淮北平原土壤水与地下水埋深及降水关系研究

孔令健 王振龙 王兵

摘要：为探究淮北平原夏玉米生长期土壤水与地下水埋深及降水的关系，基于五道沟实验站26 a的长系列资料，结合氢氧稳定同位素示踪法，对淮北平原夏玉米生长期的大气降水、土壤水和地下水进行了分析。结果表明：土壤平均含水率随土层深度的增加呈现出先减小后增加再减小的趋势，其中0～0.2 m土层平均土壤含水率最低，0.3～0.5 m土层土壤含水率最高。根据大气降水、土壤水和地下水氢氧同位素特征值可知：土壤水δ18O和δD平均值随土层深度的增加而减小，表明土壤水分蒸发会导致土壤重同位素富集，富集程度由土壤表层至深层递减。土壤水氢氧稳定同位素随土层深度的增加而减弱，30 cm和50 cm土层深度的土壤水变化最为明显，土壤易接受降水补给，而且土壤蒸发较为强烈。

关 键 词：大气降水; 土壤水; 地下水; 水分运移; 氢氧稳定同位素; 淮北平原

中图法分类号： TV211

文献标志码： 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，是中国重要的农业经济区和粮棉油产区，浅层地下水和土壤水是农业用水的主要水源。土壤水是区域水资源的重要组成部分，对区域的水循环起到至关重要的作用[1-2]。土壤水受大气降水补给、潜水蒸发作用以及植物利用等多种因素影响，易发生改变。因此，及时掌握地下水埋深、大气降水对土壤水的补给强度、地下水与土壤水的合理调控等对田间作物生长及区域水资源高效利用十分必要[3]。

目前，大多数学者对土壤水的研究主要侧重于土壤中水分数量的测定，是从宏观角度测定土壤水分数量的变化，对其具体来源和运移状态无法深入了解[2]。近年来，同位素示踪技术在土壤水源识别和运移规律方面被广泛运用。例如：田日昌等[4]通过研究红壤丘陵区大气降水以及不同土层土壤水的氢氧稳定同位素，分析了不同作物生长的土壤水分运移过程;杜康等[5]通过采集降水、河水、地下水和土壤水样品，运用同位素示踪技术，结合混合模型，研究了黄土丘陵区不同水体氢氧同位素特征及水体间补给转化关系;程立平等[6]利用氢氧稳定同位素技术，研究了西北地区不同土层土壤水对作物耗水的贡献比例。

本次研究借助于五道沟水文水资源实验站地中蒸渗仪，结合长系列（1992～2017年）地下水埋深与土壤含水率实验资料，并通过2020年7～10月大气降水、土壤水、地下水氢氧稳定同位素特征值，分析淮北平原夏玉米生长期土壤水与地下水埋深及降水的关系。研究成果有助于深入理解区域水循环过程，而且可为实现区域地下水的高效、可持续利用提供一定的科学依据。

1 研究区概况

本次研究于2020年7～10月在五道沟实验站进行。实验站位于安徽省蚌埠市新马桥镇。站内设有径流实验场、水文气象多要素观测场、自动称重式地中蒸渗仪。该区域属于暖温带半湿润季风气候区，多年平均降水量为893 mm，汛期（6～9月）多年平均降水量占年降水总量的62%，多年平均日照时数为2 200～2 425 h，多年平均相对湿度为73%，5～6月份最小，7～8月份最大，多年平均风速为3.0 m/s，多年平均气温为13.5～14.9 ℃[7]。

2 材料与方法

2.1 地下水埋深与土壤水变化关系研究方法

结合五道沟实验站长系列（1992～2017年）地下水埋深与土壤含水率实验资料，以及夏玉米生长期0～1.0 m各垂直土层深度大田土壤水数据。实验期间，夏玉米生长过程基本划分为4个生育期：苗期-拔节期2020年（7月8日至8月9日）、拔节-抽雄期（8月10～18日）、抽雄-灌浆期（8月19～31日）和灌浆-收获期（9月1日至10月1日）。土壤含水率采用烘干法测定，通过土钻法每5 d取样一次，分别测定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各垂直土层平均含水率。地下水水位、降水量等数据资料通过实验站观测获得。

