近地交织层研究

近地交织层研究

索建军

关键词：近地表；交织层；空间综合体；场；

中文分类：P641；TV93；X171.3文献分类号：A0前言

地交织层的概念提出起因。蒸散发（ET）是刻画陆面生态过程的关键参数，是水循环和现代水资源管理的重要分量[1]。ET研究是水利、农业、气象、生态环境等领域的重要内容。为了探索ET新模型和提高ET修正精度，在实施水利部948项目遥感地面校验与应用技术开发过程中，针对地、气和植物系统以及蒸散发监测原理进行了较为深入的研究。研究发现有多种因素影响ET精度，实际监测并不能完全排除这些影响要素。如果统一考虑近地表地上植物、大气以及近地表地下包气带、地下含水层之间的水分运移，用可测层水分变化参数对蒸散发模型进行修正，则可以有效提高蒸散监测的精度。为此提出近地交织层的概念，以及有关理论和初步应用事例。

1近地交织层

1.1定义

近地表交织层指地球表面上下一定厚度的空间综合体，是石圈、生物圈、水圈、大气圈交错分布、交互作用而形成的混合圈层，是无机界、有机界和人文界交错分布、交互作用而构成的一个复杂系统，是多场互为交织的复合区[2]。

近地交织层空间范围涉及地球整个表面以及表面上下一定范围，上部边界为人类固定建筑到达范围，基本在地面以上1000m以内，下界面为人类地下建筑到达深度，基本在地面以下1000m以内[3]。因此空间范围大致为近地表±1000之间的薄层空间，边界只是相对意义，实际没有严格边界。地球生命所需的几乎全部水资源、几乎所有生物圈生物，大气主要成分、人类几乎所有建筑都分布在此空间，几乎集中了人类所需的全部能源、物质和信息[4]。

1.2主要特征

（1）该层多物质交错分布。乔木扎根于土壤，直立于地上，穿插于空气中。地下水分布于含水层空隙间，又被岩粒所包围。城市建筑耸立地面，其基础同时又深埋地下。气体分布于植物之间、土壤颗粒之间。软硬岩体或平行交接，或交错分布。这些现象体现近地交织层物质交织分布的主体特征，尤其是在交接面，因此称之为交织层。既突出主要特性又避免与其它专业术语混淆。

（2）是无机界、有机界和人文界交错分布、交互作用而构成的一个复杂系统。原始森林系统、荒漠系统、城市系统、湿地系统大都存在无机、有机与人文交互作用。

（3）是多场交互交织形成的复合区。这种交织不但存在于地下径流场与含水层物质场之间；还存在于大气、植物、土壤之间；存在于楼房、土地、植物、水体之间；各类物质均可看做地球物质的某一特例或属性，各物质场呈现出多种交织分布形式，如穿插关系、互为包含、叠加关系、分离等关系。各种场相互交织和耦合。

（4）具有变化特性，静止只是相对而言。随着时间推移，物质分布及变化都在变化，物质间的作用和转换也在变化。

（5）复杂而统一性，虽然物质分布及变化复杂，但又具统一性，其分布、变化及转化遵循一定规律。

（6）分级、分层、分区特性，物质组织和分布具有分级、分层、分区特征。

（7）互为边界特性，在此空间存在多种物质场，他们之间并非孤立，物质可以从一个场到另一个场传输或转换，前者的输出是后者的输入，他们互为边界、限制、或制约。

（8）混沌特性和随机性。场的变化具有混沌性，当出现某种扰动后，场会按预定路径变化。

（9）多种力并存，存在梯度力，惯性力、科里奥力、径向力等多种力的作用。

2近地交织场

近地交织层分布场物质，这些场相互交织，彼此相互影响和制约。场论是关于场的性质、相互作用和运动规律的理论。场指物体在空间中的分布情况[5]。广义场是指物质在时空中的分布状态[6]。广义场研究的本质是揭示物质属性的时空分布及变化规律。岩石、大气、水、生物都是物质，是物质的不同存在形式，因此研究近地交织层问题，可以视作研究近地交织场问题。研究近地表物质时空分布及变化规律，研究不同形式物质之间交错分布及变化规律，研究不同物质场之间交互作用及变化规律。

