中開發(fā)使用，改變了地下水潛流場(chǎng)分布，造成了鹽漬化和荒漠化并存的生態(tài)問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著綠洲的生態(tài)安全。以生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，深化研究潛水影響層概念內(nèi)涵，構(gòu)建干旱平原區(qū)潛水蒸發(fā)概念性模型，以黑河羅城灌區(qū)為例，從機(jī)
摘要：干旱區(qū)綠洲灌區(qū)水資源集中開發(fā)使用，改變了地下水潛流場(chǎng)分布，造成了鹽漬化和荒漠化并存的生態(tài)問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著綠洲的生態(tài)安全。以生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，深化研究潛水影響層概念內(nèi)涵，構(gòu)建干旱平原區(qū)潛水蒸發(fā)概念性模型，以黑河羅城灌區(qū)為例，從機(jī)理上揭示干旱區(qū)荒漠化與鹽漬化的地下水埋深條件并進(jìn)行定量計(jì)算與調(diào)控，主要成果如下：①描述了造成內(nèi)陸河干旱區(qū)綠洲內(nèi)部鹽漬化和過(guò)渡帶荒漠化的潛水蒸發(fā)運(yùn)移規(guī)律，利用潛水影響層定義了鹽漬化與荒漠化地下水臨界埋深，并進(jìn)行了定量計(jì)算，得到羅城灌區(qū)綠洲內(nèi)部次生鹽堿化的地下水臨界埋深為1.3~1.5m，過(guò)渡帶荒漠化地下水臨界埋深為8~13m;②討論了潛水影響層厚度定量公式中關(guān)鍵參數(shù)土壤當(dāng)量孔徑和液體表面張力在不同生態(tài)問(wèn)題中合理取值;③提出一種協(xié)同緩解干旱區(qū)鹽漬化和荒漠化地下水位調(diào)控方案，實(shí)現(xiàn)改善灌區(qū)內(nèi)部鹽漬化、控制過(guò)渡帶荒漠化和水資源高效利用等多個(gè)目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：生態(tài)圈層結(jié)構(gòu);地下水臨界埋深;過(guò)渡帶荒漠化;灌區(qū)鹽漬化;地下水水位調(diào)控
荒漠化和鹽漬化嚴(yán)重威脅干旱區(qū)綠洲生態(tài)安全[1,2]。中國(guó)對(duì)西北內(nèi)陸河干旱區(qū)研究開始于20世紀(jì)80年代，湯奇成和周成虎[3]指出內(nèi)陸河水文循環(huán)山區(qū)為徑流形成區(qū)、平原為徑流耗散區(qū)，并提出了干旱區(qū)生態(tài)用水的概念;20世紀(jì)90年代中科院蘭州寒旱所提出內(nèi)陸河山區(qū)水文生態(tài)的垂直地帶譜[4]概念;隨后干旱區(qū)綠洲潛水蒸發(fā)[5]的作用也開始受到關(guān)注;1996—2000年間，國(guó)家九五科技攻關(guān)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“西北地區(qū)水資源合理利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究”系統(tǒng)開展了中國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)水文學(xué)研究。
荒漠化論文投稿刊物：《干旱區(qū)研究》(雙月刊)創(chuàng)刊于1984年，是由中國(guó)科學(xué)院主管，中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所和中國(guó)土壤學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦的全國(guó)性學(xué)術(shù)期刊。著重刊載全球變化的干旱區(qū)響應(yīng)、內(nèi)陸水循環(huán)與水資源、干旱區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)氣候變化對(duì)策、綠洲生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、綠洲學(xué)科發(fā)展等干旱區(qū)基本科學(xué)問(wèn)題。
