崔浩浩，張光輝，劉鵬飛，王金哲，田言亮，王 茜

（1.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所, 河北 石家莊 050061；2.中國地質大學(北京), 北京100083；3.自然資源部地下水科學與工程重點實驗室, 河北 石家莊 050061）

我國西北內陸流域下游的天然綠洲區(qū)，氣候干旱、少雨，天然植被生存、發(fā)育和生態(tài)維系對地下水水位埋深十分敏感[1]。地下水（潛水）直接或通過支持毛細作用向包氣帶表層輸供水分維系天然植被的生態(tài)能力或效應，稱之為地下水生態(tài)功能。隨著人類活動對地下水開發(fā)利用程度的不斷提高，一旦地下水天然平衡狀態(tài)被打破，地下水失去生態(tài)功能，旱區(qū)天然植被將會嚴重退化，甚至出現天然綠洲荒漠化[2-5]。而包氣帶是連接植被與地下水的重要紐帶，其巖性結構是影響潛水向天然植被根系層輸供水分的主要因子之一，它對地下水生態(tài)功能具有重要影響[6-7]。因此，包氣帶巖性結構如何影響地下水生態(tài)功能，不僅是值得探討的學科前沿問題，也是西北干旱區(qū)地下水生態(tài)保護亟待解決的重要問題[8-9]。

干旱區(qū)包氣帶對生態(tài)環(huán)境具有重要的意義[10-11]，這一點眾多學者已經達成共識。喬曉英等[12]分析了地下水生態(tài)功能在西北內陸盆地的具體表現，指出包氣帶巖性結構不同，其陸表植被的生態(tài)效應也不同，相對于單一的砂土結構，粉土和黏土的互層結構更有利于植被的生長。陶正平等[13]研究了鄂爾多斯盆地風積沙覆基巖型包氣帶結構及特征，指出該結構利于土壤水分的富集與保持，對維持當地的生態(tài)系統具有重要作用；陳敏建等[14]指出地下水毛細上升高度是計算極限生態(tài)水位埋深的關鍵，而影響毛細水上升高度的主要因子是包氣帶巖性結構（圖1）。在相同潛水位埋深下，包氣帶巖性結構不同，直接影響地下水通過支持毛細作用向天然植被根系層土壤輸供水分的能力[15]，導致陸表植被具有不同的生態(tài)響應。前人關于包氣帶巖性結構對地下水生態(tài)功能的影響研究取得了一定的成果，定性分析了旱區(qū)包氣帶巖性結構的生態(tài)效應，但是對包氣帶不同巖性及結構組合的研究尚不全面，也缺乏對地下水生態(tài)功能強弱影響的定量分析。

圖1 旱區(qū)地下水生態(tài)功能維系天然植被生態(tài)機理簡圖Fig.1 Ecological mechanism of groundwater ecological function maintaining natural vegetation in an arid area

針對上述問題，本文以甘肅省石羊河流域下游民勤盆地天然綠洲區(qū)為重點研究區(qū)，依托國家重點研發(fā)計劃項目開展的野外調查、室內土柱試驗和數值模擬工作，研究不同包氣帶巖性結構與地下水耦合作用的生態(tài)效應，分析不同巖性結構包氣帶獲取地下水供給水分和持水能力差異，定量對比不同包氣帶巖性結構對地下水生態(tài)功能的影響特征。研究結果加深了對包氣帶在地下水生態(tài)功能中調節(jié)作用的認識，可以為旱區(qū)水資源的精細化管理及生態(tài)保護提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域下游民勤盆地面積為1.59×104km2，其中綠洲面積僅占6%。區(qū)內年均降水量為113.2 mm，年均蒸發(fā)量為2 675.6 mm，年均氣溫為8.8 °C，年均日照時間為3 142.2 h，是我國西北內陸典型的干旱區(qū)，被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[16-18]。研究區(qū)位于民勤盆地農田與騰格里沙漠之間的天然綠洲區(qū)，調查點位布置見圖2。

圖2 石羊河流域地形及研究區(qū)圖Fig.2 Topography of Shiyang River Basin and investigation work deployment of study area