场的物理性质可以用一些定义在全空间的量描述,这些场量是空间坐标和时间的函数,它们随时间的变化描述场的运动。空间不同点的场量可以看作是互相独立的动力学变量，因此场是具有连续无穷维自由度的系统。

可以依据研究对象的特点，依照标量场、矢量场和张量场研究近地交织场问题，也可依据“经典场”和“量子场”研究近地交织场问题。可将其视作静态场或动态场研究，静态场是相对的，当场变化相对于时间变化很小时，可以认为是静态场，或时间足短的空间场状态，如卫星获取图像，可以认为是通过静态大气场对地表拍摄，然而实质大气场在时刻变化着，是动态场。

近地交织场占据地球近地表一定空间，原则讲没有明显的边界，场变量时空上分布不均匀，存在变化衰减边界，这些边界不一定接近交织层空间边界。其中各类场均具能量且可相互转换[7]。不但进行能量转换同时也进行物质转换，即交换。近地交织场中岩石圈、大气圈、水圈、和生物圈在空间上有一定的交叉，难以截然分开。一种场的时空分布及变化，不仅取决自身特性，还受其他场影响，并对这些影响会作出反应或影响其他场，在同一时空中的场存在相互作用性。

只要是物质都是以场的形式存在，并在场的制约下运动。空间是描述物质存在的场，时间是描述物质运动的场，空间、时间是不可分割的，场又是“时空场。“时空场”是物质存在状态、运动状态的表现形式，因此场又是“物质场”。

爱因斯坦坚信，自然界物质运动规律性的简单、和谐与统一，并极力追求反映这种物质运动规律的简单和谐与统一的理论体系。虽然目前我们还无法确定这种规律，但可以借助广义场的思想和研究成果，研究不同物质场及相互作用，研究水分在不同场中的分布变化规律以及场间输送规律，为ET模型构建提供新思路。

3遵循定律

近地交织层包含物质众多、形态各异、分布不均、变化各异，看似杂乱无章，实则和谐统一，物质分布和变化遵循能量平衡、质量平衡原理及热力学定律等。只是对于不同物质或界面，其表现形式可能存在差异。

（1）能量平衡不同形式

对于作物表面，其能量平衡式为①：

①

其中：Rn:太阳净辐射通量；H：感热通量；LE：潜热通量；G：土壤热通量；P：光合作用通量；R：呼吸作用通量。

对于地气系统，其辐射平衡方程为②

②

其中Rn:地面接收净辐射；α:地面反照率;Rs↓向下的短波辐射；RL↑向下的长波辐射R↑L；向上的长波辐射；

（2）质量平衡方程也存在不同的表现形式

对于地表水分平衡方程，其形式为③

③

其中P：降水；R：径流；D深层排水；△S：土壤储水。

对于农田水分平衡，其形式为④

④

其中LE:蒸散量；Pe:有效降水；Ie：有效灌溉水量G:地下水补给量；

4研究策略与技术

近地交织层包含物质及变化种类众多，如果不分主次，进行全要素、全过程研究，势必会使问题复杂化，难以达到预期效果。需要针对主要问题，选取相关要素和过程，进行模型概化，进而研究其分布与变化、研究不同物质转化与限制，达到提高对要素认知准确度和促进要素更广泛应用。研究主要理论技术：

（1）参照系构建技术，如果为全球问题，则应采用球坐标。如果局地问题，则应采用局地坐标，或笛卡尔坐标。根据问题不同可选择不同坐标系统，如Z坐标、P坐标、θ坐标等，合适坐标系统会起到事半功倍效果。

（2）主要素与环境要素选择，近地交织层研究问题可简化为对若干要素场的研究问题，如果将主要关注对象作为主要素，则其它可作为环境要素，那么研究可进一步归结为主要素分布和变化以及其与环境要素的作用关系问题。因此开展研究或建模前，首先要确定关注的主体和环境。主体影响环境要素，环境要素对主要要素存在制约关系。

