变化地下水埋深与灌水量对土壤水与地下水交换的影响

刘鹏，杨树青*，樊美蓉，张万锋，

变化地下水埋深与灌水量对土壤水与地下水交换的影响

刘鹏1，杨树青1*，樊美蓉2，张万锋1，

（1.内蒙古农业大学 水利与土木工程建筑学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古河套灌区永济灌域管理局永济试验站，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

【】探究不同地下水埋深和灌水量对土壤水与地下水交换的影响，提高灌溉水利用效率。在河套灌区开展了不同地下水埋深与灌水量对土壤含水率、地下水埋深及土壤水与地下水交换影响的田间试验，分析变化地下水埋深与灌水量对土壤水与地下水交换的影响。不同灌水量下，灌水前后0～60 cm土壤含水率变化明显，灌水主要补充耕作层，生育期第3次灌水入渗量约占灌水总量25%，灌水量越大，土壤水对地下水入渗补给量越大。地下水埋深随灌水量增加而显著减小（<0.05），地下水补给量与灌溉量的比值依次为L1处理＞L2处理＞L3处理＞L4处理＞L5处理＞L6处理＞L7处理＞L8处理＞L9处理。在河套灌区年均地下水埋深为1.8 m的区域，生育期单次灌水量110 mm，秋浇300 mm，可显著减少灌溉水下渗，以达到充分利用潜水蒸发，提高水资源利用效率，实现节水增产的目的。

灌水量；地下水埋深；交换；入渗量

0 引言

【研究意义】内蒙古河套灌区是我国3个特大型灌区之一[1]，地处西北干旱区，当地农业生产完全依赖于引黄灌溉。灌溉对灌区水循环影响显著[2]，造成了灌区土壤水和地下水的显著变化[3-5]。内蒙古河套灌区农业用水量占总用水量的74%，由于受灌溉、技术和水资源条件等因素的影响，灌溉水利用效率相对较低，有效利用系数仅为0.43[6]，造成严重的水资源浪费。史海滨等[7]指出灌区地面灌溉仍会是主要的灌溉方式，但地面灌溉造成水资源浪费等问题仍比较严重。引黄水量锐减等问题导致河套灌区节水灌溉与作物增产间矛盾日益严重，因此，如何合理高效的利用灌溉水与地下水，为作物生长提供水分补给，提高水资源利用率，对河套灌区农业可持续发展具有重要的现实意义。【研究进展】土壤水与地下水转换是水文循环中必不可少的一环[8-9]，二者间转化规律研究一直是农业水土领域的重要方向。韩双平等[10]通过人工改变潜水埋深，分析不同地下水埋深条件下土壤水和地下水相互转化关系，结果表明潜水埋深对土壤水和地下水相互转化以及农业生态环境具有重要影响。宫兆宁等[11]指出地下水通过毛细作用进入土壤层并参与土壤水的循环，对土壤-植物-大气连续体（SPAC）系统水分循环过程的研究要从单过程分析向多过程综合分析发展。徐英等[12]发现秋浇储水、季节性土壤冻融及春季消融时的蒸发对播种前土壤水盐空间变异性影响强烈，REN等[13]指出河套灌区浅层地下水系统在干旱灌区农业生态系统可持续发展中的重要作用。孔繁瑞等[14]指出地下水埋深控制在2.0 m左右对于河套灌区节水改造具有重要意义，显著提高水分利用效率；毛丽萍等[15]指出亏缺灌溉作物虽然产量降低，但由于耗水量的大幅降低，水分利用效率显著提高。张志杰等[16]通过田间试验和数值模拟结合的方法分析了灌溉水入渗补给地下水系数，表明入渗补给量与灌溉水量显著相关；姚玲等[17]通过地统计分析方法发现，灌溉水量及降雨量的多少决定其对地下水的补给程度，影响着地下水位的变化，灌溉水入渗补给会使地下水埋深减小；杨建锋等[18]研究表明，浅埋区现行灌溉方式未利用地下水对土壤水的补给作用，过多的灌溉量不仅会削弱地下水对土壤水的补给，而且多余的土壤水分还会下渗补给地下水；帅品等[19]利用溴离子示踪法研究埋深较浅的区域潜水蒸发时，发现示踪剂在降雨灌溉入渗作用下，随土壤水分运动下移；郝芳华等[5]研究河套灌区水平衡指出灌溉是土壤水补给的主要组成部分，灌溉水的垂向入渗和潜水蒸发消耗是田间水平衡的主要影响因素。