研究區(qū)包氣帶巖性結構主要為“上粗下細”、“上細下粗”的多元結構和單一“粗”結構（圖3）。其中“上粗下細”多元結構是：包氣帶上部地層為粗粒的粉細砂、中部為細粒的亞砂土和亞黏土、下部為粗粒的細砂地層，包括細粒土夾層結構（研究區(qū)大部分地層為該結構，如圖3 中ZB01 鉆孔）和粗細互層結構（如圖3中ZB12 鉆孔）?！吧霞毾麓帧倍嘣Y構是：包氣帶上部地層為細粒的亞砂土或亞黏土、下部為粗粒的粉細砂或細砂地層；包括粗粒土夾層結構或者細粗互層結構（如圖3 中ZB13 鉆孔）。單一“粗”結構是：包氣帶上部地層為粉細砂、下部為細砂的粗粒地層。

從圖3 可見，單一“粗”結構包氣帶主要分布在沙漠邊緣，遠離沙漠2 km 之后，出現“上粗下細”的多元結構包氣帶。在調查點分布方向上，自東南至西北，潛水位埋深逐漸變深；沙漠邊緣潛水位埋深約2 m，鄰近農田區(qū)潛水位埋深增大至約為3.5 m。隨著潛水位埋深由淺至深，天然植被類型由鹽爪爪、黑枸杞和蘆葦，過渡為鹽爪爪、黑枸杞、檉柳和白刺。

2 研究方法

2.1 包氣帶巖性結構調查

在國家重點研發(fā)計劃項目“我國西部特殊地貌區(qū)地下水開發(fā)利用與生態(tài)功能保護”成果—石羊河流域地下水功能評價與區(qū)劃的基礎上[19-20]，選擇荒漠—綠洲過渡帶的天然植被區(qū)布設2 條包氣帶巖性結構詳查路線，每條路線長度約10 km。采用原位探測方法，每個調查點自地表至潛水水面，進行垂向探測，垂向間隔為20 cm，包括采集土壤樣和記錄包氣帶巖性結構，調查點位分布見圖2，調查結果見圖3。然后，以典型點位包氣帶剖面為基礎開展室內土柱釋水試驗，研究地下水排空條件下，土壤剖面中有效持水量繼續(xù)維持典型旱區(qū)植被的生態(tài)效應；以土柱釋水試驗為原型應用Hydrus-1D 建立非飽和帶水分運移數值模型，適當調整參數并開展了模型的識別和驗證，利用校正識別后的模型模擬評估不同包氣帶巖性結構與地下水耦合作用對陸表植被的生態(tài)效應，進而分析包氣帶巖性結構對地下水生態(tài)功能的影響。

圖3 包氣帶巖性結構分布特征剖面圖Fig.3 Profile of lithologic structure distribution in the vadose zone

2.2 室內土柱釋水試驗

根據包氣帶巖性結構調查結果，選擇巖性全面、結構完整的點位為代表采集土樣，進行室內土柱釋水試驗。土柱剖面巖性結構是根據野外探查結果適當調整確定，自上而下包氣帶地層巖性為亞砂土（40 cm）、亞黏土（40 cm）、粉細砂（20 cm）、細砂（50 cm），底部為25 cm 厚的粗砂作為含水層（圖4），按照原干容重每隔5 cm 進行回填，層與層間打毛使得接觸更緊密。試驗土柱高度200 cm，內徑20 cm，自距離土柱頂部5 cm 位置開始，向下每隔10 cm 布設一個取樣點，共20 個，取樣點孔徑為2 cm，用橡膠塞封堵。試驗土柱中心安裝Trime 土壤含水率測管，用于實時監(jiān)測土柱不同深度土壤含水率變化，測點間距10 cm。試驗結束后，在各取樣點進行取樣，并通過烘干法和Trime 測試各測點深度的土壤含水率，利用烘干法和Trime 測試的土壤含水率擬合關系，對試驗過程中Trime 實時測試的土壤含水率進行校正。在毛細水上升過程中，由馬氏瓶向土柱定水頭供水；在釋水過程中，馬氏瓶中的水放空，充當排水裝置。

圖4 驗證試驗（土柱）裝置示意圖Fig.4 Soil column test equipment

2.3 數值模型

根據天然植被區(qū)包氣帶巖性結構的原位調查結果，確定多元結構包氣帶從上到下巖性為“粉細砂、亞砂土、亞黏土和細砂”，單一結構包氣帶巖性為“粉細砂和細砂”。求解土壤水分運移模型為Hydrus-1D 模型基礎上增加源匯項的Richards 方程[21]：

