不同作物覆蓋對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)地下水入滲補(bǔ)給的影響分析

李昊旭，邵景力，崔亞莉，馬小波

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083； 2.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750011)

降水、灌溉水通過(guò)非飽和帶垂向入滲進(jìn)入含水層的過(guò)程屬于地下水的直接補(bǔ)給[1]，是大多數(shù)地區(qū)地下水資源的重要組成部分。影響地下水垂向入滲的因素很多，而在農(nóng)業(yè)區(qū)，地表植被覆蓋以農(nóng)作物為主，作物的種植種類(lèi)成為農(nóng)田地下水垂向入滲補(bǔ)給的主要影響因素之一。植被覆蓋對(duì)地下水入滲補(bǔ)給的影響已有較多研究，但以天然植被居多，如Abdul R Bah等人對(duì)降雨、植被和土壤特征對(duì)地下水入滲補(bǔ)給的影響進(jìn)行了研究[2]，尹立河等人對(duì)干旱區(qū)植被蓋度增加對(duì)降水入滲補(bǔ)給地下水的影響進(jìn)行了研究[3]，楊峰研究了毛烏素沙地植被影響下包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律[4]。對(duì)農(nóng)田作物的研究主要以小麥和玉米為主，如林丹用溴示蹤劑計(jì)算了冬小麥夏玉米對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量的影響[5]。

目前，地下水垂向入滲補(bǔ)給量的計(jì)算方法很多，如蒸滲儀法[6]、零通量法[7]、水均衡法[8]、達(dá)西定律法[9]、示蹤劑法[10]和數(shù)值模擬法[11]。盡管數(shù)值模擬法存在一些問(wèn)題，但綜合對(duì)比各種計(jì)算方法的特點(diǎn)和適用條件，模擬非飽和帶水流仍是計(jì)算入滲補(bǔ)給量最為有效的方法[12-13]，具有更好的合理性和可操作性。

本文基于寧夏中衛(wèi)平原兩個(gè)包氣帶水分運(yùn)移原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用HYDRUS-1D軟件模擬不同地表覆蓋情況下的土壤水分運(yùn)移；計(jì)算不同作物生長(zhǎng)期內(nèi)地下水垂向入滲補(bǔ)給量，并分析單次灌溉量、最大根系埋深、生長(zhǎng)期天數(shù)和葉面積指數(shù)4個(gè)農(nóng)作物種植因子對(duì)地下水垂向入滲補(bǔ)給情況的影響。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

衛(wèi)寧平原位于寧夏回族自治區(qū)，地處西北內(nèi)陸，屬引黃灌溉區(qū)，具有典型的中溫帶干旱區(qū)大陸性氣候特征，年平均降雨量?jī)H為173.64 mm，年蒸發(fā)高達(dá)1 477.53 mm。衛(wèi)寧平原包氣帶巖性上部以壤土為主，下部為砂礫石層，大部分區(qū)域包氣帶厚度為1～5 m。資料顯示，衛(wèi)寧平原地下水循環(huán)以垂直交替為主[14-15]，包括大氣降水入滲補(bǔ)給和灌溉入滲補(bǔ)給的垂向補(bǔ)給量約占衛(wèi)寧平原地下水補(bǔ)給資源量的66%[16]，蒸發(fā)排泄是平原區(qū)地下水的主要排泄途徑[17]。

1.2 野外試驗(yàn)及數(shù)據(jù)獲取

本次研究在衛(wèi)寧平原的東部和西部建立了中衛(wèi)和中寧兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(圖1)。試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置于農(nóng)田區(qū)，各包括裸地和植被兩個(gè)試驗(yàn)組。試驗(yàn)點(diǎn)地下水位埋深較淺，一般為0.3～2.6 m。