通過(guò)分析內(nèi)陸河水文循環(huán)的生態(tài)效應(yīng)，揭示內(nèi)陸河干旱區(qū)水分驅(qū)動(dòng)的生態(tài)演變機(jī)理，提出了徑流活動(dòng)支撐下內(nèi)陸河平原綠洲、綠洲-荒漠交錯(cuò)過(guò)渡帶、荒漠共生系統(tǒng)的生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論并建立了概念性模型[6]�；哪c過(guò)渡帶邊界的臨界地下水埋深，以及過(guò)渡帶與綠洲邊界的臨界地下水埋深，對(duì)內(nèi)陸河干旱區(qū)生態(tài)安全具有決定性的影響。
隨后10多年，利用統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、數(shù)值模擬等方法，對(duì)干旱區(qū)生態(tài)需水[7]、地下水閾值[8-11]、綠洲規(guī)模及穩(wěn)定性[12]、生態(tài)調(diào)水對(duì)植被相應(yīng)關(guān)系[13]等問(wèn)題開展了許多研究工作。內(nèi)陸河干旱區(qū)生態(tài)需水是通過(guò)地下水潛水蒸發(fā)去實(shí)現(xiàn)，維持適宜的地下水埋深對(duì)干旱區(qū)生態(tài)安全至關(guān)重要。干旱區(qū)綠洲內(nèi)部水資源集中開發(fā)利用，導(dǎo)致地下水潛流場(chǎng)發(fā)生變化，使綠洲生態(tài)安全受到內(nèi)外侵襲。
一是生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)的變化，荒漠化持續(xù)擴(kuò)張。由于地下水位下降，使過(guò)渡帶大幅退化，導(dǎo)致綠洲直接面對(duì)荒漠;二是綠洲內(nèi)部持續(xù)次生鹽漬化。由于灌區(qū)排水不暢，導(dǎo)致地下水位過(guò)高，在綠洲內(nèi)部出現(xiàn)大量鹽堿地，降低了土地生產(chǎn)力。造成生態(tài)問(wèn)題的關(guān)鍵是水資源的局部分布不均，主要表現(xiàn)在綠洲內(nèi)部由于預(yù)留的大量生態(tài)需水和灌溉回歸水就近排放，出現(xiàn)的水資源過(guò)剩，地下水埋深較淺，潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈，植被需水過(guò)剩，從而出現(xiàn)鹽漬化;另一方面灌區(qū)綠洲外部的過(guò)渡帶區(qū)域，潛流場(chǎng)收縮，由于缺水導(dǎo)致地下水埋深過(guò)大，地下水與地表植被失去補(bǔ)給聯(lián)系，潛水蒸發(fā)無(wú)法對(duì)地表植被進(jìn)行補(bǔ)給，而出現(xiàn)過(guò)渡帶荒漠化[14,15]。
過(guò)渡帶是干旱區(qū)綠洲的天然生態(tài)屏障，根據(jù)生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論，干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)穩(wěn)定的重要標(biāo)志是控制荒漠化面積擴(kuò)張，其生態(tài)水文的核心問(wèn)題是維持一定的潛水埋深以保持過(guò)渡帶與荒漠界線的穩(wěn)定。過(guò)渡帶雖然依賴降水，但僅降水是不夠的，必須有地下水的微量補(bǔ)給，這是過(guò)渡帶存在的必備條件之一，否則過(guò)渡帶退化，荒漠入侵。而綠洲依賴于地下水潛水蒸發(fā)補(bǔ)給，降水補(bǔ)給微不足道，這就是過(guò)渡帶與綠洲的區(qū)別。過(guò)渡帶需要微量地下水補(bǔ)給，且其稀疏植被對(duì)于遏制荒漠?dāng)U張作用巨大，這一點(diǎn)容易被忽視，致使過(guò)渡帶不斷消失，不得不依賴人工防護(hù)林，既降低了綠洲安全性，又增加了(額外負(fù)擔(dān)的防護(hù)林)用水。
與此同時(shí)，干旱區(qū)大部分灌區(qū)普遍存在灌溉排水不暢，使灌區(qū)內(nèi)部地下水水位上升，形成次生鹽漬化，既浪費(fèi)了寶貴水資源，又降低了綠洲生態(tài)質(zhì)量，而人工防護(hù)林的灌溉也常常加劇了鹽漬化。本文將上述問(wèn)題一并考慮，對(duì)地下水位進(jìn)行調(diào)控：降低鹽堿地的地下水位以消除鹽漬化，將抽取的礦化度較高的水通過(guò)管道等方式輸送到過(guò)渡帶，抬升地下水位，以滿足植被生態(tài)需水。
