本文摘要：摘要：干旱区绿洲灌区水资源集中开发使用，改变了地下水潜流场分布，造成了盐渍化和荒漠化并存的生态问题，严重威胁着绿洲的生态安全。以生态圈层结构理论为基础，深化研究潜水影响层概念内涵，构建干旱平原区潜水蒸发概念性模型，以黑河罗城灌区为例，从机
摘要：干旱区绿洲灌区水资源集中开发使用，改变了地下水潜流场分布，造成了盐渍化和荒漠化并存的生态问题，严重威胁着绿洲的生态安全。以生态圈层结构理论为基础，深化研究潜水影响层概念内涵，构建干旱平原区潜水蒸发概念性模型，以黑河罗城灌区为例，从机理上揭示干旱区荒漠化与盐渍化的地下水埋深条件并进行定量计算与调控，主要成果如下：①描述了造成内陆河干旱区绿洲内部盐渍化和过渡带荒漠化的潜水蒸发运移规律，利用潜水影响层定义了盐渍化与荒漠化地下水临界埋深，并进行了定量计算，得到罗城灌区绿洲内部次生盐碱化的地下水临界埋深为1.3~1.5m，过渡带荒漠化地下水临界埋深为8~13m;②讨论了潜水影响层厚度定量公式中关键参数土壤当量孔径和液体表面张力在不同生态问题中合理取值;③提出一种协同缓解干旱区盐渍化和荒漠化地下水位调控方案，实现改善灌区内部盐渍化、控制过渡带荒漠化和水资源高效利用等多个目标。
关键词：生态圈层结构;地下水临界埋深;过渡带荒漠化;灌区盐渍化;地下水水位调控
荒漠化和盐渍化严重威胁干旱区绿洲生态安全[1,2]。中国对西北内陆河干旱区研究开始于20世纪80年代，汤奇成和周成虎[3]指出内陆河水文循环山区为径流形成区、平原为径流耗散区，并提出了干旱区生态用水的概念;20世纪90年代中科院兰州寒旱所提出内陆河山区水文生态的垂直地带谱[4]概念;随后干旱区绿洲潜水蒸发[5]的作用也开始受到关注;1996—2000年间，国家九五科技攻关计划重点项目“西北地区水资源合理利用与生态环境保护研究”系统开展了中国西北内陆干旱区生态水文学研究。
荒漠化论文投稿刊物：《干旱区研究》(双月刊)创刊于1984年，是由中国科学院主管，中国科学院新疆生态与地理研究所和中国土壤学会联合主办的全国性学术期刊。着重刊载全球变化的干旱区响应、内陆水循环与水资源、干旱区脆弱生态系统适应气候变化对策、绿洲生态系统建设、绿洲学科发展等干旱区基本科学问题。
通过分析内陆河水文循环的生态效应，揭示内陆河干旱区水分驱动的生态演变机理，提出了径流活动支撑下内陆河平原绿洲、绿洲-荒漠交错过渡带、荒漠共生系统的生态圈层结构理论并建立了概念性模型[6]。荒漠与过渡带边界的临界地下水埋深，以及过渡带与绿洲边界的临界地下水埋深，对内陆河干旱区生态安全具有决定性的影响。
随后10多年，利用统计分析、实验观测、数值模拟等方法，对干旱区生态需水[7]、地下水阈值[8-11]、绿洲规模及稳定性[12]、生态调水对植被相应关系[13]等问题开展了许多研究工作。内陆河干旱区生态需水是通过地下水潜水蒸发去实现，维持适宜的地下水埋深对干旱区生态安全至关重要。干旱区绿洲内部水资源集中开发利用，导致地下水潜流场发生变化，使绿洲生态安全受到内外侵袭。
一是生态圈层结构的变化，荒漠化持续扩张。由于地下水位下降，使过渡带大幅退化，导致绿洲直接面对荒漠;二是绿洲内部持续次生盐渍化。由于灌区排水不畅，导致地下水位过高，在绿洲内部出现大量盐碱地，降低了土地生产力。造成生态问题的关键是水资源的局部分布不均，主要表现在绿洲内部由于预留的大量生态需水和灌溉回归水就近排放，出现的水资源过剩，地下水埋深较浅，潜水蒸发强烈，植被需水过剩，从而出现盐渍化;另一方面灌区绿洲外部的过渡带区域，潜流场收缩，由于缺水导致地下水埋深过大，地下水与地表植被失去补给联系，潜水蒸发无法对地表植被进行补给，而出现过渡带荒漠化[14,15]。