【切入点】前人多从单一变量研究土壤水与地下水转化的变化规律，而灌水量和地下水埋深互作对土壤水与地下水间交换的影响研究有待于进一步深入。【拟解决的关键问题】本文设置不同地下水埋深与灌水量2个因素试验，研究土壤水和地下水动态变化规律，分析农田土壤水和地下水交换关系，为缓解河套灌区农业用水与作物增产间的矛盾和农业水资源可持续发展提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

河套灌区具有明显的干旱气候带沉降盆地型水文地质特征[20]。灌区地下水埋深动态受气象和灌溉水的影响[21]，表现出明显的季节性周期变化，年内变化在1.36～2.41 m之间，其中11月地下水埋深最浅, 多年平均埋深为1.36 m。

试验于2017年4―11月开展，试验区位于内蒙古河套灌区临河区双河镇进步村农业试验示范区（40°42′ N、107°24′ E，海拔1 040 m），隶属永济灌域，年均降水量158 mm，年均蒸发量2 132 mm，平均气温6.8 ℃，多年日照时间为3 229 h。光、热、水同期，无霜期130 d左右。试验区0～200 cm土壤属于粉砂壤土，平均体积质量为1.42～1.53 g/cm3。夏玉米生育期内示范区日降水量及温度变化如图1所示。2017年全年降水量为143.9 mm，比历年平均降水量低10%，属于平水年，当地玉米灌水定额为135 mm。

图1 2017年夏玉米生育期内日降水量和温度

1.2 试验设计

选定4 km×3 km范围为试验区，据试验区现状及前期地下水埋深资料，将试验区分为3个试验分区，地下水年均埋深分别为1.8、1.9和2.0 m，在每个分区中设3个处理，共9个处理，3次重复。在试验分区四周布置观测井，试验指示作物为玉米，施肥采用当地水平225 kg/hm2，在玉米生育期灌水3次，等额灌溉，灌水定额135、110和90 mm。具体试验设计见表1。

表1 试验设计

1.3 测定项目及方法

1）土壤含水率及土壤基质势：在玉米播种前和每次灌水前、后（下雨后2～3 d加测1次）采用土钻在田间取样。测定深度为100 cm，取5层土（0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm），相同深度取3个样，采用烘干（105 ℃）称质量法测定每层土壤质量含水率。在田间0～110 cm分土层埋设负压计，测定土壤基质势；测定试验区各观测井地下水埋深，计算各处理平均埋深。

2）灌溉对地下水的补给量：河套平原在地形及地质构造上均为一个封闭的盆地，水力坡度小，排泄量微弱，因此灌区下游地下水几乎处于停滞状态。河套灌区的地下水运动规律以垂直交替为主的地下水运动规律，属垂直入渗蒸发型，忽略侧向补给，地下水是土壤水的重要来源，而土壤水又是地下水不可缺少的补给量[22]。试验区全年降水量为143.9 mm，单次降水量小于10 mm，雨强较小，无法产生入渗并补给地下水，因此地下水主要补给来自灌溉水入渗。本研验区土质为粉砂壤土，根据相关研究[23]取给水度=0.07，灌溉后地下水位上升值为∆，则灌溉对地下水补给量r及灌溉入渗补给系数计算式为：

rΔ， （1）

=rg，（2）

式中：r为灌溉对地下水的补给量（mm）；为粉砂壤土的给水度，无单位，取经验值0.07；∆为灌溉后地下水上升值（mm）；g为生育期灌溉水量（mm）；为入渗补给系数。

3）地下水对土壤水补给量：本试验采用定位通量法[24]计算地下水对土壤水的补给量，土壤水分运动遵循达西定律和质量守恒原理，田间土壤水分运动可近似视为一维垂直向的流动，连续方程可简化为：