為此需要解決關(guān)鍵技術(shù)難題：為了保障地下水能被過(guò)渡帶植被利用，地下水位必須高于一定的潛水埋深，即地下水補(bǔ)給植被的臨界埋深;為了遏制鹽分析出地表，地下水位必須低于一定的潛水埋深，即限制鹽分輸送至地表的臨界埋深。因此解決鹽漬化和荒漠化問(wèn)題的關(guān)鍵是對(duì)潛水蒸發(fā)影響的范圍和耗散過(guò)程開展深入研究。本文通過(guò)機(jī)理分析，研究上述2個(gè)臨界潛水埋深的生態(tài)水文原理與定量方法�；诘叵滤疂摿鲌�(chǎng)的連續(xù)性和兩者問(wèn)題在水資源上的互補(bǔ)性，將二者一并考慮可以從結(jié)構(gòu)上理順干旱區(qū)水資源合理利用與生態(tài)安全關(guān)系。
1原理與方法
1.1生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論山區(qū)形成的徑流是平原地區(qū)最重要的水分來(lái)源，補(bǔ)給平原盆地生態(tài)系統(tǒng)的水分由兩部分組成，第一是當(dāng)?shù)厣倭拷邓�，第二是河川徑流，后者起決定性作用。由于徑流的作用，內(nèi)陸河平原沿河岸形成了非地帶性生態(tài)群落：林地和高蓋度草地以及濕地等，組成綠洲。河川徑流向兩岸側(cè)滲形成一定影響范圍的地下潛水。潛水蒸發(fā)的加入，“激活”了潛水影響區(qū)域內(nèi)降水的“有效功能”，由降水與地下潛水共同補(bǔ)給，在非地帶性的綠洲生態(tài)與地帶性的荒漠生態(tài)之間形成了一個(gè)相對(duì)綠洲而言要寬闊得多的過(guò)渡帶。過(guò)渡帶植被以(中)低蓋度草地為主，是從非地帶性綠洲生態(tài)向地帶性荒漠生態(tài)的過(guò)渡形式。
由于徑流運(yùn)動(dòng)的作用，平原生態(tài)景觀表現(xiàn)出規(guī)律性變化：以徑流活動(dòng)區(qū)為中心向外依次為綠洲、過(guò)渡帶、荒漠;植被等級(jí)和蓋度逐漸由高向低演變，分別為有林地、灌木林、疏林地和高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、沙漠、戈壁。根據(jù)生態(tài)景觀的需水補(bǔ)給條件界定內(nèi)陸河盆地生態(tài)系統(tǒng)的組成，定義荒漠、綠洲荒漠交錯(cuò)過(guò)渡帶、綠洲[6-7]。按人類活動(dòng)進(jìn)一步將綠洲劃分人工綠洲和天然綠洲。
1.2潛水蒸發(fā)物理過(guò)程
地下水影響地表生態(tài)是通過(guò)潛水蒸發(fā)形成土壤水運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的，借助于毛管力，由潛水面上升形成一定厚度濕潤(rùn)層，濕潤(rùn)層的厚度取決于毛管力，由于土壤水的毛管力受多因素的影響[16]，因此該濕潤(rùn)層的厚度是一個(gè)范圍值;在外界條件一定的情況下，濕潤(rùn)層中不同點(diǎn)離潛水面的距離不同，毛管力大小有區(qū)別，因此導(dǎo)致濕潤(rùn)層中土壤含水量呈現(xiàn)一定的規(guī)律分布，定義土壤中所有毛管水活動(dòng)的范圍為潛水影響層。確立臨界埋深的關(guān)鍵是需要確定潛水影響層的厚度和水分分布規(guī)律。
2案例分析
2.1研究區(qū)概況
經(jīng)過(guò)對(duì)新疆、河西走廊等內(nèi)陸地區(qū)開展調(diào)研，同時(shí)對(duì)河西走廊1990—2015年近20年遙感影像分析，發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)過(guò)渡帶荒漠化和鹽漬化問(wèn)題普遍存在。經(jīng)過(guò)比選確定黑河流域位于中下游交接處的羅城灌區(qū)為研究區(qū)域。該灌區(qū)鹽漬化與過(guò)渡帶退化問(wèn)題長(zhǎng)期存在，屬(中)型自流灌區(qū)，目前耕地面積52km2，鹽堿地面積23km2，以羅城灌區(qū)綠洲為主體的研究區(qū)面積約600km2，包括80km2的低蓋度植被區(qū)域，400km2的戈壁荒漠區(qū)域。羅城灌區(qū)共開展3次野外調(diào)查采樣，分別為2017年8月22—27日(植被生長(zhǎng)期)、2018年3月22—26日(灌溉前)和2018年8月10—14日(植被生長(zhǎng)期)，獲得30個(gè)有效樣點(diǎn)。
取樣內(nèi)容包括利用北京新地標(biāo)土壤設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)XDB0301手動(dòng)旋轉(zhuǎn)采樣鉆(最深5m)每隔30cm取土樣，利用英國(guó)Delta-TDevices公司生產(chǎn)的WETSensor測(cè)量土壤含水率、土壤水電導(dǎo)率、土壤水溫度，取樣直至潛水面。同時(shí)在每個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行多個(gè)隨機(jī)樣方法(綠洲內(nèi)采用2m×2m樣方，過(guò)渡帶10m×10m樣方)，進(jìn)行每個(gè)取樣點(diǎn)植被群落識(shí)別和群落蓋度的調(diào)查。每個(gè)取樣點(diǎn)地下水埋深采用鉆孔、觀測(cè)井及民用井等多個(gè)途徑獲得。