（3）物质与能量交换研究，物质运移实质为要素在自身场中的变化，物质交换实质为要素在两个场之间的物质输送。在这些变化和转换中伴随着能量的变化。物质变化研究相对较成熟，物质交换相对较弱，模型概化重点确定交换界面，有的也称为边界条件、或制约要素。建立交换界面物质、能量平衡是关键。

（4）变化驱动力研究。不但研究对象空间分布及变化，还应研究对象变化驱动力，这类似于研究景观过程驱动力。景观过程实质是由能量和物质在景观要素之间的流动引起。通过大量的“流”，一种景观元素对另一种景观元素施加着控制作用。景观差异是流产生的根本原因。流的基本动力有3种，即扩散、物质流和运动流[8]。扩散力广泛存在，但在同性系统中不存在，主要存在于异质系统之间。外部力指作用于研究对象上的各种外在力，包括梯度力、惯性力、科里奥力、径向力等，也包括如生物力和社会力，前者指生物机体作用使生物生长发育的力，后者指人类改造自然的力。内部力指对象消耗自身能量而使本体运动的力。社会力比较难以衡量，不能简单地将一次爆破力作为社会力，需要建立统一评判标准。这方面可借鉴H.T.Odum（1987）的能值理论[3]。以能值为基准，可以衡量和比较不同类型、不同级别的能量的真实价值，可以把不同类型、不同级别的能量转换为同一基准的能值，并以此定量研究生态系统结构、功能及变化。

（5）时空建模技术。对近地交织层研究可以基于场或对象研究，与之对应的空间数据模型分别为场模型或对象模型。场模型将地理空间定义为由无数个点组成的连续体[4]，在GIS中对应光栅对象。对象模型将地理空间看作一个容器，由容器内一系列彼此分离的对象所组成，对应GIS中的矢量对象。但近地交织层的物质并非都有明确边界，也并非都呈连续状态。需要从场到对象或从对象到场转换，场与对象间精确转换是研究的技术难点。近地交织层具有随时间变化的特性，需要从时间维研究物质分布和变化以及与其它物质交换和作用，因此需要建立时空数据模型，或者说建立四维数据模型。此方面国内外都有研究，如Worboys提出的时空对象模型、Peuquet提出的基于事件的时空数据模型、Goodall等针对河流对象的时空表达数据模型、伊章才等]提出了一种基于状态、事件的时空数据模型等。

（6）现代信息技术，近地交织层研究涉及四维空间数据建模和分析，离不开现代信息技术支持。需要时空数据库技术，主要包括时空对象数据建模技术、储存技术和拓补分析技术等。研究面对数据必然是大数据问题，包括大数据储存技术、快速检索技术、智能挖掘技术等。需要支持解决大数据问题的高性能计算机。在超算、大数据、智能计算方面我国已经走在了世界前列，为深入开展近地交织层数字化研究和服务奠定了技术基础。

5相关研究

关于近地交织层的研究尤其是局部特征及规律的研究已经出现在许多领域，特别是涉及地质、生态环境、水利、农业、林业等交叉学科领域。瑞典皮尔瑞克.杰森与路易丝.卡尔伯格所创立的土壤-植被-大气系统热量、物质运移综合模型，是近地交织层在局域地区的一个特例，其研究范围涉及地球局部地域，地表上下大致50m空间内物质、能量分布及变化，重点研究该空间内土壤、植物、大气等分布、变化及交互作用等特征与规律，并通过计算模型模拟各物质时空分布及变化，模拟热量、水分、碳、氮等在同类物质或不同类物质间的迁移和转化。它将研究区概化为水平叠加结构，自下而上分别为地下水含水层、包气带层、植物根系层、积雪与积水层、地上植物层、大气层，每一层都受相邻层制约，同时又影响相邻层。通过综合模型模拟森林植物群落下的土壤热量过程、土壤水分过程、植物水分过程、太阳辐射以及它们对土壤水分的影响，地上地下碳氮元素循环过程。对土壤生物和化学过程中的调节性因子、生物与非生物过程、大气和土壤过程等模拟[9]。其实质是对不同物质状态及过程的模拟，对不同物质间交互作用、转换及限制的模拟、对特定物质在其它物质中的分布及变化模拟，是近地交织层研究的缩影。