本次試驗(yàn)在2 m厚的包氣帶剖面上埋設(shè)了DLS系列負(fù)壓計(jì)[18]、土壤溫度記錄儀、DLS土壤水采樣器，在試驗(yàn)點(diǎn)附近設(shè)置SM1型雨量器、AM3型蒸發(fā)皿和地下水位觀測(cè)孔。其中，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)埋設(shè)土壤水負(fù)壓計(jì)30支(裸地組和植被組各15支)、DLS土壤水采集器8支、土壤溫度記錄儀探頭6支。試驗(yàn)主要觀測(cè)了土壤水負(fù)壓值、地下水位、土壤溫度、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和降水量。中衛(wèi)試驗(yàn)點(diǎn)包氣帶剖面研究深度為2 m，中寧試驗(yàn)點(diǎn)包氣帶剖面研究深度為2.6 m。具體設(shè)備埋設(shè)情況見(jiàn)圖2。

本次試驗(yàn)觀測(cè)期為2013年6月15日—2014年10月31日，土壤水負(fù)壓值和地下水位埋深在觀測(cè)期內(nèi)每天早8:00進(jìn)行觀測(cè)，土壤溫度每2個(gè)小時(shí)自動(dòng)觀測(cè)并記錄。氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)自當(dāng)?shù)氐臍庀笳?，部分?jǐn)?shù)據(jù)用試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)量的降雨量進(jìn)行修正。試驗(yàn)點(diǎn)在觀測(cè)期內(nèi)種植了3種不同的作物，分別為玉米、茄子和枸杞。其中，玉米是當(dāng)?shù)氐湫图Z食作物，茄子是當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)蔬菜作物，枸杞是當(dāng)?shù)貜V泛種植的特色經(jīng)濟(jì)作物。試驗(yàn)中，3種作物的生長(zhǎng)期天數(shù)由實(shí)測(cè)得到，枸杞的最大根系埋深由實(shí)測(cè)得到，玉米和茄子的最大根系埋深根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)驗(yàn)估測(cè)取值。由于試驗(yàn)條件所限，作物的葉面積指數(shù)根據(jù)前人在相關(guān)植被生長(zhǎng)研究中的測(cè)定值取得[19]，基本符合當(dāng)?shù)刈魑锏纳L(zhǎng)情況。農(nóng)作物灌溉為渠水漫灌，灌溉量由當(dāng)?shù)剞r(nóng)民估測(cè)得到。作物種植情況如表1所示。

為了確定包氣帶巖性及其參數(shù)，分別對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)不同深度的包氣帶土壤進(jìn)行取樣。土壤各粒組含量采用密度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定，并依據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部的土壤定名標(biāo)準(zhǔn)[20]，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)各層位土壤進(jìn)行定名。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)作物種植情況Table 1 Crop planting at the experiment stations

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of the in situ experiments

圖2 試驗(yàn)點(diǎn)土壤剖面及監(jiān)測(cè)設(shè)備布置圖Fig.2 Soil profiles and Layout of the monitoring devices layout at the experiment sites

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬方法

試驗(yàn)點(diǎn)均位于農(nóng)田區(qū)域，上邊界地表受降雨、漫灌以及蒸發(fā)的影響，模型的上邊界采用可積水的大氣邊界。地下水位埋深較淺，土壤水分運(yùn)移受地下水位影響，模型下邊界設(shè)定為變水頭邊界。

變飽和帶水流的控制方程為理查德方程：

(1)

式中：θ——含水率；

h——負(fù)壓水頭；

t——時(shí)間；

z——埋藏深度；

K——土壤非飽和導(dǎo)水率；

S——考慮根系吸水的源匯項(xiàng)。

在本次研究采用HYDRUS-1D軟件對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤水分運(yùn)移進(jìn)行模擬[21]。根據(jù)兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤樣品分析結(jié)果和地下水位動(dòng)態(tài)變化，將中衛(wèi)試驗(yàn)點(diǎn)模擬剖面厚度定為2 m，模型空間上分為8層；中寧試驗(yàn)點(diǎn)模擬剖面厚度定為2.6 m，模型空間上分為9層。模擬時(shí)間見(jiàn)表1。兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在垂向上均按1 cm等間距進(jìn)行空間剖分。時(shí)間剖分方式采用變時(shí)間步長(zhǎng)法。

1.3.2非飽和土壤水分特征參數(shù)

在模擬中，van Genuchten-Mualem模型被用于描述土壤含水量與負(fù)壓水頭之間的關(guān)系[21]：

(2)