式（3）由至积分，得：

式中：()与()分别表示高度为和处的土壤水分运动通量。当时间由1变到2时，以()和()分别表示在此时段内通过单位土壤断面面积上的水量，由式（4）积分或者质量守恒原理写出无源汇情况下的水量平衡方程为：

本试验中，田间土壤含水率的分布(,)用负压计监测，土壤中任一断面处的通量()及水量()便可由式（5）计算出。

根据定位通量法及相关资料，该处土壤的非饱和导水率与基质势的关系为[（1+2）/2]。=(1+2)/2，∆=2-1，由达西定律可知处的通量为：

式中：1和2为负压计安装的两点深度，分别取1=110 cm，2=90 cm；1、2分别为断面1和2处负压计的值（cm）；为试验用砂壤土的渗透系数，取2.43×10-3cm/min。由此，可以得到1至2时段内单位面积上流过的土壤水的水量()，而任一断面处相应的水量()计算式为：

2 结果与分析

2.1 土壤含水率动态

全生育期土壤含水率整体表现为玉米生长初期，表层土壤水分损耗较多，土壤含水率降幅较大，随着生育期推进，土壤含水率降幅较大的土层逐渐向土层深处发展，直到秋浇前，80～100 cm土层含水率下降到25.0%～27.8%之间，在3次灌水前后，除水分损耗较大的土层逐渐向下发展外，其他趋势基本一致，本文以第1次灌水和秋浇前后土壤含水率变化为例进行分析。

图2（a）和图2（b）分别为各处理第1次灌溉（6月初）前、后土壤含水率的变化。

图2 第1次灌溉前后各处理土壤含水率变化

播前土壤平均含水率为25%，播种后玉米生长初期蒸腾作用较弱、耗水量较小，但棵间蒸发随气温升高而增加，导致土层水分损失加快。第1次灌水前各土层含水率变化趋势基本一致，各土层整体呈随土壤深度增加而增大的趋势。各处理在0～20 cm土层含水率变化范围为14.7%～19.7%，平均含水率为17.4%，相对播种前下降了7%左右；20～40 cm土层含水率变化区间为17.5%～21.6%，平均含水率为19.1%，0～40 cm在整个土层中水分流失最多，含水率降幅最大，但各处理间无明显差异；60～100 cm随土层深度增加呈增大趋势，各处理含水率在22.7%～31.0%之间波动，且各处理含水率呈随地下水埋深增大而减小的趋势，分析可知，第1次灌水前，土壤蒸发和作物吸水是土壤水分流失的主要原因，而且玉米根系发育不完整，主要分布在表层，导致0～40 cm土壤含水率降幅最大，地下水通过潜水蒸发补给土壤水，但地下水埋深不同，导致补给量及各处理60～100 cm土壤含水率存在差异，且表现出含水率与地下水埋深呈负相关的趋势。

第1次灌水后各处理土壤含水率增大且均大于灌前，各处理0～20 cm土层含水率在18.6%～21.4%间波动，在整个土层中含水率最低，各处理间无明显差异；20～40 cm土层含水率范围为21.5%～26.3%，40～60 cm土层含水率变化区间为25.3%～30.9%，60～100 cm土层含水率均增大到30%左右，40～80 cm土层含水率有随灌水量增加而增大的趋势。究其原因，0～20 cm土层在灌水时含水率增大至田间持水率，但灌水后蒸发作用强烈，含水率降幅无差别，各处理间也基本没有差异。20～40 cm土层含水率介于0～20、40～60 cm土层之间，是因为该土层玉米根系分布较多，能起到保持水分的作用。40～80 cm土层受到灌溉水下渗的影响，灌水量越大，入渗量越大，因此，表现出含水率随灌水量增大的趋势。

图3（a）和图3（b）为秋浇前、后各处理土壤含水率，秋浇前，各处理0～20 cm土层含水率在11.6%～15.3%区间内波动，土层含水率接近田间持水率的下限，处理间无差异，虽然秋浇前玉米耗水量大幅下降，但成熟期叶面积指数减低、风速增加，导致土壤蒸发加强，从而导致表层土壤含水率达到玉米生育期最低水平。20～40 cm土层含水率变化范围为13.8%～17.9%，40～80 cm土层含水率相近，在17.4%～23.8%间波动，且含水率随灌水量增加而增大，80～100 cm土层含水率范围为25.0%～29.2%，处理间差异不显著。

