淮北平原浅埋区地下水埋深对土壤水变化的影响研究

张晓萌，王振龙，杜富慧，胡永胜，路 璐(.河北工程大学，河北 邯郸 0560；.安徽省

(水利部淮委)水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

土壤水作为四水转化的中间纽带[1]，影响蒸发、下渗、径流、降雨补给地下水的过程，在水文循环中起着重要作用[2]，同时又将农业、水文、环境紧密联系在一起。土壤水分作为农田管理的重要参数[3]，与地下水关系紧密，受多重因素影响[4-7]。近年来，已有众多学者对土壤水分与地下水进行了研究。韩双平等[8]在种植条件下通过控制水位埋深研究土壤水与地下水转化关系。冯绍元等[9]通过控制地下水位埋深研究其对地下水、土壤水转化的规律分析。包含等[10]在对春玉米生长期的土壤水动态研究中表明地下水与土壤水之间存在明显的水力关系。牛赟等[11]通过分析黑河中游荒漠过渡带降雨、土壤水和地下水在年内和年际的相关性，建立了三者之间的回归模型。胡明等[12]通过对旱塬区不同地带耕地土壤水分动态变化研究中表明土壤含水量受降雨、地下水位影响。Chen等[13]在对地下水对土壤水分和地表蒸发的影响研究中表明在浅埋区，地下水位的变化影响剖面含水量的分布，地下水位的空间变化能引起土壤水分的空间变异性。

已有研究成果中，很少利用作物生长期长系列资料分层建立土壤水与地下水埋深的相关关系，尤其在淮北地区少有研究。本文采用23年5日一次(每月逢1、6日)实测资料，分别对各土层土壤水与地下水埋深5日多年平均数据进行回归分析，建立了分层土壤水与地下水埋深的回归模型，并采用2015和2017年实验资料进行验证。成果为淮北平原浅埋区合理调控地下水位，科学制定灌溉制度具有重大意义。

1 实验概述

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省蚌埠市固镇县新马桥镇五道沟实验站，地处东经117°21′，北纬33°09′。属于暖温带半湿润季风气候区，多年平均降雨量893 mm，汛期(6-9月)多年平均降雨量占年降水总量的62%，多年平均日照时数2 200～2 425 h，多年平均相对湿度为73%，五六月份最小，七八月份最大，多年平均风速3.0 m/s，多年平均气温13.5～14.9 ℃。该区属于地下水位浅埋区，埋深变幅在1～3 m。土壤类型为砂姜黑土，占淮北平原总面积的54%。试验区作物主要以旱作物为主，玉米和小麦轮作。玉米播种时间多在6月下旬开始，于10月上旬收割。

1.2 资料选取

实验资料选取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。土壤水正常情况下采用土钻每五天取样一次(每月逢1、6日)，采用烘干法测定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和0～1.0 m各垂直土层平均含水率。地下水位资料选取大田观测井数据，气象资料(降雨量、气温、光照、风速、相对湿度)来自实验站气象场。本文土壤含水率、地下水位、气温按5日平均值计算，降雨量、光照按5日累计值计算。

2 结果与分析

2.1 地下水埋深对土壤水变化的影响

影响土壤水的因素主要有降雨、地下水位、蒸散发和下垫面条件等。地下水位变化受降水影响明显，本文主要分析研究地下水埋深变化对土壤水分的影响。夏玉米生长期5日多年平均各土层土壤水随时间变化过程线如图1所示。由图1可知，玉米生长期表层(0～0.1 m)土壤平均含水率变化最大。多年平均5日累计降雨量最大值在7月6日、7月11日、7月21日，其次为6月26日、7月26日、8月26日。在7月6日之前，其中表层和深层(0.8～1.0 m)波动较大，各层土壤含水率随降雨的增大基本呈逐渐增大趋势，该段时间玉米需水量小，蒸发量也小。7月6日降雨后，0～0.1和0.1～0.2 m土壤含水率基本降低，深层含水率增加，这是因为强降雨过后，地下水通过毛细管作用补给深层土壤水，降雨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。多年平均5日累计降雨量7月21日最大，此时0.2～1.0 m土层基本达到最大值， 7月21日后各层土壤含水率呈逐渐减小趋势。