过渡带是干旱区绿洲的天然生态屏障，根据生态圈层结构理论，干旱区内陆河生态稳定的重要标志是控制荒漠化面积扩张，其生态水文的核心问题是维持一定的潜水埋深以保持过渡带与荒漠界线的稳定。过渡带虽然依赖降水，但仅降水是不够的，必须有地下水的微量补给，这是过渡带存在的必备条件之一，否则过渡带退化，荒漠入侵。而绿洲依赖于地下水潜水蒸发补给，降水补给微不足道，这就是过渡带与绿洲的区别。过渡带需要微量地下水补给，且其稀疏植被对于遏制荒漠扩张作用巨大，这一点容易被忽视，致使过渡带不断消失，不得不依赖人工防护林，既降低了绿洲安全性，又增加了(额外负担的防护林)用水。
与此同时，干旱区大部分灌区普遍存在灌溉排水不畅，使灌区内部地下水水位上升，形成次生盐渍化，既浪费了宝贵水资源，又降低了绿洲生态质量，而人工防护林的灌溉也常常加剧了盐渍化。本文将上述问题一并考虑，对地下水位进行调控：降低盐碱地的地下水位以消除盐渍化，将抽取的矿化度较高的水通过管道等方式输送到过渡带，抬升地下水位，以满足植被生态需水。
为此需要解决关键技术难题：为了保障地下水能被过渡带植被利用，地下水位必须高于一定的潜水埋深，即地下水补给植被的临界埋深;为了遏制盐分析出地表，地下水位必须低于一定的潜水埋深，即限制盐分输送至地表的临界埋深。因此解决盐渍化和荒漠化问题的关键是对潜水蒸发影响的范围和耗散过程开展深入研究。本文通过机理分析，研究上述2个临界潜水埋深的生态水文原理与定量方法。基于地下水潜流场的连续性和两者问题在水资源上的互补性，将二者一并考虑可以从结构上理顺干旱区水资源合理利用与生态安全关系。
1原理与方法
1.1生态圈层结构理论山区形成的径流是平原地区最重要的水分来源，补给平原盆地生态系统的水分由两部分组成，第一是当地少量降水，第二是河川径流，后者起决定性作用。由于径流的作用，内陆河平原沿河岸形成了非地带性生态群落：林地和高盖度草地以及湿地等，组成绿洲。河川径流向两岸侧渗形成一定影响范围的地下潜水。潜水蒸发的加入，“激活”了潜水影响区域内降水的“有效功能”，由降水与地下潜水共同补给，在非地带性的绿洲生态与地带性的荒漠生态之间形成了一个相对绿洲而言要宽阔得多的过渡带。过渡带植被以(中)低盖度草地为主，是从非地带性绿洲生态向地带性荒漠生态的过渡形式。
由于径流运动的作用，平原生态景观表现出规律性变化：以径流活动区为中心向外依次为绿洲、过渡带、荒漠;植被等级和盖度逐渐由高向低演变，分别为有林地、灌木林、疏林地和高盖度草地、中盖度草地、低盖度草地、沙漠、戈壁。根据生态景观的需水补给条件界定内陆河盆地生态系统的组成，定义荒漠、绿洲荒漠交错过渡带、绿洲[6-7]。按人类活动进一步将绿洲划分人工绿洲和天然绿洲。
1.2潜水蒸发物理过程
地下水影响地表生态是通过潜水蒸发形成土壤水运动而实现的，借助于毛管力，由潜水面上升形成一定厚度湿润层，湿润层的厚度取决于毛管力，由于土壤水的毛管力受多因素的影响[16]，因此该湿润层的厚度是一个范围值;在外界条件一定的情况下，湿润层中不同点离潜水面的距离不同，毛管力大小有区别，因此导致湿润层中土壤含水量呈现一定的规律分布，定义土壤中所有毛管水活动的范围为潜水影响层。确立临界埋深的关键是需要确定潜水影响层的厚度和水分分布规律。
2案例分析
2.1研究区概况
