楊澤元，許登科，鄭志偉，石玉紅，史曉瓊，張艷娜，李文莉

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710054；3.陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心，陜西 西安 710054；4.核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000；5.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站, 陜西 西安 710068)

干表層的概念界定及其水文生態(tài)效應(yīng)研究

楊澤元1,2,3，許登科1,2,3，鄭志偉1,2,3，石玉紅1,2,3，史曉瓊4，張艷娜1,2,3，李文莉5

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710054；3.陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心，陜西 西安 710054；4.核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000；5.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站, 陜西 西安 710068)

干表層(DSL，Dry Surface Layer)是干旱半干旱地區(qū)土-氣界面的重要組成部分，影響著陸地水分循環(huán)。文章以土壤物理學(xué)、土壤水動力學(xué)、土壤熱力學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)的基本理論為指導(dǎo)，在綜合分析前人資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)物理試驗的部分觀測成果，界定了干表層的概念，探討了此概念的內(nèi)涵與外延；辨析了干表層和(下伏)土壤干層兩個概念的關(guān)系；闡明了干表層與地下水位埋深的關(guān)系，干表層對降雨入滲、蒸發(fā)和植被的影響。

土-氣界面；干表層；概念界定；水文生態(tài)效應(yīng)；干旱半干旱地區(qū)

干燥表土層，簡稱干表層(DSL, Dry Surface Layer)[1～2]，在我國西北干旱半干旱區(qū)廣泛存在[3]，是土-氣界面和地球關(guān)鍵帶的重要組成部分之一[4]，影響土壤水分循環(huán)，甚至影響陸地水分循環(huán)，因而研究干旱半干旱地區(qū)干表層對陸地水循環(huán)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論與實(shí)踐意義。

目前為止，前人對干表層的描述多從現(xiàn)象描述入手，指土壤表面非常干燥的薄層[1～3]。從形態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)將干表層的體積含水率界定為0.01%～1.00%，不超過2.00%[3, 5～6]，沒有對干表層的概念進(jìn)行明確的厘定，概念的理解上容易引起混亂，造成不同學(xué)者確定的干表層厚度不一致[7]，對干表層的內(nèi)涵和外延需要進(jìn)一步探討；干表層厚度與地下水位埋深之間的關(guān)系探討較少；干表層的水文生態(tài)效應(yīng)研究不夠深入。為此，本文在綜合分析前人資料的基礎(chǔ)上，以土壤物理學(xué)、土壤水動力學(xué)、土壤熱力學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)的基本理論為指導(dǎo)，提出了干表層的概念，探討了其內(nèi)涵和外延，對比分析了干表層和(下伏)土壤干層兩個概念的關(guān)系，闡述了干表層的水文生態(tài)效應(yīng)，以期為干旱半干旱地區(qū)地下水資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

1 干表層概念

干表層是干旱半干旱地區(qū)普遍存在的常見現(xiàn)象。由于砂質(zhì)干表層在濕潤時有較高的導(dǎo)水率，而在干燥時導(dǎo)水率很低，可以在干砂層與濕砂層間見到明顯的鋒面，從而判別砂質(zhì)干表層的存在[8]。

依據(jù)干表層的空間分布特點(diǎn)和形成機(jī)理，筆者認(rèn)為，在地表持續(xù)照射下，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使地表組成介質(zhì)含水率低于其毛管斷裂含水量(Capillary Rapture Moisture)時，在介質(zhì)基質(zhì)勢的作用下，液態(tài)水彎液面向土壤內(nèi)部退化形成新的干燥面，地表到干燥面之間的包氣帶淺表部分即稱為干表層。

1.1 干表層的內(nèi)涵

從干表層的能量來源、驅(qū)動力、干表層的下界面和干表層內(nèi)水分運(yùn)移方式四方面分析干表層的內(nèi)涵。

(1)干表層的能量來源。地表照射的能量可以是太陽提供，也可能是室內(nèi)紅外燈提供，只要能持續(xù)提供能量照射即可。

(2)干表層的驅(qū)動力。地表持續(xù)照射下，地表組成介質(zhì)在溫度梯度作用下發(fā)生強(qiáng)烈蒸發(fā)作用，引起介質(zhì)基質(zhì)勢梯度增大，使地表含水率低于毛管斷裂含水量時，干表層即形成。因此，從驅(qū)動力來看，干表層是在溫度梯度和基質(zhì)勢梯度共同作用下形成的。

(3)干表層的下界面。由于地表介質(zhì)含水率低于毛管斷裂含水量，液態(tài)水彎液面會從土壤表面向包氣帶深部遷移。溫度梯度和基質(zhì)勢梯度越大，干表層的下界面就越深，干表層厚度越大。