秋浇后各处理土壤含水率整体变化明显，但处理间差异不明显。各处理0～20 cm土层含水率增加到25.6%～31.0%之间，20～40 cm土层土壤含水率变化区间为27.9%～33.8%，0～40 cm土层含水率在整个土层中增幅最大，40～80 cm土层次之，各土层间差异随土层加深变小，含水率大多超过田间持水率，达到饱和，多余水分在重力作用下，通过土壤孔隙渗漏补给地下水，减小地下水埋深，维持灌区水量平衡，秋浇时期各土层含水率变化为入渗补给型。

图3 秋浇前后各处理土壤含水率变化

2.2 地下水埋深动态

图4为玉米全生育期3次灌水及秋浇前、后地下水埋深变化。试验区地下水平均埋深在0.92～2.62 m。从时间上看，地下水埋深在第1次灌水前达到第1个波峰，最大达2.35 m，究其原因，是气温升高及土壤蒸发等作用增强，表层土壤水分流失严重，土壤含水率显著降低，浅层地下水主要通过土壤毛细作用向耕作层补给水分，导致地下水埋深逐渐增大，潜水蒸发强度减弱，为保证作物水分供给，进行地面灌溉。第1次灌水后，灌溉水入渗补给地下水，各处理地下水埋深降幅在0.28～0.67 m，L1、L2、L3处理间差异不显著，L4、L7处理与其他处理间差异较显著。第2次灌水前地下水埋深达到第2个波峰，最大达2.38 m，L1、L2、L3处理增幅大于其他处理，L7与L8、L9处理间差异显著。灌水后，地下水埋深减少0.23～0.46 m，L3处理降幅最大，L4处理降幅最小，L1、L2与L3处理差异显著，L4与L5、L6处理差异显著。第3次灌水前地下水埋深达到第3个波峰，各处理地下水埋深较二水后增幅0.24～0.59 m，各处理间差异较显著。第3次灌水后，地下水受到土壤水下渗补给，地下水埋深降幅0.20～0.42 m，降幅低于前2次灌水，L1、L2、L3处理间差异显著，L4、L5、L6处理间差异显著，L7与L8、L9处理差异显著。秋浇前，地下水埋深逐渐增至全年最大值，但增速较前期减缓，一方面是由于玉米需水量减小，另一方面是由于地下水埋深增大，潜水蒸发强度减弱。各处理埋深增幅0.35～0.68 m，L7处理埋深最大达2.62 m，L1与L2、L3处理间差异显著，L4与L5、L6处理间差异较显著，L7、L8与L9处理间差异显著。秋浇后，各处理地下水埋深减小到0.78～1.08 m，降幅1.23～1.80 m，其中L7、L8、L9处理降幅最大，L1、L2、L3处理降幅最小。总体看，玉米生育期，地下水埋深主要受到地面灌溉及腾发作用影响，各处理间存在不同程度的差异，灌水后地下水埋深减小程度整体上与灌水定额呈正相关；第3次灌水后，相同地下水埋深，灌水定额90 mm与110、135 mm处理间差异显著，110 mm与135 mm处理间差异不显著。

2.3 土壤水与地下水的交换

2.3.1 灌溉水对地下水入渗补给

各次灌水后灌溉水对地下水入渗补给量的计算结果如图5所示。各处理生育期灌溉水入渗量变化区间为10.5～54.6 mm，秋浇各处理灌溉水入渗量在83～120 mm间变化。根据试验设计，各处理前3次灌水为等额灌溉，而图中所示第1次灌溉水入渗量变化区间为28～54.6 mm，入渗量整体较大，是因为6月气温均值刚达到20℃，土壤蒸发较弱，苗期玉米根系主要分布在土壤表层，且蒸腾作用较弱，无法直接吸收深层土壤中的水分，灌水时主要补充土壤表层水分，其余灌溉水入渗，导致第1次灌水入渗量偏大。第2次灌水土壤水入渗变化区间为17.5～52.5 mm，L1、L2、L3处理间无显著差异，L5与L6处理存在差异，L7、L8、L9处理间差异显著。第3次灌水后入渗量变化区间为10.5～37.8 mm，入渗量均值比第1次灌水低39%，应该是第2、第3次灌水间隔时间过短且当时蒸散发最强烈所致。秋浇灌溉水入渗量最大，是因为秋浇灌水定额为全年最大，几乎是生育期灌水定额的3倍，而土壤储水量一定，当灌水定额过大时，灌溉水入渗量增加。