夏玉米生长期1 m土层平均含水率与地下水埋深变化曲线如图2所示。由图2可以看出，0～1.0 m土层平均含水率与地下水埋深呈负相关关系，玉米生长期地下水埋深波动较大，尤其在7月份波动剧烈，地下水埋深逐渐变低，最低达到1.18 m，因为受降雨、蒸发影响较大。夏玉米各剖面土层含水率和地下水埋深均值和变异系数统计表见表1。由表1可知， 0～0.1和0.1～0.2 m土壤含水率最低，0.3～0.5 m土层最高，0.6～0.8和0.8～1.0 m土壤含水率较低，0～1.0 m剖面土层呈现先升高又降低的趋势，推测研究区土壤零通量面大致位于0.3～0.5 m之间。0.6～0.8和0.8～1.0 m土壤含水率较低，且变幅较大，主要是地下水与土壤水交换频繁所致。结合图1，各层含水率与0～1.0 m土层平均含水率随时间变化趋势大致相同，与地下水埋深变化趋势呈负相关关系。

图1 夏玉米生长期5日多年平均各土层土壤水随时间变化过程线Fig.1 The variation of soil water over time in the summer maize growth period

图2 夏玉米生长期1 m土层平均含水率与地下水埋深变化曲线Fig.2 The variation curve of moisture content of 1 m soil layer and the depth of groundwater table in summer maize growth period

表1 夏玉米各剖面土层含水率和地下水埋深均值和变异系数统计表

Tab.1 Statistical table of mean and variation coefficient of soil moisture content and the depth ofgroundwater table in summer maize growth period

统计量质量含水率/%0～0.1m0.1～0.2m0.2～0.3m0.3～0.4m0.4～0.5m0.5～0.6m0.6～0.8m0.8～1.0m0～1.0m地下水埋深/m均值19.7219.6921.9424.0023.8323.0622.2221.8622.041.80标准差1.220.981.151.421.401.281.381.511.210.40变异系数/%6.184.955.275.925.865.546.196.915.4922.30

2.2 土壤水和地下水埋深相关性分析

以上研究表明，在玉米生长期土壤水与地下水埋深存在明显的负相关关系，利用SPASS19.0软件分析土壤水与地下水埋深的相关性，玉米生长期各土层土壤含水率与各要素相关系数统计表见表2。由表2可知，随着土层深度的增加，土壤水与地下水埋深相关性越大。0～0.1 m和0.1～0.2 m土层土壤含水率与地下水埋深在0.05水平上显著相关，相关系数分别为-0.504和-0.518，0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土层平均含水率与地下水埋深则在0.01水平上显著相关，相关系数分别为-0.681、-0.795、-0.860、-0.888、0.928、-0.913和-0.883。表层土壤含水率与降雨量中度相关，其余各层土壤含水率与降雨量、光照和气温相关性均较差。

表2 玉米生长期各土层土壤含水率与各要素相关系数统计表

Tab.2 Statistical table of correlation coefficient of soil moisture content and each factor in different soil layers during maize growing period

因子埋 深0～0.1m0.1～0.2m0.2～0.3m0.3～0.4m0.4～0.5m0.5～0.6m0.6～0.8m0.8～1.0m0～1.0m水位埋深-0.504∗-0.518∗-0.681∗∗-0.795∗∗-0.860∗∗-0.888∗∗-0.928∗∗-0.913∗∗-0.883∗∗降雨量0.562∗∗0.3560.1220.3480.3450.2140.2480.1310.339光照-0.377-0.303-0.210-0.297-0.282-0.169-0.148-0.200-0.274气温-0.116-0.270-0.433-0.100-0.171-0.375-0.290-0.293-0.252