经过对新疆、河西走廊等内陆地区开展调研，同时对河西走廊1990—2015年近20年遥感影像分析，发现干旱区过渡带荒漠化和盐渍化问题普遍存在。经过比选确定黑河流域位于中下游交接处的罗城灌区为研究区域。该灌区盐渍化与过渡带退化问题长期存在，属(中)型自流灌区，目前耕地面积52km2，盐碱地面积23km2，以罗城灌区绿洲为主体的研究区面积约600km2，包括80km2的低盖度植被区域，400km2的戈壁荒漠区域。罗城灌区共开展3次野外调查采样，分别为2017年8月22—27日(植被生长期)、2018年3月22—26日(灌溉前)和2018年8月10—14日(植被生长期)，获得30个有效样点。
取样内容包括利用北京新地标土壤设备有限公司生产的型号XDB0301手动旋转采样钻(最深5m)每隔30cm取土样，利用英国Delta-TDevices公司生产的WETSensor测量土壤含水率、土壤水电导率、土壤水温度，取样直至潜水面。同时在每个取样点进行多个随机样方法(绿洲内采用2m×2m样方，过渡带10m×10m样方)，进行每个取样点植被群落识别和群落盖度的调查。每个取样点地下水埋深采用钻孔、观测井及民用井等多个途径获得。
对黑河流域平原区不同区域的68个地下水埋深进行分析，发现罗城灌区盐碱化较严重的区域地下水埋深均在1.5m以内，主要分布在河道干流附近及耕地内部;罗城灌区绿洲内部(主要是灌溉耕地及部分天然绿洲内部)地下水埋深水位大概在2~6m;绿洲外围植被较稀疏的过渡带区域，地下水埋深在6~13m;地下水埋深超过13m后基本为荒漠。过渡带地下水埋深6~13m基本与计算的过渡带临界地下水埋深最大值相似，证明计算结果可信。根据植被“耐受性定律”，指某一生态因子中的耐受范围称为生态幅，最具代表性的方法为高斯模型[18]。
本文将野外样方调查的植被盖度与地下水埋深进行高斯曲线拟合，当地下水埋深超过10m时植被过渡带中几种关键的优势种白刺、沙拐枣、梭梭、柽柳盖度均出现严重下降，平均盖度基本都低于10%。当地下水埋深超过13m左右时植被盖度基本低于5%，出现了显著的荒漠化特征。通过上述调查统计分析本文计算的地下水临界埋深值与植被平均盖度低于5%时对应的地下水埋深值近似，因此表明理论计算的结果具有一定的可信度。
3讨论
地下水埋深与地表生态关系密切，许多学者对地下水与生态关系开展过大量研究[19]。陈何生[20]在西北地区水资源开发利用对生态系统影响中指出，当地下水埋深大于8~10m时，柽柳白刺都会消亡，土壤严重荒漠化;王忠静等[12]在西北绿洲稳定性研究中指出地下水埋深大于7m，绝大多数植被会死亡，植被盖度低于10%;马玉蕾等[21]关于我国西北地区生态地下水综述研究中表明通过实验观测和统计分析数据，表明盐渍化临界埋深为1~2m，荒漠化临界埋深为5m左右。
贾利民等[22]通过实验的方法得到地下水位小于2m时容易出现盐渍化，地下埋深大于6m时容易出现荒漠化;张佩等[23]]在黑河中下游通过野外观测分析不同地下位与柽柳的生理特性关系，得到合适的柽柳生长的适宜埋深为3m左右;樊自立等[24]在塔里木河流域通过统计分析方法划分了不同生态水位，指出1~2m容易盐分在地表聚集，适宜生态地下水埋深2~4m，荒漠化地下水埋深为6m。目前相关计算研究都是基于野外观测和数据统计分析，本文中采用理论计算的方法得到的相关值在前期许多学者观测和统计分析的范围之内。计算结果与野外实证和相关研究成果存在误差的主要原因有如下几点：