生态气象学、生态地质学、生态水利学、农业生态学、城市生态学、生态交通学、环境生态学等，主要基于生态学原理研究领域问题或进行交叉学科研究，以解决气象、农、林、牧、渔、矿业、交通、建筑、水利水电、环保等领域问题及生态和谐发展问题。这些可概括为M-N问题。M为由气象、农业、林业、水利、交通、城市等国民经济行业组成的集合，N为由河流、湖泊、湿地、森林、草地、荒漠等组成的自然生态集合。单M要素与N集合研究已经全面涉及，多M要素与多N要素的研究也出现许多。景观生态学研究地理综合体，通常包括M中的多个要素及N中多数要素，基本属于多M与多N问题。近地交织层基本包括了M与N中的全部要素，研究全部M与N问题是一大挑战。景观生态学研究对象是近地交织层研究对象的一个子集，因此其许多方法可以借鉴研究近地交织层,尤其是三维景观生态学的有关理论。

6应用分析

水利部948项目在新疆克拉玛依大农业区建立ET地面监测系统，开展对苜蓿地ET的系统监测，为遥感反演ET提供准同步校验。该区属典型的温带大陆性干旱荒漠气候区，夏季干旱炎热，干燥少雨，蒸发量大，年降水量108.9mm，年均蒸发量2849.8mm。苜蓿地下水位埋设在2.6m左右，为潜水或微承压水。包气带为粉质粘土和粉细互层，含水层岩性为粉细砂和含泥砾石。苜蓿地采用喷灌方式灌溉。利用涡动相关系统开展蒸散发监测，通过地表水平衡提取灌溉水量信息，与实际监测灌溉水量相比，误差较大。为了提高ET监测精度，依照近地交织层理论，将苜蓿地自下而上概化为4层，分别为潜水层、包气带层、苜蓿植被层、近地大气层。建立苜蓿地包气带水分平衡方程和地下水水平衡方程，利用涡动相关系统监测的月ET与方程ET分项关系，构造修正模型，以此对监测ET进行修正，结果提高ET的监测精度。

7结论

（1）近地交织层指地球表面上下一定厚度的空间综合体，是多场交互交织的复杂系统。研究近地交织层物质分布及变化，场的交互作用、物质在不同场间的输送规律与制约条件，对于构建自然生态系统、流域水文系统、生态城市系统时空模型等具有重要意义。

（2）研究水分在近地交织层的时空分布特征和转移输送规律，可为拓展ET模型构、提高ET模型精度和服务领域提供新思路。

（3）深入研究近地交织层问题，需要借助时空模型数据库和大数据技术完成

参考文献

[1]张发耀，王福民，周斌等.基于SEBAL模型的浙江省区域蒸散发量估算研究[J].人民长江，2013,44（17）：40-44.

[2]程帅，张兴宇，李华朋等.遥感估算蒸散发应用于灌溉水资源管理研究进展[J].核农学报，2015，29(10):2040-2047.

[3]赵文智，吉喜斌，刘鸽.蒸散发观测研究进展及绿洲蒸散研究进展[J].干旱区研究，2011，28（3）：464-470.

[4]余新晓，牛健植，灌文彬,等.景观生态学[M].北京：高等教育出版社，2006：112-114.

[5]Odum,H.T.1987.LivingwithComplexity.In:CrafoordPrizeintheBiosciences,1987,CrafoordLectures,RoyalSwedishAcademyofSciences,Stockholm.19-85

[6]蓝盛芳，钦佩，陆宏芳.生态经济系统能值分析[M].北京:化学工业出版社，2002:1:44

[7]崔珂瑾，程昌秀.空间数据模型研究综述[J].地理信息世界，2013,20(3):31-38

[8]Worboys,M.F.Aunifiedmodelofspatialandtemporalinformation[J].ThecomputerJournal,1994,37(1):26-34.

[9]伊章才，李霖.GIS中的时空数据模型研究[J].测绘科学，2005,30(3)12-14.

基金项目：水利部948（201432）