毛乌素沙地地表干沙层形成机理及其水文生态效应研究

Dry Surface Layer(DSL),which exists extensively in arid and semi-arid regions, importantly protects soil water and groundwater resources below it. Howerver，it is not clear that evolution process and mechanism of DSL. Directing by dynamic theories, thermodynamic theories, and the Soil-Plant-Atmosphere Continnum(SPAC) theory, combining field surveying and in-situ observation continusiously, physical stimulation in door and phsical stimulation with numeric stimulation, this item tries to analyze its temporal and spatial laws, to establish its physical models, to construct its dynamic models, to reveal its dynamic process and mechanism on formation and evolution of DSL, and to assess its influence mechanism on preciptation infiltration, evaporation of soil water and groundwater and vegetation. Research achievements can enrich dynamic theories on the soil-atmosphere interface in sandy lands, and direct protection of water resources and ecological environment, and ecological restoration in deserts.

干旱半干旱地区地表干沙层的形成对于土壤水和地下水资源具有保护作用，然而干沙层的形成演化过程和机理尚不明确。本项目以毛乌素沙地为研究区，以土壤水动力学、热力学理论和土壤-植物-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continnum，SPAC)理论为指导，将野外调查与原位定点观测、室内物理模拟与数值模拟相结合，分析地表干沙层的时空分布规律，建立地表干沙层形成的物理模型，构建干沙层形成的动力学模型，揭示沙地地表干沙层形成的动力学过程和机理，评价干沙层对降雨入渗、土壤水和地下水蒸发及植被的影响机制。研究成果将丰富沙地土-气界面动力学理论，对沙漠地区水资源和生态环境的涵养以及生态修复等都具有重要的指导意义。

干表层使得包气带土-气界面与地下水位界面之间增加了干表层底部界面，对降水入渗和蒸发影响显著。项目以毛乌素沙地为研究区，以土壤水动力学、土壤水分热力学、水文地质学等理论为指导，将室内物理模拟与数值模拟相结合，建立地表干沙层形成的物理模型，构建干沙层形成的动力学模型，揭示沙地地表干沙层形成机理，评价干沙层对降雨入渗、土壤水和地下水蒸发及植被的影响。获得以下主要结论：.（1）提出了干表层的概念，丰富了干表层形成和地球关键带理论。.（2）确定了包气带的关键层为地表至地表以下60cm范围。.（3）厘定了不同水位埋深地表蒸发作用和凝结作用发生的时段。当地下水位埋深（Buried Depth of Water Table, BDWT）大于最大毛细上升高度（Maximum Capillary Height，MCH）的1.8倍时，地表蒸发作用和凝结作用交替进行，地表大多在每天的0:00:00~14:00:00发生蒸发作用，14:00:00~24:00:00发生水汽凝结作用。.（4）确定了不同地下水位埋深蒸发作用的影响深度。地表为蒸发区的上界面。当BDWT处于MCH的1~1.4倍时，地表蒸发的最大影响深度达50cm；当BDWT处于MCH的1.8倍时，蒸发区底界面位于1-50cm，蒸发的最大影响深度达50cm，地表至以下1cm内有水汽凝结现象。当BDWT超过MCH的1.8倍时，蒸发区底界面位于5-30cm，蒸发的最大影响深度达30cm。.（5）提出了近日照条件下干沙层中水汽的运动模型。从地表到干表层底部以下1cm范围内，水汽向上运移；干表层底部1cm以下，水汽在0:00-9:00、16:00-24:00向上运移，在9:00-16:00向下运移。.（6）确定了干表层形成的临界地下水位埋深和地表最高临界温度。当地表最高温度为65℃时，干表层形成的临界BDWT为56cm。当BDWT为70cm时，地下水位处温度为28℃，地表最低温度为29℃时，地表临界最高温度为35℃。.（7）确定了干表层形成过程中包气带剖面不同深度上的热流密度构成分布规律。干表层未形成时，根据地表、传导热与潜热交点首次出现及最后出现深度、水位埋深将包气带剖面热流密度分布分成三个带，干表层形成后，将第一个带分为干表层亚区和干表层下界面至交点首次出现深度亚区。各带和各亚区主要热流密度构成显著不同。