式中：θ—土壤體積含水率/（cm3·cm-3）；

t—時間/d；

z—垂向空間坐標，向上為正；

φ—壓力水頭/cm；

K(θ )—水力傳導系數/（cm·d-1）；

S—根系吸水速率/（cm·d-1）。

（1）初始條件及邊界條件

本研究模擬中，暫不考慮根系吸水，由此S為0。在潛水支持毛細水上升的模擬中，設定初始壓力水頭為-1.5 MPa，上邊界為定流量邊界、流量為零；下邊界為定水頭邊界，地下水水位埋深設定為5 m，模擬時間為100 d。在土柱釋水模擬中，設定土壤剖面含水率的初始條件為30%，初始地下水水位埋深為5 m，上邊界為定流量邊界、流量為零；下邊界為自由排水邊界，模擬地下水水位埋深大幅增大的情況，模擬時間為250 d。

（2）土壤模型結構和水力特性參數

土壤模型結構以土柱釋水試驗為依據進行識別與校正。土壤水力參數應用Hydrus-1D 模型的內置模塊進行擬合確定。其中殘余含水率是利用烘干法實測數據，細砂參數采用內置土壤分類的“sand”參數設定，其它巖性是根據土壤顆粒組成（表1），通過Rosetta模塊預測確定。預測土壤水分運動特征參數[22]，見表2。

表1 模擬模型巖性確定依據Table 1 Lithology of the simulation model

表2 校正識別后不同巖性土壤水力特性參數Table 2 Corrected hydraulic characteristic parameters of different lithology soils

利用校正識別后的參數，在Hydrus-1D 中分別建立包氣帶不同巖性結構模型，模擬其毛細水上升過程的供水能力和土柱釋水過程的持水能力。在包氣帶不同巖性單一結構模擬中，建立粉細砂、亞砂土、亞黏土和細砂4 種模型，設定包氣帶厚度均為5 m；在包氣帶不同組合結構模擬中，建立上粗下細、上細下粗、細粒夾層和粗粒夾層4 種模型。在上粗下細結構中，上部細砂和下部亞黏土厚度各設為2.5 m；在上細下粗結構中，上部亞黏土和下部細砂厚度各設為2.5 m；在夾層結構中，設置夾層厚度（亞黏土或細砂）為1 m，上部地層厚度（細砂或亞黏土）為3 m，下部地層厚度（細砂或亞黏土）為1 m。

（3）有效持水量

當植物開始發(fā)生永久凋萎時的土壤含水率，稱為凋萎含水率或萎蔫點[23-25]；當土壤基質勢為-1.5 MPa時[26-27]，對應的土壤含水率為凋萎含水率。從保障天然植被生態(tài)需水角度，凋萎含水率與土壤含水率之間的土壤水量為有效持水量[28]。本研究中，基于表2 中土壤水力特性參數，求解各巖性土壤水分特征曲線，進而獲得各巖性土壤凋萎含水率，由此計算和獲得各巖性土壤有效持水量。

3 結果

3.1 包氣帶延滯釋水的生態(tài)效應

選取研究區(qū)多元結構包氣帶不同深度土壤，包括亞砂土、亞黏土、粉細砂和細砂，采樣并建立試驗土柱。試驗開始之前，在定水頭下通過馬氏瓶向試驗土柱的含水層供水，促使試驗土體能夠充分獲得含水層（潛水）支持毛細水補給。317.45 h 后，支持毛細上升濕潤鋒不再繼續(xù)上移，此后開始釋水試驗，試驗結果如圖5 所示。

圖5 釋水后包氣帶含水率減降變化特征Fig.5 Variation characteristics of water content in the vadose zone after water release

17日21:00 開始釋水試驗，至次日8:30 細砂和粉細砂的含水率明顯變小，而亞黏土和亞砂土的含水率變化微小。釋水過程歷時156 h（至24日9:00），再次測定試驗土柱各深度土壤含水率，并與釋水前的土壤含水量比較，結果是試驗土柱持水量由340.2 mm減少至305.1 mm，可供天然植被吸用的有效持水量為182.54 mm[29]。張陽陽等[30]研究表明適宜生態(tài)水位下，天然植被梭梭生長季內（4—9月）耗水量為279 mm；極限生態(tài)水位下，梭梭耗水量為131 mm。因此，在地下水水位大幅下降之后，研究區(qū)包氣帶的有效持水量仍然能夠維持天然植被梭梭等生存一個生長季，確保旱區(qū)地下水生態(tài)功能有效。

