淮北平原土壤水與地下水埋深及降水關系研究

孔令健 王振龍 王兵

摘要：為探究淮北平原夏玉米生長期土壤水與地下水埋深及降水的關系，基于五道溝實驗站26 a的長系列資料，結合氫氧穩定同位素示蹤法，對淮北平原夏玉米生長期的大氣降水、土壤水和地下水進行了分析。結果表明：土壤平均含水率隨土層深度的增加呈現出先減小后增加再減小的趨勢，其中0～0.2 m土層平均土壤含水率最低，0.3～0.5 m土層土壤含水率最高。根據大氣降水、土壤水和地下水氫氧同位素特征值可知：土壤水δ18O和δD平均值隨土層深度的增加而減小，表明土壤水分蒸發會導致土壤重同位素富集，富集程度由土壤表層至深層遞減。土壤水氫氧穩定同位素隨土層深度的增加而減弱，30 cm和50 cm土層深度的土壤水變化最為明顯，土壤易接受降水補給，而且土壤蒸發較為強烈。

關 鍵 詞：大氣降水; 土壤水; 地下水; 水分運移; 氫氧穩定同位素; 淮北平原

中圖法分類號： TV211

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.020

0 引 言

淮北平原位于安徽省北部，是中國重要的農業經濟區和糧棉油產區，淺層地下水和土壤水是農業用水的主要水源。土壤水是區域水資源的重要組成部分，對區域的水循環起到至關重要的作用[1-2]。土壤水受大氣降水補給、潛水蒸發作用以及植物利用等多種因素影響，易發生改變。因此，及時掌握地下水埋深、大氣降水對土壤水的補給強度、地下水與土壤水的合理調控等對田間作物生長及區域水資源高效利用十分必要[3]。

目前，大多數學者對土壤水的研究主要側重于土壤中水分數量的測定，是從宏觀角度測定土壤水分數量的變化，對其具體來源和運移狀態無法深入了解[2]。近年來，同位素示蹤技術在土壤水源識別和運移規律方面被廣泛運用。例如：田日昌等[4]通過研究紅壤丘陵區大氣降水以及不同土層土壤水的氫氧穩定同位素，分析了不同作物生長的土壤水分運移過程;杜康等[5]通過采集降水、河水、地下水和土壤水樣品，運用同位素示蹤技術，結合混合模型，研究了黃土丘陵區不同水體氫氧同位素特征及水體間補給轉化關系;程立平等[6]利用氫氧穩定同位素技術，研究了西北地區不同土層土壤水對作物耗水的貢獻比例。

本次研究借助于五道溝水文水資源實驗站地中蒸滲儀，結合長系列（1992～2017年）地下水埋深與土壤含水率實驗資料，并通過2020年7～10月大氣降水、土壤水、地下水氫氧穩定同位素特征值，分析淮北平原夏玉米生長期土壤水與地下水埋深及降水的關系。研究成果有助于深入理解區域水循環過程，而且可為實現區域地下水的高效、可持續利用提供一定的科學依據。

1 研究區概況

本次研究于2020年7～10月在五道溝實驗站進行。實驗站位于安徽省蚌埠市新馬橋鎮。站內設有徑流實驗場、水文氣象多要素觀測場、自動稱重式地中蒸滲儀。該區域屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，多年平均降水量為893 mm，汛期（6～9月）多年平均降水量占年降水總量的62%，多年平均日照時數為2 200～2 425 h，多年平均相對濕度為73%，5～6月份最小，7～8月份最大，多年平均風速為3.0 m/s，多年平均氣溫為13.5～14.9 ℃[7]。

2 材料與方法

2.1 地下水埋深與土壤水變化關系研究方法

結合五道溝實驗站長系列（1992～2017年）地下水埋深與土壤含水率實驗資料，以及夏玉米生長期0～1.0 m各垂直土層深度大田土壤水數據。實驗期間，夏玉米生長過程基本劃分為4個生育期：苗期-拔節期2020年（7月8日至8月9日）、拔節-抽雄期（8月10～18日）、抽雄-灌漿期（8月19～31日）和灌漿-收獲期（9月1日至10月1日）。土壤含水率采用烘干法測定，通過土鉆法每5 d取樣一次，分別測定0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.4，0.4～0.5，0.5～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0 m和0～1.0 m各垂直土層平均含水率。地下水水位、降水量等數據資料通過實驗站觀測獲得。