图6为2017年玉米生育期3次灌溉水入渗总量及3次灌水入渗总量与生育期3次灌水总量比值。各处理生育期3次灌水入渗总量变化范围为57～95 mm，总体看，同一地下水埋深下，灌水入渗量与灌水定额成正比，究其原因，地下水埋深相同时，潜水蒸发消耗量相近，当灌水定额超出土壤储水承受量时，多余的水分都会入渗到地下水。由图6可知，在0.17～0.35之间波动，其中L1、L2、L3处理的比值偏大，均值达0.32，说明L1、L2、L3处理中有1/3的灌溉水入渗补给地下水。

2.3.2 地下水对土壤水的补给

各处理玉米生育期潜水蒸发量及潜水蒸发量与灌溉定额（生育期3次灌水量与秋浇灌水量之和）比值如图7所示。9个处理年均潜水蒸发量为202.5 mm，L3处理＞L2处理＞L1处理＞L6处理＞L5处理＞L4处理＞L9处理＞L8处理＞L7处理，潜水蒸发量随地下水埋深增大而减小，同一埋深下，潜水蒸发量随灌水量成正比。潜水蒸发受气温、气压、地下水埋深等因素影响，地下水埋深是最主要的影响因素，本研究当年均地下水埋深在1.8～2.0 m时，地下水埋深越浅，潜水蒸发量越大，对土壤水的补给效果越好，对于作物生长发育有积极作用，这与前人研究得出的河套灌区种植玉米地下水临界埋深1.0 m，极限埋深2.51 m的结论一致，因为地下水埋深越浅，潜水蒸发输送水分所需毛细管道越短，反之，地下水临界面到土壤距离过大，毛细管道增长，输水能力下降，潜水蒸发量随之降低。在0.27～0.41之间波动。其中L1处理最大0.41，L9处理最小0.27，整体上与灌溉定额、地下水埋深呈负相关。同一灌水定额下，地下水埋深越小，潜水蒸发量在灌溉定额中占比越大；同一埋深灌溉定额越大，潜水蒸发量与灌溉定额的比值越小。

图5 灌溉水对地下水入渗补给量

图6 生育期3次灌溉入渗总量及α值

图7 潜水蒸发量及β值

3 讨论

赵景波等[25]发现，上层土壤水分受外界环境影响最大，随土层深度增加而逐渐减弱。土壤含水率从上到下的变化趋势[26]一般分为增长型和降低型。试验结果表明，各处理土壤含水率随土壤深度增加而增加，100 cm土层含水率最大。各处理100 cm土层含水率在第1次灌水前随地下水埋深增大而减小，在秋浇前与灌水定额成正相关，因为第1次灌水前深层土壤的水分补给通过地下水潜水蒸发来完成，地下水埋深越浅，潜水蒸发对土壤的补给作用越强土壤储水越多，土壤含水率越大；而秋浇前，各处理地下水埋深均已达到全年峰值，潜水蒸发对土壤的补给作用大幅减弱，土壤水分补给更加依赖地面灌溉，灌溉定额越大入渗量越大，深层土壤含水率越大，与张义强[27]研究所得规律基本一致。

河套灌区沙壕渠试验站的潜水蒸发资料表明，地下水埋深为3 m时，已经充分发挥了潜水蒸发的利用潜力[28]，有研究[29]表明，玉米生育期适宜的地下水埋深为1.03～2.51 m，当地下水埋深小于1.03 m时，大量地下水消耗于无效的潜水蒸发；当地下水埋深大于2.51 m时，地下水无法对土壤水进行有效补给，蒸散发大量消耗土壤水，作物无法在土壤中吸收足够水分，需要灌溉补充水分。Chen等[30]发现，在地下水埋深较大的地区，地下水对土壤水的影响较小，反之影响较大。本研究中，一水前，各处理地下水埋深差异不显著，灌溉后土壤水与地下水交换频繁，灌溉水入渗补给地下水减小地下水埋深，从而地下水在灌溉结束通过潜水蒸发持续补给土壤水，灌水定额为90 mm处理与110、135 mm处理的地下水埋深差异显著，说明当灌水定额90 mm时，土壤水对地下水的补给欠佳，可能使作物与土壤无法得到地下水的有效补给，产生水分亏缺，不利于作物生长。综合考虑本试验中土壤含水率、地下水埋深、土壤水与地下水交换中潜水蒸发量与灌溉水入渗量等因素，地下水埋深1.8 m与灌水定额110 mm为较优组合。