3.2 不同包氣帶巖性結構對地下水生態(tài)功能影響特征

為了研究包氣帶延滯釋水的生態(tài)效應是否具有普遍性，以土柱試驗的包氣帶結構為原型，通過Hydrus-1D 建立數值模型，利用實測值對模擬值進行識別和驗證，開展不同包氣帶巖性結構對地下水生態(tài)功能影響研究。通過圖6 可以看出模擬值和實測值吻合比較一致，因此，可以利用校正識別后的模型參數（表2）擬合各巖性的土壤水分特征曲線（圖7），并建立不同包氣帶結構的數值模型，研究不同包氣帶巖性結構對地下水生態(tài)功能影響特征，包括不同巖性的單一結構、上粗下細結構、上細下粗結構、以及不同質地的夾層結構。

圖6 土柱剖面各監(jiān)測點土壤含水率模擬值與實測值Fig.6 Simulated and measured values of soil moisture content in the soil column profile at each monitoring point

圖7 不同巖性土壤水分特征曲線Fig.7 Soil water characteristic curve of different lithologies

（1）包氣帶不同巖性單一結構

植被的極限生態(tài)水位埋深為植被根系發(fā)育帶厚度和支持毛細水上升高度之和[14]。因此，在相同植被和地下水水位埋深條件下，支持毛細水上升高度越高的巖性結構，其地下水生態(tài)功能越強。通過對比4 種不同包氣帶巖性單一結構的最大支持毛細水上升高度、累計獲得地下水補給量和土壤含水率分布（圖8）可以看出，包氣帶巖性顆粒越細，其支持毛細水上升高度和速度就越大，并且土壤獲得地下水的補給水分越快越多，對地表植被的生長越有利。因此，從地下水支持毛細水上升高度角度，在4 種包氣帶單一巖性結構中，地下水生態(tài)功能強弱為：亞黏土>亞砂土>粉細砂>細砂。

圖8 不同巖性包氣帶獲取地下水供給水分能力差異Fig.8 Difference characteristics of groundwater supply capacity in the vadose zone with different lithologies

在初始條件下，設定包氣帶不同巖性土壤總持水量相同。從圖9 可以看出，地下水水位大幅下降后，包氣帶不同巖性剖面持水性能不同，各巖性剖面在前20 d 內總持水量迅速減少，然后進行緩慢釋水，在50 d之后逐漸趨于穩(wěn)定。結合各巖性的凋萎含水率，計算了包氣帶不同巖性的土壤凋萎含水量和釋水50 d 后的持水量、有效持水量，見表3。當包氣帶中的有效持水量越大時，其地下水生態(tài)功能越強，從表3 中可以看出，地下水水位大幅下降時，不同巖性的包氣帶土壤持水量也大幅下降，但是其有效持水量依然可觀，可以繼續(xù)維持地表植被存活。以梭梭適宜生態(tài)水位埋深下耗水量279 mm 為例，各巖性的土壤有效持水量可以維持其一個生長季的存活，具有明顯的正生態(tài)效應。雖然釋水后細粒亞黏土的土壤持水量最大，但是有效持水量卻是中等顆粒的亞砂土最大。

表3 釋水50 d 后不同巖性包氣帶有效持水量Table 3 Effective water holding capacity in the vadose zone of different lithologies after 50 days of water release/cm

圖9 不同巖性包氣帶持水能力差異Fig.9 Difference of water holding capacity in the vadose zone of different lithologies

在地下水不同水位動態(tài)條件下，包氣帶不同巖性單一結構對地下水生態(tài)功能的影響不同。在地下水水位上升時，細粒巖性毛細水上升速度和高度都優(yōu)于粗粒巖性，表現出較強的生態(tài)功能；在地下水水位大幅下降時，盡管顆粒較細的亞黏土持水量最大，但是顆粒中等的亞砂土有效持水量最高，表現出較強的生態(tài)功能。

（2）包氣帶不同組合結構

包氣帶常見的結構為層狀結構，主要包括上粗下細、上細下粗、細粒夾層和粗粒夾層等結構。為方便討論不同結構對地下水生態(tài)功能影響特征，細粒巖性選取亞黏土，粗粒巖性選取細砂。細粒夾層和粗粒夾層為上粗下細、上細下粗結構的特殊情況，當支持毛細水不能穿透中間夾層時，與上述結構情況相同。因此，在夾層結構模擬中設置夾層厚度為1 m，以便毛細水能夠穿透夾層達到上部地層。利用Hydrus-1D 設置不同的結構模型進行地下水毛細上升過程模擬和土壤釋水過程模擬。除了巖性結構外，其他條件與單一巖性結構的模擬相同。