對(duì)黑河流域平原區(qū)不同區(qū)域的68個(gè)地下水埋深進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)羅城灌區(qū)鹽堿化較嚴(yán)重的區(qū)域地下水埋深均在1.5m以內(nèi)，主要分布在河道干流附近及耕地內(nèi)部;羅城灌區(qū)綠洲內(nèi)部(主要是灌溉耕地及部分天然綠洲內(nèi)部)地下水埋深水位大概在2~6m;綠洲外圍植被較稀疏的過(guò)渡帶區(qū)域，地下水埋深在6~13m;地下水埋深超過(guò)13m后基本為荒漠。過(guò)渡帶地下水埋深6~13m基本與計(jì)算的過(guò)渡帶臨界地下水埋深最大值相似，證明計(jì)算結(jié)果可信。根據(jù)植被“耐受性定律”，指某一生態(tài)因子中的耐受范圍稱為生態(tài)幅，最具代表性的方法為高斯模型[18]。
本文將野外樣方調(diào)查的植被蓋度與地下水埋深進(jìn)行高斯曲線擬合，當(dāng)?shù)叵滤裆畛^(guò)10m時(shí)植被過(guò)渡帶中幾種關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)種白刺、沙拐棗、梭梭、檉柳蓋度均出現(xiàn)嚴(yán)重下降，平均蓋度基本都低于10%。當(dāng)?shù)叵滤裆畛^(guò)13m左右時(shí)植被蓋度基本低于5%，出現(xiàn)了顯著的荒漠化特征。通過(guò)上述調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析本文計(jì)算的地下水臨界埋深值與植被平均蓋度低于5%時(shí)對(duì)應(yīng)的地下水埋深值近似，因此表明理論計(jì)算的結(jié)果具有一定的可信度。
3討論
地下水埋深與地表生態(tài)關(guān)系密切，許多學(xué)者對(duì)地下水與生態(tài)關(guān)系開展過(guò)大量研究[19]。陳何生[20]在西北地區(qū)水資源開發(fā)利用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響中指出，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?~10m時(shí)，檉柳白刺都會(huì)消亡，土壤嚴(yán)重荒漠化;王忠靜等[12]在西北綠洲穩(wěn)定性研究中指出地下水埋深大于7m，絕大多數(shù)植被會(huì)死亡，植被蓋度低于10%;馬玉蕾等[21]關(guān)于我國(guó)西北地區(qū)生態(tài)地下水綜述研究中表明通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，表明鹽漬化臨界埋深為1~2m，荒漠化臨界埋深為5m左右。
賈利民等[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到地下水位小于2m時(shí)容易出現(xiàn)鹽漬化，地下埋深大于6m時(shí)容易出現(xiàn)荒漠化;張佩等[23]]在黑河中下游通過(guò)野外觀測(cè)分析不同地下位與檉柳的生理特性關(guān)系，得到合適的檉柳生長(zhǎng)的適宜埋深為3m左右;樊自立等[24]在塔里木河流域通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法劃分了不同生態(tài)水位，指出1~2m容易鹽分在地表聚集，適宜生態(tài)地下水埋深2~4m，荒漠化地下水埋深為6m。目前相關(guān)計(jì)算研究都是基于野外觀測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，本文中采用理論計(jì)算的方法得到的相關(guān)值在前期許多學(xué)者觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析的范圍之內(nèi)。計(jì)算結(jié)果與野外實(shí)證和相關(guān)研究成果存在誤差的主要原因有如下幾點(diǎn)：
