砂姜黑土區(qū)有無作物生長土壤水與地下水轉(zhuǎn)化關系研究

張曉萌，王振龍，杜富慧，王 兵，李 瑞，路 璐

(1.河北工程大學，河北 邯鄲 056000；2.安徽省(水利部淮委)水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

在地下水淺埋區(qū)，土壤水與地下水(潛水)交換頻繁，土壤水向潛水轉(zhuǎn)化的過程主要表現(xiàn)為降雨和灌溉入滲補給地下水；潛水向土壤水轉(zhuǎn)化的過程主要表現(xiàn)為潛水蒸發(fā)[1]。潛水蒸發(fā)可以對作物需水進行調(diào)節(jié)，減少灌溉次數(shù)。地下水位過高，容易造成積鹽，當積鹽達到一定程度時，最終引起土壤次生鹽漬化，影響作物的正常生長。因此，土壤水與地下水轉(zhuǎn)化關系的研究對淮北平原農(nóng)作物的耗水機理的研究、土壤次生鹽堿化的防治及地下水位調(diào)控等均有重要作用。多年來，已有眾多學者從不同學科和環(huán)境對土壤水與地下水轉(zhuǎn)化關系進行了研究，如張旭洋等[2]通過對大沽河流域土壤水-地下水流耦合模擬，計算了夏玉米生長期地下水補給量；黃遠洋等[3]通過迭代模型分析不同地下水位下土壤水蓄量變化及其對土壤水蒸發(fā)量和潛水蒸發(fā)量的影響；郭占榮等[4]通過分析巖性和潛水埋深對潛水補耗差的影響，研究了在不同包氣帶厚度下的潛水、土壤水和大氣水的轉(zhuǎn)化關系；李琦等[5]和郭成久等[6]通過分析遼西北沙地和裸地潛水蒸發(fā)的規(guī)律，分別研究了在種植檸條和裸地條件下，潛水蒸發(fā)與入滲補給量、潛水補耗差隨埋深變化的規(guī)律，提出了種植檸條的不適宜潛水埋深；馮紹元等[7]通過計算在不同地下水埋深條件下包氣帶儲水量變化、潛水補耗差和冬小麥耗水量，定量研究了不同地下水埋深對土壤水與地下水轉(zhuǎn)化的影響；包含等[8]在對春玉米生長期的土壤水動態(tài)進行研究，并指出地下水與土壤水之間存在明顯的水力關系。Chen等[9]在對地下水對土壤水分和地表蒸發(fā)的影響研究中表明在淺埋區(qū)，地下水位的變化影響剖面含水量的分布，地下水位的空間變化能引起土壤水分的空間變異性。楊建鋒等[10]在地下水淺埋區(qū)通過對種植冬小麥和夏玉米農(nóng)田土壤水分的長期監(jiān)測，得出淺埋區(qū)地下水動態(tài)對土壤水動態(tài)影響較大，分析了在地下水影響下土壤各剖面含水量的變化情況，提出灌溉方案的確定不能忽視地下水對土壤水的補給作用。韓雙平等[1]通過種植試驗，分析了潛水埋深對土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化的影響，以上研究主要通過數(shù)值模擬和機理分析土壤水與地下水的轉(zhuǎn)化關系。土壤水與地下水的研究一直是關注的重點，淮北平原砂姜黑土區(qū)為地下水淺埋區(qū)，土壤水與地下水關系密切?；幢逼皆敖谕羺^(qū)已有研究中多將土壤水和地下水的關系分開研究，如王振龍等[11]研究了有無植被生長條件下潛水蒸發(fā)與地下水位的變化規(guī)律，并提出了有作物潛水蒸發(fā)量的計算方法；郝振純等[12]等研究了淮北平原裸土潛水蒸發(fā)的年內(nèi)分配規(guī)律以及隨土質(zhì)、埋深的變化趨勢;路璐等[13]通過分析地下水位1 m埋深下冬小麥日土壤水分規(guī)律，建立了不同土層日土壤水分預測模型。本研究利用五道溝實驗站蒸滲儀實驗資料，將土壤水與地下水結合一起考慮，通過控制潛水埋深，研究了有無作物條件下砂姜黑土潛水蒸發(fā)、入滲補給和潛水補耗差的規(guī)律，分析了不同地下水埋深對土壤水與地下水轉(zhuǎn)化的影響，并得到了種植小麥條件下土壤水與地下水轉(zhuǎn)化量的均衡臨界深度[7]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