4 结论

1）生育期3次灌溉期间，灌水定额在90～135 mm范围内，灌水定额越大，土壤水入渗量越大，最大可达3次灌水定额总量的35%；秋浇期，各处理灌溉水入渗量在83～120 mm间变化，入渗量为全年最大。

2）在一水前和秋浇前，地下水通过潜水蒸发补给土壤水，地下水埋深越浅，毛细通道越短，潜水蒸发对土壤补给效果越好。

3）河套灌区年均地下水埋深1.8 m的玉米种植区，生育期单次灌水量110 mm，秋浇300 mm，可充分利用地下水潜水蒸发补充土壤水分，实现节水的目的。

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Groundwater Depth and Irrigation Amount Affect Water Exchange between Groundwater and Soil Water in Hetao Irrigation District

LIU Peng1, YANG Shuqing1*, FAN Meirong2, ZHANG Wanfeng1

(1. Water ConMonservancy and Civil Engineering College, Inner Golia Agricultural University, Hohhot 010018, China;2. Yongji Irrigation Area Authority of Inner Mongolia Hetao Irrigation Area, Bayannur 015000, China)

【】Hetao irrigation district is one of the three mega-irrigation districts relying on Yellow river water for irrigation in China. However, the reduced water supply for the district to take for the river in the past decade has promoted the region to develop water-saving irrigation. Different agronomic and engineering methods have been developed, and the aim of this paper is to elucidate how to improve groundwater usage by crops by manipulating irrigation amount in regions with different groundwater depths.【】The experiment was conducted over the district by irrigating the crops three time during their growth season, with the irrigation amount at each growth stage varying from 90 to 135 mm. Added to this is a further irrigation in autumn with an irrigation amount of 300mm. The average annual groundwater depth in the experimental regions varied from 1.8 m to 2.0 m. In each treatment, we measured the change in soil water content and groundwater table before and after the irrigation. 【】Average water content in the 0～60 cm soil changed significantly following irrigation, regardless of the irrigation amount. The first two irrigations in the crop growth season replenished the water in the tillage layer, while in the third irrigation 25% of the irrigation water leached to the subsoils. Overall, the larger the irrigation amount was, the more water would leach into the groundwater. The proportion of irrigation water leached to the groundwater increased with irrigation amount when the average annual groundwater depth was the same, and decreased with the groundwater depth when the irrigation amount was the same. 【】 For areas with annual groundwater depth of 1.8 m, irrigating 90 mm in each of the three irrigations during the crop growth season, together with a 300 mm autumn irrigation, can significantly reduce irrigation water leaching and increase groundwater usage by the crops.

irrigation amount; groundwater depth; water exchange; soil water leaching

S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020259

1672 - 3317（2021）07 - 0066 - 08

刘鹏, 杨树青, 樊美蓉, 等. 变化地下水埋深与灌水量对土壤水与地下水交换的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(7): 66-73.

LIU Peng, YANG Shuqing, FAN Meirong, et al. Groundwater Depth and Irrigation Amount Affect Water Exchange between Groundwater and Soil Water in Hetao Irrigation District[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 66-73.

2020-09-15

国家自然科学基金项目（51669019）；国家自然科学基金重点项目（51539005）

刘鹏（1996-），男，内蒙古人。硕士研究生，主要从事农业水土资源利用与水土环境调控研究，E-mail: 2024728612@qq.com

杨树青（1966-），女，内蒙古人。教授，博士生导师，主要从事农业水土资源利用与水土环境调控研究。E-mail: nmndysq@126.com

责任编辑：陆红飞