式中：θr——?dú)堄嗪剩?/p>

θs——飽和含水率；

α——空氣進(jìn)氣值的倒數(shù)；

Ks——飽和導(dǎo)水率；

n——孔隙的大小分布指數(shù)；

l——孔隙連通參數(shù)；

Se——有效飽和度。

模型中土壤水分特征曲線采用HITACHI-CR21GⅢ型高速離心機(jī)進(jìn)行測(cè)定，并利用RETC軟件，采用van Genuchten方程進(jìn)行擬合，確定了相關(guān)參數(shù)。飽和導(dǎo)水率采用BS-STXS11-1型飽和滲透系數(shù)測(cè)定裝置，用變水頭方法進(jìn)行測(cè)定。實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。考慮到中寧試驗(yàn)點(diǎn)包氣帶巖性滲透性強(qiáng)，且試驗(yàn)點(diǎn)地下水位埋深小，模擬中其土壤參數(shù)取值為HYDRUS-1D軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中的砂土的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

1.3.3根系吸水

本次研究中，應(yīng)用根系生長(zhǎng)和根系分布模型來(lái)描述根系吸水過(guò)程，即在式(1)中源匯項(xiàng)S(h)被定義為單位時(shí)間單位土壤體積根系吸水量?？紤]不同植被特

表2 試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測(cè)土壤特征參數(shù)Table 2 Measured soil characteristic parameters of theexperiment sites

點(diǎn)，采用Feddes等[22]公式建立玉米組吸水模型，利用S形根系吸水模型[21]描述茄子組和枸杞組吸水過(guò)程：

S(h)=α(h)Sp(4)

Sp=b(z)Tp(5)

式中：Sp——潛在根系吸水率；

Tp——潛在蒸騰率；

b(z)——標(biāo)準(zhǔn)化根系吸水分布函數(shù)；

α(h)——土壤水負(fù)壓值的函數(shù)(0 ≤α≤ 1) ，描述根系吸水對(duì)水分脅迫響應(yīng)。

1.3.4潛在蒸散量

在大氣邊界條件的模擬中，需要先獲得地表和植被的潛在蒸散量。本次研究選取Hargreaves 公式[23]估算蒸發(fā)蒸騰量：

(6)

式中：Ra——地外輻射/(mm·d-1)或(J·m-2·s-1)

Tm——日平均氣溫/℃；

TR——日最大氣溫差/℃。

根據(jù)FAO有關(guān)植被潛在蒸散量的計(jì)算[23]，潛在蒸散量表示為：

ETp=Kc·ET0(7)

式中：Kc——植被蒸散系數(shù)。

研究中，植被組的植被蒸散系數(shù)參考了FAO關(guān)于玉米、茄子和灌木漿果類(lèi)植物的相關(guān)系數(shù)[23]。

根據(jù)Beer定律，將通過(guò)植被冠層截取的太陽(yáng)輻射從能量平衡中分劃出來(lái)[21]：

Ep=ETp·e-k·LAI(8)

Tp=ETp(1-e-k·LAI) (9)

式中：Ep——潛在蒸發(fā)量/LT-1；

LAI——葉面積指數(shù)；

k——植被消光系數(shù)，取值為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)0.463[21]。

2 結(jié)果與討論

2.1 擬合效果分析

本次模擬運(yùn)用參數(shù)反演模型結(jié)合人工調(diào)整參數(shù)的方法優(yōu)化θr、θs、α、n和Ks等參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。模型擬合了模擬期兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)包氣帶土壤剖面上15個(gè)不同深度的實(shí)測(cè)土壤水負(fù)壓值共120組。圖3給出了2013年中衛(wèi)試驗(yàn)點(diǎn)埋深20 cm、60 cm和160 cm處的土壤水負(fù)壓值擬合情況。由圖可見(jiàn)，模型擬合效果較好，并且埋深較大處的擬合效果好于埋深較小處。