(4)干表層內(nèi)水分運(yùn)移形式。干表層形成初期，包氣帶水以薄膜水的形式從薄膜水厚向薄膜水薄的地方運(yùn)動，這個階段持續(xù)時間很短；隨著干表層的進(jìn)一步發(fā)展，包氣帶水以水汽的形式從干表層底部向地表運(yùn)移，這個階段持續(xù)時間長。在干表層內(nèi)居主導(dǎo)地位的是第二階段的水汽運(yùn)移。

1.2 干表層的外延

(1)地表土壤質(zhì)地。根據(jù)地表土壤質(zhì)地類型[9]，可將干表層進(jìn)一步分成干砂(土)層(Dry Sand Layer)、干壤(土)層(Dry Loam Layer)和干黏(土)層(Dry Clay Layer)三個基本類型。其它的過渡類型可由三個基本類型組合構(gòu)成，如干砂壤(土)層(Dry Sand-Loam Layer)。干砂層的形成演變是所有干表層中最簡單和最易觀察到，因此已有研究多基于干砂層展開。

(2)氣候條件。在干旱半干旱地區(qū)(如我國北方)多年平均降雨量低，降雨事件少，降雨歷時短，日照時數(shù)長，可使干表層在較長時期一直存在，僅是在降雨時干表層變薄或消失，一旦降雨停止，干表層又重新形成或增厚，對降雨入滲、蒸發(fā)和生態(tài)環(huán)境具有顯著影響。而在濕潤區(qū)或半濕潤區(qū)(如我國南方)，由于多年平均降雨量較大，降雨事件多，降雨歷時長，日照時數(shù)短，干表層即使偶爾能形成也不能長時間存在，對降雨入滲、蒸發(fā)和生態(tài)環(huán)境影響較小，可忽略。

2 干表層與(下伏)土壤干層的關(guān)系

干表層與(下伏)土壤干層這兩個概念在實(shí)際使用中經(jīng)常不加以區(qū)別，泛泛地用“干層”來描述，實(shí)質(zhì)上它們既有聯(lián)系又有區(qū)別。聯(lián)系在于：均是描述包氣帶剖面上極其干燥的土層，土壤水分循環(huán)處于負(fù)平衡；其厚度隨氣象條件、季節(jié)和地下水位埋深而變化；均對立地降雨入滲、蒸發(fā)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。區(qū)別在于：土壤干層是指位于多年平均降雨入滲深度以下，因氣候變化、地表植被過度消耗深層土壤儲水導(dǎo)致水分失衡，在土壤剖面上形成的干燥化土層[10]，其濕度上限是土壤穩(wěn)定持水量[11]。土壤穩(wěn)定持水量在數(shù)值上相當(dāng)于田間持水量的50%～80%，與土壤質(zhì)地呈負(fù)相關(guān)[12]。它與干表層在形成深度、厚度、濕度閾限和對植被的影響四方面是不同的。

(1)形成深度

干表層上界面為地表，位于地表至地表以下一定深度，屬于淺表層；而土壤干層的上界面位于地表以下，對應(yīng)于植被根系層。

(2)厚度

干表層厚度一般較薄，根據(jù)前人資料分析和筆者對毛烏素沙地野外調(diào)查成果可知，我國西北地區(qū)干表層厚度為10～40 cm[3,5]。而土壤干層厚度一般較厚，最厚可達(dá)10 m甚至超過10 m[13]。

(3)濕度閾限

干表層的濕度下限介于植物的凋萎濕度—毛管斷裂濕度之間[14]，其最低含水率可以達(dá)到0。毛管斷裂濕度對應(yīng)的吸力為40～60 kPa，黃土區(qū)可達(dá)100 kPa[15～17]。根據(jù)筆者2013～2015年的室內(nèi)物理試驗數(shù)據(jù)可知，干表層(干砂層)內(nèi)的吸力為102～104kPa，干表層以下的濕砂層的吸力為10～20 kPa，干表層的吸力是其以下濕砂層的10～103倍。

土壤干層的濕度上限為田間穩(wěn)定持水量，其最低含水率大于0。

(4)對植被的影響程度

干表層對植被的影響：若植被根系的生長速度超過干表層的形成速度，干表層對植被生長影響不大；否則植被將不能存活。

土壤干層對植被的影響：在自然和人為因素長期共同作用下，黃土高原土壤干燥化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，土壤干層厚度逐漸增加，空間分布范圍持續(xù)增大。土壤干層的形成阻礙陸地生態(tài)系統(tǒng)中生物小循環(huán)，削弱水文大循環(huán)，嚴(yán)重影響植被建設(shè)成效和區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定[10]。

3 干表層的水文生態(tài)效應(yīng)

3.1 干表層的水文效應(yīng)