五道溝水文水資源實驗站地處淮北平原南部，位于安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣新馬橋鎮(zhèn)原種場境內(nèi)，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，四季分明，季風盛行。該區(qū)年平均氣溫為14 ℃，多年平均降雨量為860 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 181.3 mm，地下水位埋深為1～3 m，為淺埋區(qū)，年變幅1～3 m。農(nóng)作物為一年兩作制，冬季以小麥為主，夏季以玉米和大豆為主，土壤質(zhì)地為砂姜黑土和黃潮土，分別占淮北平原土壤的54%和33%。

1.2 試驗資料與方法

本文依托實驗站大型蒸滲儀，地下水位埋深控制為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和5.0 m共10種水平，器口面積為0.3 m2的10個裸土測筒和10個有作物測筒，其中測筒內(nèi)作物為小麥，土壤為砂姜黑土，垂直裂隙發(fā)育，質(zhì)地黏重，土壤容重為1.36 g/cm3，田間持水率28%～30%(重量含水率)。通過1991-2015年蒸滲儀20個測筒潛水蒸發(fā)和入滲補給觀測資料，其中0.2、0.4、0.8、1.0和1.5 m為每日觀測，2.0、2.5、3.0和5.0 m埋深為逢1和6日觀測，分別計算有無作物條件下不同埋深水平旬潛水補耗差，水面蒸發(fā)資料來自實驗站氣象場。

2 結果與分析

2.1 有無作物條件下潛水蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律

2.1.1 裸地條件下潛水蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律

選取1991 -2015年不同地下水埋深水平下裸地潛水蒸發(fā)資料，經(jīng)分析，裸地多年平均潛水蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律如圖1所示。從圖1可以看出，潛水蒸發(fā)量隨地下水埋深增加逐漸變小，地下水埋深在0.2 m時潛水蒸發(fā)量最大，0.4 m以深潛水蒸發(fā)量均在5 mm以下。0.2 m埋深處潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量趨勢一致，冬季蒸發(fā)量逐漸減小，春季逐漸增大。

圖1 裸地多年平均潛水蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律Fig.1 The variation of average annual phreatic evaporation in bare land with time

2.1.2 有作物條件下潛水蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律

小麥多于10月上旬播種，5月下旬收割，期間經(jīng)歷出苗-分蘗、分蘗-越冬、返青-拔節(jié)和拔節(jié)-成熟。小麥地多年平均潛水蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律如圖2所示，由圖2可知，在小麥生長期，潛水蒸發(fā)量隨地下水埋深增加而減少，在2.5 m以深潛水蒸發(fā)量較小。10月上旬-2月下旬潛水蒸發(fā)量均較少，0.2 m埋深潛水蒸發(fā)量呈緩慢減小趨勢，這主要因為小麥在返青前，生長緩慢且需水量小，騰發(fā)量主要為棵間蒸發(fā)，而表層潛水蒸發(fā)量受地表溫度和氣溫影響較大[11]，返青后，小麥需水量變大，根系吸水能力增強，隨著氣溫的回升，蒸騰量也逐漸增加，導致潛水蒸發(fā)量增大。在小麥灌漿期，不同地下水埋深水平下小麥地潛水蒸發(fā)量均達到最大，地下水位在0.4 m時潛水蒸發(fā)量最大，這與李瑞等[14]的研究結果一致，此時是蒸騰和耗水強度最大的階段。小麥在5月上旬進入成熟期，隨著小麥葉片枯黃，根系的死亡，潛水蒸發(fā)量迅速變小。另外，從圖中可以看出，與裸地條件下不同，小麥生長期潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)在小麥進入成熟期后趨勢變化不一致，這說明潛水蒸發(fā)規(guī)律不僅與作物有關還與作物的生育階段有關。