2.2 基于同位素示蹤的土壤水變化與降水關系研究方法

本次實驗基于自動稱重式地中蒸滲儀，研究2020年夏玉米生長期不同土層土壤水含水率的變化情況與降水量的關系，并結合五道溝實驗站長系列資料，進一步探究不同地下水埋深條件與土壤含水率的變化關系。本次實驗所用土樣土壤質地為砂姜黑土，原狀土，土地面積為2 m2，高度為4.4 m。淮北平原夏玉米適宜地下水埋深為0.8～2.0 m，長勢主要取決于玉米根系活動層的土壤水分，而玉米根系活動層的土壤水分主要取決于降水和地下水補給，因此，本次研究控制地下水埋深為正常年份下1.5 m[3]。不同土層土壤含水率采用三參數傳感器監測，深度分別為0.3，0.5，1.0 m和1.3 m，每5 d記錄一次。實驗期分別記錄夏玉米4個生長階段。

試驗期間共采集大氣降水樣24個，不同土層土壤水樣30個，地下水樣12個。水樣氫氧穩定同位素分析工作于中科院地球環境研究所進行，采用激光液態水同位素分析儀（Picarro，L2130-i）開展分析。

3 結果與討論

3.1 地下水埋深對土壤水變化的影響

土壤水受大氣降水入滲、地下水補給、下墊面條件等影響。通過分析五道溝實驗站1992～2017年夏玉米生長期0～1.0 m各垂直土層深度大田土壤水數據，來研究地下水埋深變化對土壤水分的影響。夏玉米生長期內各剖面土層多年平均土壤含水率隨時間變化情況分別如表1所列和圖1所示。

結合表1、圖1可知：總體上，夏玉米不同生長期的土壤平均含水率隨土層深度的增加呈現出先減小后增加再減小的趨勢。其中，表層（0～0.1 m）土壤平均含水率變化最大，最大值出現在7月6日;之后，0～0.1 m和0.1～0.2 m土壤含水率基本降低，深層含水率增加，這是因為強降水過后，地下水通過毛細管作用補給深層土壤水，降水入滲使地下水位抬高，深層土壤含水率增大，而表層土壤水受蒸發影響較大，土壤含水率降低。由表1可知：表層（0～0.1 m）與深層（0.6～1.0 m）平均土壤含水率變異系數最大，表明該土層土壤含水率變幅最大。主要是由于表層土壤水受蒸發影響較大，而且降水入滲補給地下水，使地下水位抬高，深層土壤水受地下水補給作用影響明顯[8]。

夏玉米生長期0～1.0 m土層的平均土壤含水率與地下水埋深變化情況如圖3所示。由圖3可知：總體上土層平均土壤含水率與地下水埋深呈負相關關系。其中，苗期-拔節期發生降水較多，期間植物生長較為旺盛，對水分需求量大[9]，土壤含水率相對較高，而且地下水埋深變幅較大，主要受降水及潛水蒸發影響明顯;拔節-抽雄期共發生1次降水，土壤含水率相對較低;抽雄-灌漿期，土壤含水率較高，而且玉米生長需水量最大，地下水埋深減少;灌漿-收獲期，地下水埋深持續降低，而且此期間玉米需水減少，土壤含水率呈增加的趨勢。

3.2 基于同位素示蹤的土壤水變化與降水的關系

對不同類型水樣氫氧穩定同位素組分特征值進行統計，通過土壤水同位素特征值可以判斷土壤水分運移規律，統計結果如表2所列。

由表2可知：總體上，大氣降水、土壤水、地下水的δ18O和δD特征值變化規律表現為大氣降水>土壤水>地下水，這是由于受到氣溫、風速等因素的影響，導致空氣中的水汽凝結和輸送過程發生了變化[10]。其中，土壤水δ18O和δD平均值隨土層深度的增加而減小，表明土壤水分蒸發導致土壤重同位素富集，富集程度由土壤表層至深層遞減，與降水入滲補給土壤水的轉化途徑相符[11]。其中在0.3 m和0.5 m土層深度，土壤易接受降水補給，而且土壤蒸發較為強烈，氫氧穩定同位素的季節差異較深層土壤更為明顯。0.5～1.0 m土層土壤水變幅較大，主要原因是由于該區間地下水與土壤水交換頻繁;1.0～1.8 m土層土壤水同位素值變化較為穩定，是由于隨土層深度的增加，蒸發作用減弱，地下水補給作用增大，土壤含水率相對穩定。這與五道溝實驗站長系列（1992～2017年）地下水的埋深與土壤含水率的實驗資料分析結果相符。