為了定量評(píng)價(jià)模型擬合效果，研究采用Nash效率系數(shù)(NSE)和確定系數(shù)(R2)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[24]。本文選取部分觀測(cè)期內(nèi)模型擬合的誤差參數(shù)見(jiàn)表4?？梢?jiàn)，近地表和埋深較淺處的土壤水負(fù)壓值由于受外界影響較多擬合效果略差，模擬誤差隨埋深增大而減小。總體看，模型反映了該地區(qū)包氣帶水分運(yùn)移的規(guī)律。

兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)包氣帶的土壤水分均衡情況見(jiàn)表5。從包氣帶對(duì)地下水的凈補(bǔ)排情況看，中衛(wèi)試驗(yàn)點(diǎn)2013年玉米種植期內(nèi)地下水通過(guò)包氣帶受到降雨和灌溉的補(bǔ)給，2014年茄子種植期內(nèi)地下水通過(guò)包氣帶以蒸散發(fā)的方式排泄進(jìn)入大氣，中寧試驗(yàn)點(diǎn)在兩年模擬期內(nèi)地下水均受到補(bǔ)給。在模擬期內(nèi)兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的包氣帶水分儲(chǔ)存量變化均為負(fù)均衡。

2.2 地下水灌溉入滲補(bǔ)給影響因素分析

(1)場(chǎng)景設(shè)置

為了更好地對(duì)比各個(gè)因素對(duì)地下水垂向入滲補(bǔ)給量的影響，本文以中寧試驗(yàn)點(diǎn)的包氣帶巖性和2014年觀測(cè)期的氣象條件為前提建立基準(zhǔn)模型，模擬期為2014-04-15—2014-10-31。以中寧試驗(yàn)點(diǎn)在2014年觀測(cè)期內(nèi)的平均地下水位埋深167 cm為基準(zhǔn)地下水位埋深。綜合參考試驗(yàn)點(diǎn)所種植的三種作物的生長(zhǎng)特征和灌溉模式，將單次灌溉量設(shè)為100 mm，共灌溉7次，最大根系埋深設(shè)為60 cm，生長(zhǎng)期天數(shù)設(shè)為130 d，葉面積指數(shù)取值1～3。模型中不考慮植被蒸散系數(shù)的影響，蒸散系數(shù)取值為1。為了避免地下水位波動(dòng)對(duì)不同作物因子情況下地下水垂向補(bǔ)給結(jié)果的影響，模擬中將模型下邊界設(shè)為定水頭邊界。并分別對(duì)各影響因子進(jìn)行不同增減率的處理，對(duì)比地下水垂向入滲補(bǔ)給量的變化。結(jié)果見(jiàn)表6和圖4。

圖3 中衛(wèi)試驗(yàn)點(diǎn)2013年埋深20 cm、60 cm和160 cm土壤水負(fù)壓值觀測(cè)值和模擬值對(duì)比圖Fig.3 Fitting effect of the observation and simulation soil water pressure heads at the depth of 20 cm, 60 cm, 160 cm at the Zhongwei experiment site

試驗(yàn)點(diǎn)埋深/cm巖性θrθsα/(cm-1)nKs/(cm·d-1)中衛(wèi)試驗(yàn)點(diǎn)0～20壤土0.07 0.40 0.007 0 1.52 7.47 20～400.07 0.40 0.005 1 1.13 8.56 40～60砂壤0.05 0.39 0.011 4 2.20 42.20 60～80粉黏壤0.09 0.44 0.001 0 1.08 25.00 80～110砂壤0.04 0.39 0.005 6 1.79 33.15 110～1500.07 0.43 0.001 0 1.84 19.99 150～175粉壤0.08 0.43 0.010 0 1.68 61.26 175～2000.08 0.50 0.070 0 1.10 65.02 中寧試驗(yàn)點(diǎn)0～300.05 0.40 0.007 5 1.45 8.00 30～75粉壤0.05 0.40 0.005 0 1.45 5.00 75～1150.05 0.40 0.007 5 1.45 5.00 115～140壤土0.06 0.41 0.006 0 1.59 18.69 140～150砂壤0.04 0.38 0.038 6 1.53 65.56 150～170粉壤0.07 0.46 0.005 9 1.63 15.13 170～190壤土0.05 0.39 0.010 4 1.50 18.63 190～200粉壤0.07 0.44 0.005 1 1.63 14.24 200～260砂卵礫石0.05 0.43 0.050 0 2.68 712.80

