包气带(vadose zone)是指地表到地下水之间垂直剖面中土壤孔隙没有被水充满、水分处于非饱和状态的区域^[1]。包气带中大气水、地表水、地下水相互作用频繁, 是地表水进入地下水的通道^{[2, 3]}。包气带土壤水分运移过程不仅影响到地下水补给, 而且与相邻景观之间存在水力联系。据报道, 全球存储于河流的水量约为2 000 km³, 远低于每年抽取的地下水量(3 800 km³), 约有15 亿人直接依赖地下水作为生活用水^[4]。在过去的50 年, 全球许多地区的地下水埋深下降严重甚至枯竭, 这种变化已从孤立的水文单元向区域扩展, 严重威胁着社会经济的可持续发展^[5]。因此, 维持地下水的采补平衡是水资源管理迫切解决的科学问题。

在干旱荒漠绿洲区, 降水和灌溉水在包气带主要有3种去向:一是通过扩散补给地下水; 二是通过径流汇集在低洼地段再局地补给地下水; 三是存贮在土壤中^[6~8]。包气带土壤水分运移过程决定着雨养和灌溉条件下降水和灌溉水的入渗及其对地下水的补给, 也影响着地下水通过毛管上升后被植物吸收利用的程度。近年来, 由于绿洲农业节水技术的推广, 局地水循环格局发生了改变, 对地下水补给的速率和程度也在发生变化。因此, 如何调节农田节水与补给地下水之间的矛盾是干旱区水资源开发利用中亟待解决的问题。

在干旱区, 包气带水分运移及其对地下水的补给量、补给速率不仅取决于降水和灌溉, 而且还受耕作、地下水位、土壤结构、质地、蒸散发等因素的影响。在垂直方向上的核心问题是水分在地下水— 土壤— 植被— 大气连续体系(Ground Water-Soil-Plant-Atmosphere Continuum, GSPAC)中的运移, 在水平方向上的核心问题是景观内部和景观界面上的水分交换。本文对干旱区包气带土壤水分运移、不同景观间的水分交换、同位素及化学物质示踪技术、地球物理技术在包气带水分运移监测中的应用、包气带土壤水分与地下水相互作用及其影响因素等若干问题的研究进展予以评述, 并提出未来研究的方向, 旨在推动我国相关研究的深入开展。

包气带土壤水分运移是GSPAC水循环中重要的组成部分, 其实质是降水和灌溉水在土壤中的运动过程^[9~11]。灌溉方式、降水格局、土壤类型和景观异质性都会导致包气带水分时空分异^[12~15]。包气带水分运移是土壤水势驱动的毛管水运移, 其内在动力是水势梯度, 即土壤水从水势高处往水势低处流动, 涉及到水、空气、水汽在水势梯度、温度梯度、浓度梯度、渗透梯度等影响下的动态过程。Darcy^[16]通过实验提出了描述饱和土壤水分运动的基本规律, 由此开始了水分运动的土壤物理学研究。Sadeghi等^[17]对达西定律进行了修正, 认为其适用于非饱和条件, 提出了目前普遍采用的非饱和土壤水分运动的连续方程, 即 Richards方程。非饱和导水率、土壤水分扩散率和比水容量等参数十分关键, 它们的准确性决定了土壤水分运动模型的可靠性。测定土壤水分运动基本参数的方法有直接法和间接法^{[10, 18]}。由于土壤水分运动基本方程的非线性特征、土壤的非均质性以及初始边界条件的复杂性, 特别是包气带各种参数的空间异质性导致参数获取上存在较大难度, 因此复杂情景下的土壤水分运动问题往往是如何对Richards方程进行简化求解。目前在农田水利研究中一般通过对相关参数进行具体的修正, 形成特定条件下的水分运动模型^{[19, 20]}。数值计算模拟方法能实现对土壤水流、溶质、温度动态变化规律和根系吸水等过程的模拟, 并取得了较好的结果, 是目前解决复杂条件下土壤水分运动问题的有效途径, 主要包括有限差分法和有限元法, 例如, SWMS-2D/3D^{[21, 22]}和HYDRUS-2D/3D等模型^[23~25], 这种方法不仅成功地应用于农田土壤水分动态变化过程的预测和评估, 也成功地应用在灌溉水分深层渗漏和土壤氮素淋溶风险的评价中^{[24, 25]}。与传统的田间试验相比, 此方法可以减少劳力和时间, 避免田间土壤、作物和气象等因素影响的不确定性, 实现田间管理的优化。但是在荒漠地带, 降雨稀少且蒸发强烈导致降雨对地下水的补给量较小^[26], 土壤水分长期处于较低水平, 传统的水动力学模型和数值模拟的应用受到参数化和真实性的挑战^[27]。此外, Richards方程在描述低含水量条件下毛管水、薄膜水和水汽3种形式的水分运动特征也可能存在不确定性^[28]。