(1)干表層最大厚度與地下水位埋深關(guān)系

根據(jù)筆者室內(nèi)物理試驗的觀測數(shù)據(jù)可知，以毛烏素風(fēng)積砂(細(xì)砂，最大毛細(xì)上升高度為50 cm)為試驗介質(zhì)，在維持地表近穩(wěn)定照射(60 ℃)下，干表層最大厚度與地下水位埋深之間呈對數(shù)關(guān)系(圖1)：

Thdry=20.33ln(DWT)-81.77

(1)

式中：Thdry——干表層最大厚度/cm；DWT——地下水位埋深/cm；R——相關(guān)系數(shù)。

圖1 干表層厚度與水位埋深關(guān)系曲線Fig.1 The relative map between thickness of DSL at different depth of the water table

從圖1和式(1)可以看出，對于毛烏素風(fēng)積砂來說，在介質(zhì)的最大毛細(xì)上升高度范圍內(nèi)，包氣帶水可以始終保持地下水位到地表的水力連續(xù)性，地下水可源源不斷地從地下水位向地表運(yùn)移，滿足地表蒸發(fā)的需要，因而不能形成干表層；只有地下水位埋深大于介質(zhì)的最大毛細(xì)上升高度時，干表層才能形成。隨著地下水位埋深增大，干表層厚度逐漸增加，但增加的趨勢變緩，說明當(dāng)?shù)叵滤宦裆钤龃蟮揭欢ǔ潭龋杀韺雍穸葘⒉辉僭黾?。因此，對于毛烏素風(fēng)積砂，干表層形成的臨界地下水位埋深為50 cm；隨著地下水位埋深增加，干表層厚度將逐漸趨于一定值。

(2)干表層對降雨入滲的影響

干表層影響降雨入滲量和入滲速率。由于干表層水分極度虧缺，降雨必須首先將干表層浸透，使其厚度變薄直至消失后，多余的降水才能夠有效補(bǔ)給包氣帶水分和地下水。1，2，5，10 mm降雨分別在4，6，11，15 d左右全部蒸發(fā)，15 mm以上的降雨由于穩(wěn)定干砂層的抑制作用，除了一部分蒸發(fā)以外，還有部分水分保存在砂土中[18]。當(dāng)降水量小于 30 mm時，僅能浸透2 m土層；當(dāng)降水40 mm以上時，3%～4%的水分可以浸透3 m深度土層[3]。因而干表層對降雨入滲主要影響是增大了無效降雨量的閾值，在一定程度上削弱了降水對包氣帶水和地下水的補(bǔ)給作用。

(3)干表層對蒸發(fā)的影響。

干表層對其下包氣帶水分和地下水的蒸發(fā)具有抑制作用。當(dāng)干砂層厚度達(dá)到5 cm以上時，流動沙丘干砂層厚度成為包氣帶水分蒸發(fā)的決定因素。隨著干砂層厚度的增加，裸沙地蒸發(fā)量與干砂層厚度之間存在顯著的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。蒸發(fā)抑制作用隨干砂層厚度的增加逐漸增強(qiáng)，5 cm厚的干砂層對蒸發(fā)抑制作用最大可達(dá)70.6%，30 cm厚的干砂層對蒸發(fā)抑制作用則最大可達(dá)92.38%，40 cm厚的干砂層地表蒸發(fā)量接近于零[19～20]。

3.2 干表層的生態(tài)效應(yīng)

植被種類、植被蓋度及根系分布深度影響干砂層及沙地水分分布。沙坡頭地區(qū)固沙植被發(fā)展9～10 a后土壤含水量開始明顯下降，當(dāng)蓋度下降至6%～9%時，100～300 cm沙層能維持相對穩(wěn)定的較低含水量(1%～1.5%)；與流動沙丘相比，固沙植被區(qū)干砂層相對較厚[21]。有植被覆蓋沙地干砂層的發(fā)展速率呈先慢后快的趨勢，裸沙地干砂層發(fā)展速率呈先快后慢的趨勢，農(nóng)作物地干砂層的發(fā)展速率較草地快[22]。

植物蒸騰加劇地表沙層干燥的深度和強(qiáng)度，入滲層、蒸發(fā)影響層和蒸騰影響層的深度共同決定了土壤水分循環(huán)層深度[23]，影響植被根系吸水，從而影響植被的生長。準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠邊緣活化沙丘表層雖然存在干砂層，但在沙丘中部和下部埋深60 cm以下，存在厚度超過100 cm的穩(wěn)定濕沙層，具備植被自然恢復(fù)的基礎(chǔ)，但植物根系生長速率必須大于干砂層形成速率[24～25]。地表干砂層的存在使得地表組成物質(zhì)十分松散，植物種子萌發(fā)能力變?nèi)?，發(fā)芽率降低，導(dǎo)致植被蓋度下降。