(1)野外取样毛管水上升高度与理论计算差异，野外取样的毛管水最大上升高度与理论计算的临界值普遍小，主要原因是实际情况中很难碰到临界计算状态下的理想条件，野外取样点分析值均小于理论计算的临界值属于正常现象。(2)微地形影响局部植被群落类型，对于部分区域，地下水埋深大于地下水能够补给植被的临界埋深，依然有植被生长的问题，主要原因可能是这些区域靠近山区，局部降水较多。(3)植被群落根系取值，本文强调理论方法，特别是文中植被的最大根系长度，这种参数由于受到影响的因素很多，具有一定的区域性。干旱区生态系统与地下水埋深密切相关，土壤盐渍化和荒漠化等地表生态问题受地下水临界埋影响。如何降低绿洲内部盐渍化地下水过剩水量，解决过渡带植被缺水而出现荒漠化，可以通过一些工程手段来进行调控。
在盐碱化区域通过机井抽水、排碱渠等手段降低水位，通过一定手段排走。本文中拟在研究区灌区内部的盐渍化区域通过合理布设小型机井方式使盐渍化区域地下水埋深降到理论计算的盐渍化临界埋深以下，同时通过管道等方式将提取出来的盐渍化区过剩水量输送到过渡带与荒漠的边界，在过渡带-荒漠边界通过布设类似护城河的网状沟壑(简称“护带沟”)来接收输送过来的水资源，固定过渡带，如图6所示。
4结论与展望
本文针对干旱区荒漠化和次生盐渍化形成机理与联合调控方法开展深入研究，构建了干旱区绿洲生态安全理论，深化了潜水影响层概念内涵，并以黑河流域罗城灌区为研究区域开展计算与实证分析，取得主要结论如下：(1)构建并丰富了潜水影响层概念，确定了其厚度计算方法，并分析了其内部水分分布特点，利用潜水影响概念定义了内陆河干旱区次生盐碱化和荒漠化地下水临界埋深，并进行了定量计算。(2)以罗城灌区为计算案例，确定了绿洲内部次生盐碱化的地下水临界埋深为1.29m，从实际安全管理角度，建议罗城灌区绿洲内部防止次生盐碱化的地下水埋深控制在1.3~1.5m。过渡带植被荒漠化的地下水临界埋深为8~13m。
(3)针对罗城灌区次生盐碱化和荒漠化，提出一种协同解决土壤盐碱化和荒漠化的地下水位调控方法。针对干旱区的后续生态安全管理，可以进一步开展相关研究：(1)绿洲合理规模研究，通过推导潜水影响层中土壤水分分布曲线，积分后可定量确定潜水影响层中土壤水含量，可对绿洲合理规模进行确定;(2)地下水位精准调控方案关键技术问题研究，关于降低盐碱化区域地下水埋深机井布设和受水区过渡带地下水埋深恢复工程需要采用何种方法需要进一步开展研究工作;(3)内陆河干旱区绿洲内部次生盐碱化区水量潜力研究，通过遥感解译现状河西走廊绿洲内部次生盐碱化面积，利用水文地质相关方法，评估预计在绿洲次生盐碱化区可提取水量1.23~4.94亿m3，并通过将提取的盐碱水用来固定过渡带的植被，预计能够固定过渡带面积为440~1773km2;(4)本文侧重从潜水运移机理的角度分析地下水埋深条件，后续可以结合生态水文模型开展地下水模拟和生态调控方面的研究。
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[3]汤奇成,周成虎.中国干旱区水资源特点及其利用[J].干旱区资源与环境,1987,1(Z1):60-68.(TANGQC,ZHOUCH.ThecharacteristicsandutilizationsofthewaterresourcesinChina'saridregions[J].JournalofAridLandResources&Environment,1987,1(Z1):60-68.(inChinese))
作者：汪勇1，陈敏建1，赵勇1，闫龙1，邓伟1，王庆明1,2
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