表4 模型擬合效果Table 4 Fitting effect of the simulations

表5 試驗(yàn)點(diǎn)包氣帶水分均衡Table 5 Moisture balance of the vadose zones atthe experiment sites

注：地下水凈補(bǔ)排量中，正值為補(bǔ)給量，負(fù)值為排泄量。

(2)地下水位埋深

研究區(qū)地下水位埋深較淺，包氣帶厚度的變化對(duì)地下水垂向入滲補(bǔ)給量的影響明顯。本文以基準(zhǔn)地下水位埋深167 cm為基礎(chǔ)，參考觀測(cè)期內(nèi)試驗(yàn)點(diǎn)水位埋深變化，分別模擬了地下水位埋深117 cm、167 cm、217 cm和267 cm情況下，單次灌溉量、最大根系埋深、生長(zhǎng)期時(shí)間和葉面積指數(shù)對(duì)地下水垂向補(bǔ)給情況的影響。

由表6可見(jiàn)，隨著包氣帶厚度的增加，水分更多會(huì)滯留在包氣帶中，從而導(dǎo)致地下水接受的入滲補(bǔ)給量隨地下水位埋深增大而減少。

表6 不同作物因子對(duì)地下水入滲量影響情況Table 6 Effect of different crop factors on groundwater recharge via infiltration

(3)單次灌溉量

單次灌溉量的變化直接影響了入滲補(bǔ)給水源的變化。由表6可見(jiàn),單次灌溉量變?yōu)?0 mm(-50%)時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量減少315.7 mm，相當(dāng)于減少75.46%；單次灌溉量變?yōu)?50 mm(+50%)時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量增加336.33 mm，相當(dāng)于增加80.4%。由圖4a可見(jiàn)，地下水入滲補(bǔ)給量隨單次灌溉量的增大而增加。

(4)最大根系埋深

由表6和圖4b可見(jiàn)，基準(zhǔn)條件下，最大根系埋深變?yōu)?0 cm(-50%)時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量減少5.69 mm，相當(dāng)于減少1.36%；最大根系埋深變?yōu)?0 cm(+50%)時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量增加4.98 mm，相當(dāng)于增加1.19%。地下水入滲補(bǔ)給量隨植被最大根系埋深的增大而增加。這是由于包氣帶厚度較小，漫灌(100 mm)使根系層土壤呈近飽和狀態(tài)，使得植被有氧呼吸受抑制，影響根系水分吸收，因而，植被根系生長(zhǎng)范圍越大，地下水接受的入滲補(bǔ)給量越大。

(5)生長(zhǎng)期天數(shù)

由表6中可見(jiàn)，基準(zhǔn)條件下，生長(zhǎng)期天數(shù)變?yōu)?5天(-50%)時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量減少8.13 mm，相當(dāng)于減少1.94%；生長(zhǎng)期天數(shù)變?yōu)?95天(+50%)時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量增加0.5 mm，相當(dāng)于增加0.12%。地下水入滲補(bǔ)給量隨生長(zhǎng)期天數(shù)的增加而增加，但變化幅度較小。這主要由于試驗(yàn)點(diǎn)地下水補(bǔ)給量以灌溉為主，而包氣帶厚度較小，漫灌(100 mm)使根系層土壤呈近飽和狀態(tài)，抑制了植被根系吸水，使植被生長(zhǎng)期內(nèi)的地下水入滲補(bǔ)給量更大。

當(dāng)生長(zhǎng)期天數(shù)增長(zhǎng)率大于20%時(shí)，入滲補(bǔ)給量不再隨生長(zhǎng)期天數(shù)的變化而變化(圖4c)。這是由于灌溉主要集中在夏季和初秋，后期降雨量較小，未能對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量產(chǎn)生影響，因此，生長(zhǎng)期增加至143天后入滲補(bǔ)給量不再變化。

圖4 入滲補(bǔ)給量在不同地下水位埋深下對(duì)各個(gè)作物因子變化的響應(yīng)結(jié)果Fig.4 Response of groundwater recharge via infiltration to different crop factors under different groundwater depths