在干旱区尤其是荒漠绿洲景观单元之间存在着水力联系, 这也是系统可持续的关键^[98]。有关海岸沙丘、湿地、草地相邻景观间水分传输国内外已经开展了一些工作, 例如, 在英格兰和威尔士海岸开展了沙丘生态水文过程及水力联系研究, 发现主要景观内水分首先是通过垂直运移与地下水进行交换, 然后再通过浅层地下水的水平运移而发生水力联系^[99]。Miller 等^[100]建立的系统动力学模型较好地模拟了热带稀疏草原景观间的水力联系过程。

在荒漠绿洲, 以往的研究主要侧重于独立景观单元内的水循环过程, 包括荒漠^{[101, 102]}、农田^{[103, 104]}、林地^[28]、草地^[105]等。例如, 研究发现河西荒漠绿洲农田中灌溉水补给深层土壤水分量高达20%~43%^{[15, 104]}, 镶嵌在绿洲中的林带和荒漠绿洲过渡带内生长的许多灌木植被对土壤水分利用强度较大, 几乎没有深层土壤水分补给^[106~108]。在荒漠绿洲区, 对景观单元之间水文联系的认识取得了一些进展, 包括根系在毗邻景观单元内的延伸以及土壤水的变化^[15]、农田— 林带过渡带的生态水文联系与水循环过程^{[109, 110]}等。研究发现, 在农田与林带镶嵌系统中, 当距离林地越近时, 农田中浅层土壤含水量越低^{[111, 112]}, 说明绿洲内林带可从附近农田中吸收水分^{[106, 110, 113]}, 有数据表明吸收量可达50%左右^[109]。以上研究在思路和方法上提供了一些借鉴, 但总体上看, 由于对景观单元间水力联系认知的模糊, 导致很难获得真实的水量平衡关系^[114~117], 所以景观之间的水文过程及其水力联系在研究方法上仍存在挑战。

降水和灌溉水通过包气带对地下水的补给是实现水资源持续管理和水循环的重要环节。灌溉水和降水在包气带存贮还是补给地下水不仅取决于降水量和降水格局等气象因素, 还受到灌溉模式、土壤、植被、地形条件等因素的影响^[118]。刘秀花等^[119]研究发现灌溉量和灌溉历时是控制包气带水分滞留和进入地下水水量比例的关键。Mooney等^[120]研究发现田间土壤在机械作用下, 土壤结构发生变化, 其固结作用会加速灌溉水或降雨入渗补给地下水。同时水分传输滞后效应也是影响土壤水分补给地下水的重要因素^[121]。优先流也是土壤水分运移补给地下水的一种重要形式:长期的优先流作用, 改变了降雨入渗在土壤中的分布, 使其快速进入地下水^[122], 齐登红等^[123]通过地中渗透仪定量评价了优先流在土壤水入渗补给地下水的比重; Rodriguez-Iturbe等^[124]提出了基于土壤物理性质、水分状况、植物根系吸水等水分运移参数的地下水补给模型; 卢小慧等^[125]综合考虑了非饱和带土壤水与地下水之间的动态联系, 建立了丹麦Skjern流域的地表水— 地下水耦合模型, 研究了地下水补给过程对降雨、入渗的响应。总之, 关于包气带水分迁移过程对地下水补给及其调控因素研究已经取得了一些进展。