研究表明，大氣降水的氫氧穩定同位素存在著一種線性關系[12]。由于土壤水和淺層地下水均直接或間接地接受蒸發效應后的大氣降水補給，因此，可將土壤水和淺層地下水視為研究區的特征地表水體。對研究區夏玉米生長期的大氣降水及特征地表水體的氫氧穩定同位素進行線性回歸分析，可得出大氣降水趨勢線方程δD = 7.662 1δ18O +6.5243（N=20，R2=0.875 4），特征地表水體蒸發趨勢線方程δD = 7.732 5δ18O +6.807 2（N=42，R2=0.900 7）（見圖4）。

將本次區域地表蒸發趨勢線與距離最近的南京市同位素監測站的大氣降水線（δD=8.43δ18O+16.92）[13]進行了對比，如圖4所示。由圖4可以看出，這些水樣有相同的水源特征，表明其均來自于大氣降水。地表蒸發趨勢線始終落在大氣降水線的下部，反映出特征地表水體在形成過程中均經過了不同強度的蒸發作用[14-16]。其中，30 cm和50 cm處的土壤水樣偏離蒸發趨勢線較為明顯，表明其受到蒸發作用最為強烈。130 cm和180 cm處的水以及地下水在大氣降水線上集中分布，表明其來源于大氣降水，而且受蒸發作用影響較小。

借助于土壤水δ18O和δD的季節變化關系圖，來研究夏玉米生長期土壤水與大氣降水的關系，如圖5所示。由圖5可以看出：其中，玉米苗期-拔節期由于歷時長，降水豐富，土壤水受到蒸發后的降水補給，導致氫氧穩定同位素變化較為明顯;拔節期至整個灌漿期，玉米需水逐漸減少，土壤含水率逐漸升高，降水量及降水歷時不同，隨著時間的延續，降水經過同位素的分餾，重同位素逐漸貧化，導致差異的產生。

4 結 論

（1） 由五道溝實驗站1992～2017年長系列實驗資料中關于夏玉米生長期0～1.0 m各垂直土層深度大田土壤水的數據可知：夏玉米不同生長期的土壤平均含水率隨土層深度的增加呈現出先減小后增加再減小的趨勢，其中，0～0.2 m土層的平均土壤含水率最低，0.3～0.5 m土層土壤的含水率最高。

（2） 通過大氣降水、土壤水和地下水氫氧同位素特征值可知：土壤水δ18O和δD的平均值隨土層深度的增加而減小，表明土壤水分的蒸發導致土壤重同位素富集，富集程度由土壤表層至深層遞減。

（3） 由區域大氣降水線和區域潛水蒸發趨勢線方程可知：這些水樣具有相同的水源特征，表明其均來自于大氣降水。地表水蒸發趨勢線始終落在大氣降水線的下部，反映出特征地表水體在形成過程中均經過了不同強度的蒸發作用。

（4） 通過不同土層的土壤水氫氧穩定同位素值和土壤水δ18O和δD的季節變化關系可知：土壤水氫氧穩定同位素的季節變化隨土層深度的增加而減弱，表層土壤易接受降水補給，而且土壤蒸發較為強烈。不同生長期的降水量及降水歷時不同，隨著時間的延續，降水經過同位素的分餾，重同位素逐漸貧化，導致差異的產生。

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（編輯：趙秋云）

Relationship between groundwater depth and precipitation with soil moisture content in Huaibei Plain

KONG Lingjian1，2，WANG Zhenlong1，2，WANG Bing1，2

（1.Anhui&Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Bengbu 233000，China; 2.Anhui Province Key Laboratory of Water Conservancy and Water Resources，Bengbu 233000，China）

Abstract：

In order to explore the relationship between groundwater depth and precipitation with soil moisture content during summer maize growth period in Huaibei Plain，the atmospheric precipitation，soil water and groundwater in Huaibei Plain were analyzed by using 26 years’ series data of the Wudaogou experimental station and hydrogen and oxygen stable isotope tracing method.The results showed that with the increase of soil depth，the average soil moisture content decreased first，then increased，and finally decreased.The average soil moisture content in 0～0.2m soil layer was the lowest，and that in 0.3～0.5m soil layer was the highest.The average values of δ18O and δD in soil water decreased with the increase of soil depth，indicating that soil water evaporation led to the enrichment of soil heavy isotopes，and the enrichment degree decreased from the surface to deep layer.The seasonal variation of stable isotopes of hydrogen and oxygen in soil water decreased with the increase of soil depth.The most obvious variation of soil water was at the depth of 30 cm and 50 cm，because in this layer the soil was easily recharged by precipitation，and the soil evaporation was relatively strong.

Key words：

atmospheric precipitation;soil moisture;groundwater;water movement;hydrogen and oxygen stable isotope;Huaibei Plain