圖2 小麥地多年平均潛水蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律Fig.2 The variation of average annual phreatic evaporation of wheat with time

2.1.3 有無作物條件下潛水蒸發(fā)量差值隨時間規(guī)律

潛水蒸發(fā)規(guī)律不僅與潛水埋深有關，還與作物以及作物的生育階段有關。小麥多耗水量[11]就是小麥地潛水蒸發(fā)量減去同期同埋深的裸地潛水蒸發(fā)量，作為小麥生長導致地下水多蒸發(fā)掉的水量。有無作物條件下多年平均潛水蒸發(fā)量差值隨時間變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可以看出，小麥返青前，小麥多耗水量接近零，返青后，小麥多耗水量逐漸增加，地下水大量向土壤水轉(zhuǎn)化，0.4 m埋深時小麥多耗水量最大，隨埋深的增大，小麥多耗水量逐漸減少。在0.2 m埋深時小麥多耗水量出現(xiàn)負值，這是因為返青前小麥生長緩慢，需水量較少，小麥地潛水蒸發(fā)量與同期裸地潛水蒸發(fā)量相差不大，而作物的遮蓋抑制了棵間蒸發(fā)，導致小麥地潛水蒸發(fā)量小于裸地蒸發(fā)量。

圖3 有無作物條件下多年平均潛水蒸發(fā)量差值隨時間變化規(guī)律Fig.3 The variation of the average annual phreatic evaporation difference with time under the conditions of wheat and bare land growth

2.2 有無作物條件下降雨入滲補給量隨地下水埋深變化規(guī)律

有無作物條件下多年平均累積入滲補給量隨地下水埋深變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，裸地累積入滲補給量大于小麥地累積入滲補給量，且變化趨勢一致，均隨地下水埋深增大而減小，在0.6 m以淺，隨埋深變化入滲量變化明顯，0.6 m以深，入滲量基本穩(wěn)定。裸地累積入滲補給量大于小麥地累積入滲補給量，且變化趨勢一致，均隨地下水埋深增大而減小，與郭成久等[6]通過分析遼西北沙地種植檸條和裸地條件下降雨入滲補給規(guī)律得出的有作物時入滲補給量隨地下水埋深變化趨勢與裸地正好相反這一結果不同，主要是因為下墊面和作物類型不同，降雨入滲補給規(guī)律不同。對種植裸地和小麥地累積入滲補給量之間差值進行分析，其差值隨潛水埋深的增大呈先增加后減少趨勢，在埋深2～3 m時達到最大值，在埋深為0.2 m時差值為負值，這是因為在種植小麥時表層(0～30 cm)進行翻耕，增大了表層土壤孔隙度，入滲性能增強。該差值可近似為小麥地的蓄水能力，在地下水位埋深2～3 m時蓄水能力最大。

圖4 有無作物條件下多年平均累積入滲補給量隨地下水埋深變化規(guī)律Fig.4 The variation of the average annual cumulative infiltration recharge with groundwater depth under the conditions of wheat and bare land growth

2.3 有無作物條件下潛水補耗差隨埋深變化規(guī)律

采用了潛水補耗差(潛水的入滲補給量減去潛水蒸發(fā)量)[15]，計算小麥生育期的潛水凈入滲補給量和潛水凈損耗量，排除了地中蒸滲由于氣壓效應引起的假入滲補給量和假潛水蒸發(fā)量的影響。有無作物條件下多年平均潛水補耗差隨地下水埋深變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，裸地潛水補耗差高于小麥地潛水補耗差，在1 m時差值最大。種小麥條件下，潛水補耗差隨埋深增大而增大，在1.5 m左右潛水補耗差為零，這是土壤水與地下水轉(zhuǎn)化量的均衡臨界埋深，此時土壤水向地下水的轉(zhuǎn)化量等于地下水向土壤水的轉(zhuǎn)化量；小于臨界埋深，地下水向土壤水轉(zhuǎn)化起主導作用，有利于地下水對作物耗水的調(diào)節(jié)；大于臨界埋深，潛水補耗差為正值，土壤水向地下水的轉(zhuǎn)化量大于地下水向土壤水的轉(zhuǎn)化量，有利于土壤水補給地下水，這說明地下水埋深對土壤水與地下水的轉(zhuǎn)化起著重要作用。裸地條件下，潛水補耗差隨地下水埋深的增大先迅速增大后在埋深1 m時趨于平緩，這表明1 m為裸地條件下淮北平原砂姜黑土區(qū)的最佳潛水埋深。裸地潛水補耗差為零時，地下水埋深在0.2～0.5 m之間。小麥地潛水補耗差為零時，地下水埋深在1.0～2.0 m之間。