此外, 在干旱区受土壤带和渗滤带结构、厚度、渗透性等因素影响, 降雨可能影响不到地下水。尤其当土壤带和渗滤带较厚时, 降雨直接通过垂向渗滤过程补给地下水将变的十分微弱, 此时, 地下水补给、山前侧向补给和河流入渗补给会占重要比重。黄天明等^[126]研究发现, 巴丹吉林沙漠地下水很可能是更新世晚期至全新世早期周边的雅布赖山区降水径流及发源于祁连山的河流古河道补给的古水。马金珠等^[127]利用同位素研究发现巴丹吉林沙漠南缘浅层地下水部分接受河流的侧向补给。同时应针对干旱区特殊的地域性包气带土壤结构和气候特征, 继续开展土壤带和渗滤带结构对降雨入渗和地下水补给过程影响等方面研究。

干旱区约占陆地面积的1/3, 涉及全球20多个国家, 是陆地生态系统的重要组成部分, 对区域乃至全球气候变化和生态功能的维持具有重要作用。中国干旱区在广义上既包括分布在35° N以北、106° E以西的广大内陆河流域, 也包括分布在北方农牧交错带降水量为300~400 mm的半干旱地区。流域是干旱区的基本单元, 冰川、冻土、森林、草原、荒漠、绿洲、农田、湿地、沙丘、河岸林是流域的重要组成部分, 地表水和地下水频繁转换是流域水循环的显著特点, 包气带在水循环、溶质运移等方面具有重要作用。今后应在以下方面加强研究:

(1) 加强地球物理技术在包气带土壤水分运移研究中的探索和应用

由于包气带的特殊的垂向结构和强烈的空间异质性, 土壤水分运移受到多重因素的调控和影响。有必要借助地下雷达探测、电阻率层析成像法、声波探测、非侵入式影像获得等地球物理技术突破传统的破坏性土壤结构取样和分析方法。尤其是加强地球物理技术在土壤优先流研究中的应用, 实现在较大尺度上的水流观测和模拟, 综合提升干旱区包气带水分运移规律研究水平。

(2) 包气带土壤水分运移参数的试验观测及数据库建立

干旱区景观类型多样、土壤异质性很强, 应针对森林、草原、荒漠、绿洲、农田、湿地、沙丘、河岸林等景观类型, 通过钻孔和开挖剖面, 结合土柱试验, 获取包气带剖面的水力传导度、土壤颗粒组成、容重、孔隙度、紧实度、田间持水量、水分氢氧同位素、Cl^-含量等基础数据, 为构建包气带土壤水分垂直运移模型建立数据库, 提高对干旱区包气带土壤水分运移的模拟水平。

(3) 加强包气带土壤水分运移及其对地下水补给的研究

地下水在维持干旱区生产和生态方面具有不可替代的作用, 地下水位下降已经威胁到对干旱区社会经济的可持续发展。因此, 选择合理的用水方式和策略维系地下水平衡是干旱区乃至全球水资源管理面临的重大问题。应明确包气带水分运移和地下水补给关系是什么、不同尺度包气带土壤水分运移及其对地下水补给规律是什么、降水和灌溉水补给地下水的过程和条件是什么等科学问题, 回答干旱区雨养条件下典型降水事件后扩散补给、局地补给和存储于土壤中水分的比例及其影响因素; 确定荒漠绿洲灌溉农田、相邻沙丘、湿地和湖泊景观界面上的水分交换过程及水文连通关系及其对地下水埋深的影响, 评估包气带水分运移及其对地下水变化的影响, 确定适宜的农田节水度。

(4) 借鉴地球关键带研究的思路, 开展包气带土壤水分运移、溶质运移、地下水补给耦合研究

包气带土壤水分运移也伴随着溶质的运移, 也会导致土壤中的一些物质如硝态氮等进入地下水中。因此, 开展包气带土壤水分运移、溶质运移、地下水补给耦合研究将为选择科学灌溉方式, 防止地下水污染提供理论依据。地球关键带最早由美国国家研究理事会(National Research Council, NRC)2001年提出, 是指陆地生态系统中土壤圈及其与大气圈、生物圈、水圈和岩石圈物质迁移和能量交换的交汇区域, 也是维持地球生态系统功能与人类生存的关键区域, 被认为是21世纪基础科学研究的重点领域。关键带控制着土壤的发育、水的质量和运移及化学循环, 因此应借鉴地球关键带的思路和方法, 加强包气带土壤水分运移、溶质运移、地下水补给耦合研究。