通過圖10 發(fā)現，相同巖性不同結構的包氣帶，其對地下水生態(tài)功能影響不同。上粗下細結構的毛細水上升高度和地下水累計供水量要遠大于上細下粗結構，下部細粒的亞黏土能夠通過毛細作用將地下水輸送到上部的細砂中，利于地表植被吸水，具有明顯的正生態(tài)效應。上細下粗結構中，雖然支持毛細水沒有達到上部亞黏土，但是下部粗粒細砂支持毛細水上升高度（200 cm）比單一巖性的細砂（185 cm）要高15 cm，表明上部細粒的亞黏土對下伏細砂產生了一定的影響，使得地下水生態(tài)功能得到一定程度的提升。

圖10 不同結構包氣帶獲取地下水供給水分能力差異Fig.10 Difference characteristics of groundwater supply capacity in the vadose zone with different structures

從圖10 可以看出，細粒夾層（250 cm）和粗粒夾層（260 cm）的毛細水上升高度基本相同，但是地下水向二者的剖面累計供水量不同，細粒夾層的累計供水量（38.31 cm）大于粗粒夾層的累計供水量（29.75 cm）。因此，細粒夾層結構具有較強的供水能力，地下水生態(tài)功能較強。

在土壤釋水過程中，包氣帶不同巖性結構的土壤持水量隨釋水時間的動態(tài)變化與不同巖性單一結構具有相似的特征（圖9 和圖11）。通過土壤有效持水量計算結果發(fā)現表4，包氣帶結構的組合方式對土壤持水性能具有顯著影響，即使巖性完全相同，僅組合結構不同，其有效持水量也會有較大差異。

圖11 不同結構包氣帶持水能力差異Fig.11 Difference in water holding capacity in the vadose zone of different structures

表4 釋水50 d 后不同結構包氣帶有效持水量Table 4 Effective water holding capacity in the vadose zone of different structures after 50 days of water release/cm

當包氣帶中的有效持水量越大時，其地下水生態(tài)功能越強。通過上粗下細和上細下粗結構對比，二者初始持水量和凋萎含水量相同，但是在自由釋水50 d 后，上細下粗結構釋水量較少，有效持水量較多；粗粒夾層和細粒夾層對比，在自由釋水50 d 后，粗粒夾層有效持水量較多，表明上細下粗和粗粒夾層結構其生態(tài)功能較強。綜合對比包氣帶單一巖性和組合結構，在釋水后，多種巖性的組合結構有效持水量較大。尤其是通過對比單一亞黏土結構和粗粒夾層，單一細砂結構和細粒夾層，不管夾層的巖性如何，夾層的存在都使得包氣帶剖面的有效持水量增加。因此，當地下水水位埋深大幅增大后，多種巖性的組合結構更有利于持有較大的有效持水量，生態(tài)效應更強。

4 討論

在同一研究區(qū)域，天然植被類型、地下水水位埋深和氣象影響因素基本相同，唯有包氣帶巖性結構不同。不同的包氣帶巖性結構對地下水生態(tài)功能的影響主要表現在支持毛細水高度不同和潛水位大幅下降過程中植被主根系層土壤釋水和含水量減少程度方面。理論上，相同潛水水位埋深下，地下水支持毛細水上升高度越大，地下水供給天然植被根系層土壤水分能力就越強，地下水生態(tài)功能則越強；在潛水水位大幅下降過程中，天然植被主根系層土壤釋水越慢、含水率減小越少，越有利于維系天然植被生態(tài)，地下水生態(tài)功能則越強。在西北內陸干旱區(qū)，不同植被的適宜生態(tài)水位埋深均值為2.9 m，極限生態(tài)水位埋深均值為5.5 m[31]。根據前期在青土湖區(qū)開展的地下水水位埋深動態(tài)監(jiān)測數據可知，由于農田灌溉或者未得到及時的人工輸水，天然植被區(qū)地下水水位埋深會在一段時間內大幅增大，甚至大于極限生態(tài)水位（圖12）。從圖12 可知，在青土湖核心區(qū)，地下水水位埋深在6—8月時段大于適宜生態(tài)水位；在外圍區(qū)，地下水水位埋深在8—10月時段大于極限生態(tài)水位，雖然此時植被無法通過支持毛細作用持續(xù)獲得地下水的補給，但是包氣帶的有效持水量會繼續(xù)維持植被存活一段時間。包氣帶有效持水量越大，其地下水生態(tài)功能越強；待地下水水位埋深逐漸減小時，支持毛細水上升速度越快越有利于對土壤水的補給，其地下水生態(tài)功能越強。

