淮北平原土壤水與地下水埋深及降水關(guān)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(guān)系，基于五道溝實驗站26 a的長系列資料，結(jié)合氫氧穩(wěn)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(jié)果表明：土壤平均含水率隨土層深度的增加呈現(xiàn)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(jù)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(fā)會導(dǎo)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(wěn)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(fā)較為強烈。

關(guān) 鍵 詞：大氣降水; 土壤水; 地下水; 水分運移; 氫氧穩(wěn)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(nóng)業(yè)經(jīng)濟區(qū)和糧棉油產(chǎn)區(qū)，淺層地下水和土壤水是農(nóng)業(yè)用水的主要水源。土壤水是區(qū)域水資源的重要組成部分，對區(qū)域的水循環(huán)起到至關(guān)重要的作用[1-2]。土壤水受大氣降水補給、潛水蒸發(fā)作用以及植物利用等多種因素影響，易發(fā)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(diào)控等對田間作物生長及區(qū)域水資源高效利用十分必要[3]。

目前，大多數(shù)學者對土壤水的研究主要側(cè)重于土壤中水分數(shù)量的測定，是從宏觀角度測定土壤水分數(shù)量的變化，對其具體來源和運移狀態(tài)無法深入了解[2]。近年來，同位素示蹤技術(shù)在土壤水源識別和運移規(guī)律方面被廣泛運用。例如：田日昌等[4]通過研究紅壤丘陵區(qū)大氣降水以及不同土層土壤水的氫氧穩(wěn)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(shù)，結(jié)合混合模型，研究了黃土丘陵區(qū)不同水體氫氧同位素特征及水體間補給轉(zhuǎn)化關(guān)系;程立平等[6]利用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)，研究了西北地區(qū)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(jié)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(wěn)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(guān)系。研究成果有助于深入理解區(qū)域水循環(huán)過程，而且可為實現(xiàn)區(qū)域地下水的高效、可持續(xù)利用提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)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(zhèn)。站內(nèi)設(shè)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(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫦撅L氣候區(qū)，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(shù)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(guān)系研究方法

結(jié)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(shù)據(jù)。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(jié)期2020年（7月8日至8月9日）、拔節(jié)-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(shù)據(jù)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(guān)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(guān)系，并結(jié)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(guān)系。本次實驗所用土樣土壤質(zhì)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(shù)傳感器監(jiān)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(wěn)定同位素分析工作于中科院地球環(huán)境研究所進行，采用激光液態(tài)水同位素分析儀（Picarro，L2130-i）開展分析。

3 結(jié)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(shù)據(jù)，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(nèi)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(shù)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(fā)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(guān)關(guān)系。其中，苗期-拔節(jié)期發(fā)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(fā)影響明顯;拔節(jié)-抽雄期共發(fā)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(xù)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(guān)系

對不同類型水樣氫氧穩(wěn)定同位素組分特征值進行統(tǒng)計，通過土壤水同位素特征值可以判斷土壤水分運移規(guī)律，統(tǒng)計結(jié)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(guī)律表現(xiàn)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(dǎo)致空氣中的水汽凝結(jié)和輸送過程發(fā)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(fā)導(dǎo)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(zhuǎn)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(fā)較為強烈，氫氧穩(wěn)定同位素的季節(jié)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(qū)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(wěn)定，是由于隨土層深度的增加，蒸發(fā)作用減弱，地下水補給作用增大，土壤含水率相對穩(wěn)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(jié)果相符。

研究表明，大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素存在著一種線性關(guān)系[12]。由于土壤水和淺層地下水均直接或間接地接受蒸發(fā)效應(yīng)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(qū)的特征地表水體。對研究區(qū)夏玉米生長期的大氣降水及特征地表水體的氫氧穩(wěn)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(fā)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(qū)域地表蒸發(fā)趨勢線與距離最近的南京市同位素監(jiān)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(fā)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(jīng)過了不同強度的蒸發(fā)作用[14-16]。其中，30 cm和50 cm處的土壤水樣偏離蒸發(fā)趨勢線較為明顯，表明其受到蒸發(fā)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(fā)作用影響較小。