2.2 基于同位素示蹤的土壤水变化与降水关系研究方法

本次实验基于自动称重式地中蒸渗仪，研究2020年夏玉米生长期不同土层土壤水含水率的变化情况与降水量的关系，并结合五道沟实验站长系列资料，进一步探究不同地下水埋深条件与土壤含水率的变化关系。本次实验所用土样土壤质地为砂姜黑土，原状土，土地面积为2 m2，高度为4.4 m。淮北平原夏玉米适宜地下水埋深为0.8～2.0 m，长势主要取决于玉米根系活动层的土壤水分，而玉米根系活动层的土壤水分主要取决于降水和地下水补给，因此，本次研究控制地下水埋深为正常年份下1.5 m[3]。不同土层土壤含水率采用三参数传感器监测，深度分别为0.3，0.5，1.0 m和1.3 m，每5 d记录一次。实验期分别记录夏玉米4个生长阶段。

试验期间共采集大气降水样24个，不同土层土壤水样30个，地下水样12个。水样氢氧稳定同位素分析工作于中科院地球环境研究所进行，采用激光液态水同位素分析仪（Picarro，L2130-i）开展分析。

3 结果与讨论

3.1 地下水埋深对土壤水变化的影响

土壤水受大气降水入渗、地下水补给、下垫面条件等影响。通过分析五道沟实验站1992～2017年夏玉米生长期0～1.0 m各垂直土层深度大田土壤水数据，来研究地下水埋深变化对土壤水分的影响。夏玉米生长期内各剖面土层多年平均土壤含水率随时间变化情况分别如表1所列和图1所示。

结合表1、图1可知：总体上，夏玉米不同生长期的土壤平均含水率随土层深度的增加呈现出先减小后增加再减小的趋势。其中，表层（0～0.1 m）土壤平均含水率变化最大，最大值出现在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，深层含水率增加，这是因为强降水过后，地下水通过毛细管作用补给深层土壤水，降水入渗使地下水位抬高，深层土壤含水率增大，而表层土壤水受蒸发影响较大，土壤含水率降低。由表1可知：表层（0～0.1 m）与深层（0.6～1.0 m）平均土壤含水率变异系数最大，表明该土层土壤含水率变幅最大。主要是由于表层土壤水受蒸发影响较大，而且降水入渗补给地下水，使地下水位抬高，深层土壤水受地下水补给作用影响明显[8]。

夏玉米生长期0～1.0 m土层的平均土壤含水率与地下水埋深变化情况如图3所示。由图3可知：总体上土层平均土壤含水率与地下水埋深呈负相关关系。其中，苗期-拔节期发生降水较多，期间植物生长较为旺盛，对水分需求量大[9]，土壤含水率相对较高，而且地下水埋深变幅较大，主要受降水及潜水蒸发影响明显;拔节-抽雄期共发生1次降水，土壤含水率相对较低;抽雄-灌浆期，土壤含水率较高，而且玉米生长需水量最大，地下水埋深减少;灌浆-收获期，地下水埋深持续降低，而且此期间玉米需水减少，土壤含水率呈增加的趋势。