圖5 有無作物條件下多年平均潛水補耗差隨埋深變化規(guī)律Fig.5 The variation of the average annual difference derived from recharge minus evaporation with burial depth under the conditions of wheat and bare land growth

將小麥地多年平均潛水補耗差與潛水埋深作相關性分析，結果表明潛水補耗差與地下水埋深呈對數(shù)關系，計算小麥地土壤水與地下水轉(zhuǎn)化量的均衡臨界埋深，即：

D=84.38 ln(Z)

(1)

式中：D為潛水補耗差，mm；Z為土壤水與地下水轉(zhuǎn)化量的均衡臨界埋深，m。

回歸方程的擬合效果較好，擬合優(yōu)度R2為0.95。計算得到，在種植小麥條件下，土壤水與地下水轉(zhuǎn)化量的均衡臨界埋深為1.62 m。

研究得出了砂姜黑土區(qū)小麥地和裸地條件下土壤水與地下水的轉(zhuǎn)化量的均衡臨界埋深分別為1.62 m和0.2～0.5 m之間，韓雙平等[1]利用昌吉均衡試驗場資料，模擬不同地下水埋深條件下冬小麥和夏玉米地的入滲補給量、潛水蒸發(fā)量和地下水埋深觀測實驗資料，建立了潛水補耗差與潛水埋深的相關方程，得到了小麥和玉米連作的土壤水與地下水轉(zhuǎn)化均衡臨界埋深為3.91 m，這一差異表明土壤水與地下水轉(zhuǎn)化方向不僅受作物類型影響明顯，同時也受下墊面條件影響。

3 結 語

(1)在種植小麥條件下，地下水向土壤水的轉(zhuǎn)化主要在2.5 m以淺；裸地條件下，地下水向土壤水的轉(zhuǎn)化在0.4 m以淺，且潛水蒸發(fā)量均隨地下水埋深增加而減少。與種小麥相比，在裸地條件下，0.2 m埋深潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量變化趨勢一致。小麥多耗水量在小麥生長旺盛期隨地下水埋深增加而減少，在埋深0.4 m時達到最大。

(2)裸地累積入滲補給量大于小麥地累積入滲補給量，且變化趨勢一致，均隨地下水埋深增大而減小，兩者累積入滲量差值隨地下水埋深的增大呈先增加后減少趨勢，在2～3 m時小麥地蓄水能力最大。

(3)土壤水與地下水轉(zhuǎn)化方向受地下水埋深影響較大，在裸地條件下土壤水與地下水轉(zhuǎn)化量的均衡臨界埋深在0.2～0.5 m之間；在種植小麥條件下，潛水補耗差與地下水埋深呈對數(shù)關系，均衡臨界埋深為1.62 m。小于臨界埋深，潛水消耗起主導作用，地下水向土壤水轉(zhuǎn)化；大于臨界埋深，土壤水補給地下水。

針對砂姜黑土區(qū)裸地和冬小麥生長期土壤水與地下水轉(zhuǎn)化關系進行了研究，分析了土壤水與地下水轉(zhuǎn)化的均衡臨界埋深，對認識淮北平原砂姜黑土淺埋區(qū)土壤水與地下水的轉(zhuǎn)換研究具有重要意義。對于不同土質(zhì)地下水位動態(tài)變化條件下土壤水與地下水定量轉(zhuǎn)化關系有待進一步研究。