借助于土壤水δ18O和δD的季節(jié)變化關(guān)系圖，來研究夏玉米生長期土壤水與大氣降水的關(guān)系，如圖5所示。由圖5可以看出：其中，玉米苗期-拔節(jié)期由于歷時長，降水豐富，土壤水受到蒸發(fā)后的降水補給，導(dǎo)致氫氧穩(wěn)定同位素變化較為明顯;拔節(jié)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(xù)，降水經(jīng)過同位素的分餾，重同位素逐漸貧化，導(dǎo)致差異的產(chǎn)生。

4 結(jié) 論

（1） 由五道溝實驗站1992～2017年長系列實驗資料中關(guān)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)導(dǎo)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(qū)域大氣降水線和區(qū)域潛水蒸發(fā)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(fā)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(jīng)過了不同強度的蒸發(fā)作用。

（4） 通過不同土層的土壤水氫氧穩(wěn)定同位素值和土壤水δ18O和δD的季節(jié)變化關(guān)系可知：土壤水氫氧穩(wěn)定同位素的季節(jié)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(fā)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(xù)，降水經(jīng)過同位素的分餾，重同位素逐漸貧化，導(dǎo)致差異的產(chǎn)生。

參考文獻：

[1] 姚蕊，孫鵬，張強，等.淮北平原區(qū)淺層地下水埋深時空分布特征[J].中山大學學報（自然科學版），2020，59（2）：110-119.

[2] 徐英德，汪景寬，高曉丹，等.氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)在土壤水研究上的應(yīng)用進展[J].水土保持學報，2018，32（3）：4-12，18.

[3] 王發(fā)信，王振龍，朱梅，等.淮北平原淺層地下水高效利用及調(diào)控綜合技術(shù)與應(yīng)用[R].蚌埠：安徽省（水利部淮委）水利科學研究院，2016.

[4] 田日昌，陳洪松，宋獻方，等.湘西北紅壤丘陵區(qū)土壤水運移的穩(wěn)定性同位素特征[J].環(huán)境科學，2009，30（9）：2747-2754.

[5] 杜康，張北贏，李凱，等.黃土丘陵區(qū)不同水體中氫氧同位素特征及相互關(guān)系[J].地球與環(huán)境，2021，49（3）：270-276.

[6] 程立平，林文，王亞萍，等.深層土壤水分對黃土塬區(qū)旱作冬小麥耗水的貢獻[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2020，38（5）：142-148.

[7] 王振龍，杜明成，姜翠玲，等.基于人工降雨試驗的淮北地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙差異性研究[J].水科學進展，2019，30（4）：507-514.

[8] 張曉萌，王振龍，杜富慧，等.淮北平原淺埋區(qū)地下水埋深對土壤水變化的影響研究[J].節(jié)水灌溉，2019（9）：6-9.

[9] 孫寧霞，馬英，胡曉農(nóng)，等.基于同位素示蹤的夏玉米土壤水分動態(tài)變化規(guī)律[J].灌溉排水學報，2014，33（4）：256-260.

[10] 郭曉軍，蘇鳳洹，洪勇，等.蔣家溝流域雨季降水中氫氧同位素特征分析[J].水土保持研究，2012，19（2）：82-85.

[11] 徐學選，張北贏，田均良.黃土丘陵區(qū)降水-土壤水-地下水轉(zhuǎn)化實驗研究[J].水科學進展，2010，21（1）：16-22.

[12] CRAIG H.Isotopic variations in meteoric waters[J].Science，1961，133（3465）：1702-1703.

[13] 張磊，秦小光，劉嘉麒，等.淮南采煤沉陷區(qū)積水來源的氫氧穩(wěn)定同位素證據(jù)[J].吉林大學學報（地球科學版），2015，45（5）：1502-1514.

[14] 布亞召.峰林湖盆區(qū)土壤水分運移變化過程的穩(wěn)定同位素研究[D].昆明：云南師范大學，2019.

[15] 何明霞，張兵，王義東，等.白洋淀地表水和地下水的穩(wěn)定氫氧同位素特征[J].天津師范大學學報（自然科學版），2020，40（6）：64-69.

[16] 鄧文平，余新曉，賈國棟，等.北京西山鷲峰地區(qū)氫氧穩(wěn)定同位素特征分析[J].水科學進展，2013，24（5）：642-650.

（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