(1)野外取樣毛管水上升高度與理論計(jì)算差異，野外取樣的毛管水最大上升高度與理論計(jì)算的臨界值普遍小，主要原因是實(shí)際情況中很難碰到臨界計(jì)算狀態(tài)下的理想條件，野外取樣點(diǎn)分析值均小于理論計(jì)算的臨界值屬于正常現(xiàn)象。(2)微地形影響局部植被群落類型，對(duì)于部分區(qū)域，地下水埋深大于地下水能夠補(bǔ)給植被的臨界埋深，依然有植被生長(zhǎng)的問(wèn)題，主要原因可能是這些區(qū)域靠近山區(qū)，局部降水較多。(3)植被群落根系取值，本文強(qiáng)調(diào)理論方法，特別是文中植被的最大根系長(zhǎng)度，這種參數(shù)由于受到影響的因素很多，具有一定的區(qū)域性。干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與地下水埋深密切相關(guān)，土壤鹽漬化和荒漠化等地表生態(tài)問(wèn)題受地下水臨界埋影響。如何降低綠洲內(nèi)部鹽漬化地下水過(guò)剩水量，解決過(guò)渡帶植被缺水而出現(xiàn)荒漠化，可以通過(guò)一些工程手段來(lái)進(jìn)行調(diào)控。
在鹽堿化區(qū)域通過(guò)機(jī)井抽水、排堿渠等手段降低水位，通過(guò)一定手段排走。本文中擬在研究區(qū)灌區(qū)內(nèi)部的鹽漬化區(qū)域通過(guò)合理布設(shè)小型機(jī)井方式使鹽漬化區(qū)域地下水埋深降到理論計(jì)算的鹽漬化臨界埋深以下，同時(shí)通過(guò)管道等方式將提取出來(lái)的鹽漬化區(qū)過(guò)剩水量輸送到過(guò)渡帶與荒漠的邊界，在過(guò)渡帶-荒漠邊界通過(guò)布設(shè)類似護(hù)城河的網(wǎng)狀溝壑(簡(jiǎn)稱“護(hù)帶溝”)來(lái)接收輸送過(guò)來(lái)的水資源，固定過(guò)渡帶，如圖6所示。
4結(jié)論與展望
本文針對(duì)干旱區(qū)荒漠化和次生鹽漬化形成機(jī)理與聯(lián)合調(diào)控方法開展深入研究，構(gòu)建了干旱區(qū)綠洲生態(tài)安全理論，深化了潛水影響層概念內(nèi)涵，并以黑河流域羅城灌區(qū)為研究區(qū)域開展計(jì)算與實(shí)證分析，取得主要結(jié)論如下：(1)構(gòu)建并豐富了潛水影響層概念，確定了其厚度計(jì)算方法，并分析了其內(nèi)部水分分布特點(diǎn)，利用潛水影響概念定義了內(nèi)陸河干旱區(qū)次生鹽堿化和荒漠化地下水臨界埋深，并進(jìn)行了定量計(jì)算。(2)以羅城灌區(qū)為計(jì)算案例，確定了綠洲內(nèi)部次生鹽堿化的地下水臨界埋深為1.29m，從實(shí)際安全管理角度，建議羅城灌區(qū)綠洲內(nèi)部防止次生鹽堿化的地下水埋深控制在1.3~1.5m。過(guò)渡帶植被荒漠化的地下水臨界埋深為8~13m。
(3)針對(duì)羅城灌區(qū)次生鹽堿化和荒漠化，提出一種協(xié)同解決土壤鹽堿化和荒漠化的地下水位調(diào)控方法。針對(duì)干旱區(qū)的后續(xù)生態(tài)安全管理，可以進(jìn)一步開展相關(guān)研究：(1)綠洲合理規(guī)模研究，通過(guò)推導(dǎo)潛水影響層中土壤水分分布曲線，積分后可定量確定潛水影響層中土壤水含量，可對(duì)綠洲合理規(guī)模進(jìn)行確定;(2)地下水位精準(zhǔn)調(diào)控方案關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究，關(guān)于降低鹽堿化區(qū)域地下水埋深機(jī)井布設(shè)和受水區(qū)過(guò)渡帶地下水埋深恢復(fù)工程需要采用何種方法需要進(jìn)一步開展研究工作;(3)內(nèi)陸河干旱區(qū)綠洲內(nèi)部次生鹽堿化區(qū)水量潛力研究，通過(guò)遙感解譯現(xiàn)狀河西走廊綠洲內(nèi)部次生鹽堿化面積，利用水文地質(zhì)相關(guān)方法，評(píng)估預(yù)計(jì)在綠洲次生鹽堿化區(qū)可提取水量1.23~4.94億m3，并通過(guò)將提取的鹽堿水用來(lái)固定過(guò)渡帶的植被，預(yù)計(jì)能夠固定過(guò)渡帶面積為440~1773km2;(4)本文側(cè)重從潛水運(yùn)移機(jī)理的角度分析地下水埋深條件，后續(xù)可以結(jié)合生態(tài)水文模型開展地下水模擬和生態(tài)調(diào)控方面的研究。
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作者：汪勇1，陳敏建1，趙勇1，閆龍1，鄧偉1，王慶明1,2
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