此外，地表干砂層的存在導(dǎo)致表層砂粒之間的黏著力減弱，在風(fēng)力作用下易于形成揚(yáng)沙和沙塵暴，導(dǎo)致沙漠化擴(kuò)展和局地氣候惡化。

4 結(jié)論與建議

(1)界定了干表層的概念。是指在地表持續(xù)照射下，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使地表組成介質(zhì)含水率低于其毛管斷裂含水量時，在介質(zhì)基質(zhì)勢的作用下，液態(tài)水彎液面向土壤內(nèi)部退化形成新的干燥面，地表到干燥面之間的包氣帶淺表部分即為干表層。并探討了干表層的內(nèi)涵和外延。

(2)分析了干表層與(下伏)土壤干層的關(guān)系。干表層是位于淺表的包氣帶干燥層，而土壤干層是位于地表以下根系區(qū)的包氣帶干燥層；它們在形成深度、厚度、濕度閾限、對植被的影響程度方面均有差異。干表層與(下伏)土壤干層均是描述包氣帶剖面上處于負(fù)平衡的極其干燥的土層；其厚度隨氣象條件、季節(jié)和地下水位埋深而變化；均對立地降雨入滲、蒸發(fā)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

(3)闡述了干表層的水文生態(tài)效應(yīng)。①干表層最大厚度與地下水位埋深之間呈對數(shù)關(guān)系；干表層形成的臨界地下水位埋深為最大毛細(xì)上升高度，隨著地下水位埋深增加，干表層厚度將趨于定值。②干表層對降雨入滲主要影響是增大了無效降雨量的閾值，在一定程度上削弱了降水對包氣帶水和地下水的補(bǔ)給作用；干表層對干表層以下的包氣帶水分和地下水的蒸發(fā)具有抑制作用，有效地保護(hù)了干表層以下的包氣帶水和地下水資源。③植被種類、植被蓋度及根系分布深度影響干砂層及沙地水分分布；植物蒸騰加劇地表沙層干燥的深度和強(qiáng)度，同時植物根系生長速率必須大于干砂層的形成速率，植被才能夠存活。

雖然本文對干表層的概念和水文生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了初步分析，但有關(guān)干表層的判別標(biāo)準(zhǔn)，評價指標(biāo)、評價方法等還有待進(jìn)一步發(fā)展。由于干表層本身的復(fù)雜性，應(yīng)該開展干表層水-汽-熱的耦合運(yùn)移研究，深入探討干表層形成的動力學(xué)過程和形成機(jī)制。

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Concept definition of dry surface layer and its hydro-ecological effects

YANG Zeyuan1,2,3， XU Dengke1,2,3， ZHENG Zhiwei1,2,3， SHI Yuhong1,2,3，SHI Xiaoqiong4， ZHANG Yanna1,2,3， LI Wenli5

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China;2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectinAridRegionsofMinistryofEducation,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.EngineeringResearchCenterofGroundwaterandEco-EnvironmentofShaanxiProvince,Xi’an,Shaanxi710054,China; 4.No.203ResearchInstituteofNuclearIndustry,Xianyang,Shaanxi712000,China; 5.GeologicalEnvironmentalMonitoringStationofShaanxiProvince,Xi’an,Shaanxi710068,China)

Dry Surface Layer (DSL), which affects water circulation of lands, is one important part of the land-atmosphere interface in arid and semiarid regions. Directed by basic theories of soil physics, dynamics of soil moisture, soil thermodynamics and hydrogeology, based on synthetic analysis of document data of forefathers, combining parts of observation data of a physical test indoors, the concept of DSL was firstly defined, then its connotation and extension were discussed. Secondly, the relationship between DSL and Soil Dry Layer Underlining (SDLU) was compared. Thirdly, the relationship between DSL and depth of water table, and influence of DSL on precipitation infiltration, evaporation and vegetation was clarified. All these can enrich theories of DSL formation and earth’s critical zone, and provide scientific evidence for sustainable utilization of water resources and eco-environment protection in arid and semiarid regions.

land-atmosphere interface; dry surface layer (DSL); concept definition; hydro-ecological effects; arid and semiarid regions

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.12

2016-10-08;

2017-01-16

國家自然科學(xué)基金項目資助(41272247，41230314，41272246)；教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金項目資助(2013C0290418)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項目資助(2013G1502031，2014G2290018)

楊澤元(1969-)，男，博士，副教授，主要從事地下水與生態(tài)環(huán)境關(guān)系研究。E-mail: yang_zeyuan@126.com

P641.131； S152.7+3

A

1000-3665(2017)02-0077-05