圖12 天然植被區(qū)地下水水位埋深動態(tài)變化規(guī)律Fig.12 Dynamic response of groundwater depth to artificial water conveyance in the natural vegetation area

在土柱釋水試驗中驗證了包氣帶中有效持水量具有繼續(xù)維持典型旱區(qū)植被的生態(tài)效應；數值模擬中分析了包氣帶不同巖性和結構與地下水耦合作用的生態(tài)效應，因此，包氣帶巖性結構對地下水生態(tài)功能具有重要的影響。在包氣帶單一巖性結構中，顆粒的粗細決定著地下水支持毛細水上升高度和土壤有效持水量，從而影響地下水生態(tài)功能。顆粒越細，其支持毛細水上升高度越大，持水量也越大，但是由于其較高的凋萎含水率，細粒巖性的有效持水量不是最高；而中等巖性顆粒的持水量雖然不是最大，但是由于其較低的凋萎含水率，有效持水量反而最高[32]。根據土壤水分特征曲線可以看出（圖7），在獲得相同含水率情況下，巖性顆粒越細，其需要的吸持力越大。因此，細粒巖性土壤對水分具有較高的吸持力，水分不容易被植被利用，而中等顆粒的亞砂土中砂粒和粉粒含量較高，顆粒較粗，雖然總持水量相對較少，但是土壤對水分的吸持力也較小，可供植被吸收利用的水分較多。而粉細砂和細砂以砂粒為主的粗顆粒含量較高，土壤顆粒大不容易吸持水分，持水性能最低。

在包氣帶不同結構中，不管是上粗下細結構、上細下粗結構還是不同質地的夾層結構，導致其不同地下水生態(tài)功能差異的原因就是水分在穿過粗、細巖性界面時發(fā)生的不同吸持力的變化。當地下水由下向上運移時，由于細粒對水分的吸持力較大，水分由細粒向粗粒運移時速度會減緩，而水分由粗粒向細粒運移時速度會加快；當地下水由上向下運移時，由于細粒對水分的吸持力較大，以及細粒的滲透性能較差，水分由細粒向粗粒運移或者由粗粒向細粒運移時速度都會減緩，從而加強了包氣帶延滯釋水效應，使得包氣帶持有的有效水分能夠在一段時期內繼續(xù)供給地表植被，發(fā)揮地下水的生態(tài)功能。

需要說明的是，上述不同包氣帶不同組合結構的模擬結果只是針對設定的結構情景。由于不同包氣帶結構的巖層厚度不同，夾層的巖性、厚度、位置以及層數不同，其毛細上升高度和持水量也不同[33]，這些因素均會影響地下水生態(tài)功能。

5 結論

（1）當地下水水位埋深逐漸減小時，在相同植被條件下，包氣帶巖性結構不同，其支持毛細水上升高度和速度不同，對地下水生態(tài)功能的影響也不同。單一巖性中，顆粒越細，其支持毛細水上升高度和速度越大，土壤獲得地下水的補給水分越快越多，對地表植被的生長越有利；其中，亞黏土的毛細水上升高度為5 m，地下水累計供水量為92.17 cm，表現出較強的生態(tài)效應。不同巖性結構組合的支持毛細水上升高度比較復雜，因巖性厚度、位置、層數等而異；其中，上粗下細結構的毛細水上升高度為3.20 m，地下水累計供水量為54.80 cm，表現出較強的生態(tài)效應。

（2）當地下水水位埋深大幅增大后，旱區(qū)包氣帶具有繼續(xù)維持陸表植被存活的生態(tài)效應，不同巖性和結構的包氣帶其有效持水量均可以維持旱區(qū)典型植被（梭梭）存活一個生長季（4—9月），從而拓展了“生態(tài)水位”的含義。單一巖性中，包氣帶巖性顆粒越細，其持水量越大，但是其凋萎含水量也越高；其中，中等巖性顆粒的亞砂土有效持水量最大，為69.68 cm，對維持植被的生態(tài)效應最明顯。與單一巖性相比，多種巖性組合結構的有效持水量更大，生態(tài)效應更強；其中，粗粒夾層結構有效持水量最大，為74.96 cm，上細下粗性結構有效持水量次之，為73.57 cm，表現出較強的生態(tài)效應。

因此，充分認識旱區(qū)包氣帶不同巖性和結構在地下水水位埋深增大和減小情況下對地下水生態(tài)功能的影響，利用包氣帶在地下水生態(tài)功能中的調節(jié)作用，可以為當地水資源的精細化管理和生態(tài)保護提供科學依據。