(6)葉面積指數(shù)

由表6和圖4(d)所示，基準(zhǔn)條件下，葉面積指數(shù)變?yōu)?.5～1.5(-50%)時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量減少4.32 mm，相當(dāng)于減少1.03%；葉面積指數(shù)變?yōu)?.5～4.5(+50%)時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量增加2.63 mm，相當(dāng)于增加0.63%。地下水入滲補(bǔ)給量隨葉面積指數(shù)的增大而緩慢增加。這是由于葉面積指數(shù)增加，減少了植被的棵間蒸發(fā)量，而試驗(yàn)點(diǎn)包氣帶厚度較小，漫灌(100 mm)使根系層土壤呈近飽和狀態(tài)，抑制了植被的根系吸水量和騰發(fā)量，因此，葉面積指數(shù)的增大使得地下水入滲補(bǔ)給量增加。

(7)綜合影響分析

不同地下水位埋深情況下，分析4種影響因子對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量的影響?？砂l(fā)現(xiàn)，在不同地下水位埋深情況下，地下水入滲補(bǔ)給量的大小均與單次灌溉量呈正相關(guān)。而在地下水位埋深為117 cm、167 cm時(shí)，地下水入滲補(bǔ)給量的變化與最大根系埋深、生長(zhǎng)期天數(shù)和葉面積指數(shù)大致呈正相關(guān)，在地下水位埋深為217 cm和267 cm時(shí)大致呈負(fù)相關(guān)，見(jiàn)圖4。

這是由于地下水位埋深在117 cm和167 cm時(shí)，包氣帶厚度較小，漫灌(100 mm)使根系層土壤呈近飽和狀態(tài)，使得植被有氧呼吸受抑制，植被產(chǎn)生水分脅迫

現(xiàn)象，影響根系水分吸收，因而，植被生長(zhǎng)越旺盛，地下水接受的入滲補(bǔ)給量越大；地下水位埋深在217 cm和267 cm時(shí)，包氣帶厚度變大，漫灌(100 mm)不再使根系層土壤飽和，植被根系的吸水和蓄水作用凸顯。因而，植被生長(zhǎng)越旺盛，地下水接受的入滲補(bǔ)給量越小。

由表4可見(jiàn)，這4個(gè)作物因子的增減所造成的地下水入滲補(bǔ)給量的變化程度各不相同。其中，單次灌溉量對(duì)地下水垂向入滲補(bǔ)給量的影響最為顯著，其次是生長(zhǎng)期天數(shù)和最大根系埋深，葉面積指數(shù)對(duì)地下水垂向入滲補(bǔ)給量的影響最弱。并且隨著地下水位埋深的增大，不同作物因子對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量的影響更加顯著。

2.3 灌溉和降雨入滲系數(shù)分析

本研究對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的三種不同作物種植情況下的地下水入滲補(bǔ)給量和入滲補(bǔ)給系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表7。

結(jié)果表明，植被組與裸地組的入滲系數(shù)相差較小。在種植玉米和枸杞的情況下，植被組的灌溉入滲系數(shù)稍大于裸地組，在種植茄子的情況下，植被組的灌溉入滲系數(shù)稍小于裸地組。這主要是由于試驗(yàn)點(diǎn)地下水位埋深小，種植玉米和枸杞所需單次灌溉量較大，大量水分使土壤呈近飽和狀態(tài)，植被產(chǎn)生水分脅迫抑制根系吸水，從而水分更多入滲補(bǔ)給地下水。而種植茄子所需單次灌溉量較小，水分進(jìn)入包氣帶，植被的根系蓄水作用阻礙了水分的下滲，從而使植被組地下水補(bǔ)給量小于裸地組。

表7 不同時(shí)期地下水垂向入滲補(bǔ)給情況Table 7 Groundwater recharge via vertical infiltration during different periods

試驗(yàn)點(diǎn)不同時(shí)期的降雨入滲系數(shù)差異較大，這是由于不同時(shí)期的降雨量、降雨頻率和土壤含水率均有不同。總體上，2014年的降雨入滲系數(shù)大于2013年，并且降雨入滲系數(shù)相比灌溉入滲系數(shù)要小得多。