3.2 基于同位素示踪的土壤水变化与降水的关系

对不同类型水样氢氧稳定同位素组分特征值进行统计，通过土壤水同位素特征值可以判断土壤水分运移规律，统计结果如表2所列。

由表2可知：总体上，大气降水、土壤水、地下水的δ18O和δD特征值变化规律表现为大气降水>土壤水>地下水，这是由于受到气温、风速等因素的影响，导致空气中的水汽凝结和输送过程发生了变化[10]。其中，土壤水δ18O和δD平均值随土层深度的增加而减小，表明土壤水分蒸发导致土壤重同位素富集，富集程度由土壤表层至深层递减，与降水入渗补给土壤水的转化途径相符[11]。其中在0.3 m和0.5 m土层深度，土壤易接受降水补给，而且土壤蒸发较为强烈，氢氧稳定同位素的季节差异较深层土壤更为明显。0.5～1.0 m土层土壤水变幅较大，主要原因是由于该区间地下水与土壤水交换频繁;1.0～1.8 m土层土壤水同位素值变化较为稳定，是由于随土层深度的增加，蒸发作用减弱，地下水补给作用增大，土壤含水率相对稳定。这与五道沟实验站长系列（1992～2017年）地下水的埋深與土壤含水率的实验资料分析结果相符。

研究表明，大气降水的氢氧稳定同位素存在着一种线性关系[12]。由于土壤水和浅层地下水均直接或间接地接受蒸发效应后的大气降水补给，因此，可将土壤水和浅层地下水视为研究区的特征地表水体。对研究区夏玉米生长期的大气降水及特征地表水体的氢氧稳定同位素进行线性回归分析，可得出大气降水趋势线方程δD = 7.662 1δ18O +6.5243（N=20，R2=0.875 4），特征地表水体蒸发趋势线方程δD = 7.732 5δ18O +6.807 2（N=42，R2=0.900 7）（见图4）。

将本次区域地表蒸发趋势线与距离最近的南京市同位素监测站的大气降水线（δD=8.43δ18O+16.92）[13]进行了对比，如图4所示。由图4可以看出，这些水样有相同的水源特征，表明其均来自于大气降水。地表蒸发趋势线始终落在大气降水线的下部，反映出特征地表水体在形成过程中均经过了不同强度的蒸发作用[14-16]。其中，30 cm和50 cm处的土壤水样偏离蒸发趋势线较为明显，表明其受到蒸发作用最为强烈。130 cm和180 cm处的水以及地下水在大气降水线上集中分布，表明其来源于大气降水，而且受蒸发作用影响较小。

借助于土壤水δ18O和δD的季节变化关系图，来研究夏玉米生长期土壤水与大气降水的关系，如图5所示。由图5可以看出：其中，玉米苗期-拔节期由于历时长，降水丰富，土壤水受到蒸发后的降水补给，导致氢氧稳定同位素变化较为明显;拔节期至整个灌浆期，玉米需水逐渐减少，土壤含水率逐渐升高，降水量及降水历时不同，随着时间的延续，降水经过同位素的分馏，重同位素逐渐贫化，导致差异的产生。

4 结 论

（1） 由五道沟实验站1992～2017年长系列实验资料中关于夏玉米生长期0～1.0 m各垂直土层深度大田土壤水的数据可知：夏玉米不同生长期的土壤平均含水率随土层深度的增加呈现出先减小后增加再减小的趋势，其中，0～0.2 m土层的平均土壤含水率最低，0.3～0.5 m土层土壤的含水率最高。

（2） 通过大气降水、土壤水和地下水氢氧同位素特征值可知：土壤水δ18O和δD的平均值随土层深度的增加而减小，表明土壤水分的蒸发导致土壤重同位素富集，富集程度由土壤表层至深层递减。

（3） 由区域大气降水线和区域潜水蒸发趋势线方程可知：这些水样具有相同的水源特征，表明其均来自于大气降水。地表水蒸发趋势线始终落在大气降水线的下部，反映出特征地表水体在形成过程中均经过了不同强度的蒸发作用。

（4） 通过不同土层的土壤水氢氧稳定同位素值和土壤水δ18O和δD的季节变化关系可知：土壤水氢氧稳定同位素的季节变化随土层深度的增加而减弱，表层土壤易接受降水补给，而且土壤蒸发较为强烈。不同生长期的降水量及降水历时不同，随着时间的延续，降水经过同位素的分馏，重同位素逐渐贫化，导致差异的产生。

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（編辑：赵秋云）

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