中衛(wèi)試驗(yàn)點(diǎn)在玉米種植期內(nèi)，灌溉次數(shù)少，單次灌溉量大，入滲系數(shù)也相對(duì)較大；在茄子種植期內(nèi)，灌溉次數(shù)多，單次灌溉量小，入滲系數(shù)也相對(duì)較小。而中寧試驗(yàn)點(diǎn)在觀測(cè)期內(nèi)一直種植枸杞，兩年的灌溉入滲系數(shù)相近?？梢?jiàn)，由于不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)特征和灌溉模式不同，其灌溉入滲系數(shù)也相差較大。并且在相同包氣帶巖性、灌溉模式和氣象條件下，有作物生長(zhǎng)與無(wú)作物生長(zhǎng)情況下的灌溉入滲系數(shù)的差異相對(duì)較小，由此可得出，灌溉模式對(duì)灌溉入滲系數(shù)的影響大于作物生長(zhǎng)特征。

由表7可見(jiàn)，種植玉米情況下的地下水垂向入滲補(bǔ)給強(qiáng)度最大，枸杞次之，種植茄子情況下的地下水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度最小。這與三種作物的單次灌溉量大小關(guān)系相對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了單次灌溉量大小與地下水入滲補(bǔ)給量呈正相關(guān)關(guān)系，其對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量的影響顯著。

由于試驗(yàn)點(diǎn)地下水入滲補(bǔ)給量以灌溉入滲為主，并且單次灌溉量大小對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量影響明顯大于其他3個(gè)作物因子。因此，在僅考慮單次灌溉量大小的條件下，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)灌溉入滲系數(shù)進(jìn)行分析。在地下水位埋深為117 cm情況下，單次灌溉量50 mm時(shí)，灌溉入滲系數(shù)為0.5左右，單次灌溉量150 mm時(shí)，灌溉入滲系數(shù)為0.8左右，在地下水位埋深為167 cm情況下，單次灌溉量100 mm時(shí)，灌溉入滲系數(shù)為0.6左右，其結(jié)果分別與茄子種植期、玉米種植期和枸杞種植期內(nèi)的灌溉入滲系數(shù)近似。

因此，在研究區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)中，可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐叵滤宦裆詈妥魑飭未喂喔攘織l件來(lái)確定研究區(qū)灌溉入滲系數(shù)(表8)。

表8 不同地下水位埋深條件下單次灌溉量與灌溉入滲系數(shù)關(guān)系Table 8 Relationship between the single irrigation amount and coefficients of recharge from irrigation underdifferent groundwater depths

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)野外原位試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，用HYDRUS-1D軟件對(duì)2013、2014年觀測(cè)期內(nèi)的中衛(wèi)、中寧兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的包氣帶水分運(yùn)移進(jìn)行模擬，根據(jù)Nash效率系數(shù)(NSE)和確定系數(shù)(R2)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)顯示擬合效果較好。

(2) 通過(guò)對(duì)不同作物影響因子的分析得出，試驗(yàn)點(diǎn)單次灌溉量的大小對(duì)地下水垂向入滲補(bǔ)給量的影響最為顯著，其次是生長(zhǎng)期天數(shù)和最大根系埋深，葉面積指數(shù)對(duì)地下水垂向入滲補(bǔ)給量的影響最小。隨著地下水位埋深的增加，農(nóng)作物種植因子對(duì)地下水入滲補(bǔ)給的影響也會(huì)增大。

(3) 種植玉米情況下的地下水垂向入滲補(bǔ)給強(qiáng)度最大，枸杞次之，種植茄子情況下的地下水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度最小。根據(jù)單次灌溉量大小對(duì)灌溉入滲系數(shù)的影響最為顯著，并綜合考慮作物灌溉模式和地下水位埋深117～267 cm，給出了研究區(qū)農(nóng)田區(qū)域在單次灌溉量為50～150 mm情況下對(duì)應(yīng)的灌溉入滲系數(shù)參考值。