注：*为0.05 水平(双侧)上显著相关；**为在 0.01 水平(双侧)上显著相关。

2.3 土壤水和地下水埋深模型构建与验证

对多年平均土壤含水率与地下水埋深进行回归分析，结果见表3。由表3可知，0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土层含水率与地下水埋深使用线性函数或幂函数进行拟合时，拟合效果均较好，而0～0.1、0.1～0.2和0.2～0.3 m土层含水率与地下水埋深的拟合效果均较差。深层土壤含水率与地下水埋深呈非线性幂函数负相关关系，这与贾青[14]研究结果一致，呈线性关系则与刘景利[7]研究结果一致。因此，分别建立0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土层平均含水率与地下水埋深回归模型。

表3 夏玉米生长期各土层平均土壤含水率与地下水埋深回归分析结果

Tab.3 Results of regression analysis of soil moisture contentand the depth of groundwater table in various soillayers in summer maize growth period

土层深度/m线性回归回归方程R2乘幂回归回归方程R20～0.1S=-7.990D+22.4720.254S=D-0.139+21.2860.2210.1～0.2S=-4.440D+21.9200.261S=D-0.111+20.9340.2250.2～0.3S=-4.440D+25.4510.464S=D-0.159+23.9560.4040.3～0.4S=-2.814D+29.0590.632S=D-0.214+27.0240.5430.4～0.5S=-2.995D+29.2180.739S=D-0.233+27.1320.6780.5～0.6S=-2.829D+28.1500.788S=D-0.226+26.1650.7150.6～0.8S=-3.185D+27.9490.861S=D-0.268+25.7970.7790.8～1.0S=-3.438D+28.0410.834S=D-0.296+25.7680.7500～1.0S=-2.666D+28.8360.780S=D-0.223+24.9560.693

注：S为土壤含水率，%；D为地下水埋深，m；R2为拟合优度。

采用乘幂回归和线性回归模型，并利用2015年和2017年资料验证，验证结果见表4。由表4可以看出，采用线性回归方程验证，各年份相对误差较小，验证效果较乘幂回归方程好。

表4 夏玉米生长期土层平均含水率验证结果表%

Tab.4 Verification results of moisture content of soil layersin summer maize growth period

回归方程年份相对误差0.3～0.4m0.4～0.5m0.5～0.6m0.6～0.8m0.8～1.0m0～1.0m线性回归20151.352.362.033.316.4411.0520171.404.207.7012.9011.7016.40乘幂回归201512.7418.3317.8921.5027.7918.14201716.1120.6824.6233.9934.2423.93

综上所述，玉米生长期0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土层平均土壤含水率与地下水埋深呈线性负相关关系，可用函数关系式y=ax+b(a、b均为参数)表示。

3 结 语

通过对淮北平原夏玉米时期分层土壤水对地下水埋深的影响研究，结论如下：

(1)玉米生长期表层(0～0.1 m)和深层(0.6～0.8和0.8～1.0 m)土壤平均含水率变化较大，各层含水率与1 m土层平均含水率随时间变化趋势大致相同，随地下水埋深增大呈减少趋势。

(2)相关性分析研究结果表明，随着土层深度的增加，土壤含水率与地下水埋深相关性越大。0～0.1和0.1～0.2 m土层平均含水率与地下水埋深在0.05水平上显著相关，相关系数分别为-0.504和-0.518。0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土层平均含水率与地下水埋深在0.01水平上显著相关，相关系数分别为-0.681、-0.795、-0.860、-0.888、0.928、-0.913和-0.883。

(3)深层(0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0、0～1.0 m)土壤平均含水率与地下水埋深呈线性负相关或非线性幂函数负相关关系，拟合结果均较好。线性函数拟合优度分别为0.632、0.739、0.788、0.861、0.834和0.780，幂函数拟合优度分别为0.543、0.678、0.715、0.779、0.750和0.693。采用线性函数和幂函数验证时，线性函数相对误差较小。通过比较，深层土层平均含水率与地下水埋深均呈线性函数关系，可用函数关系式y=ax+b(a、b均为参数)表示。

本文从玉米生长期研究了淮北平原浅埋区地下水埋深对土壤水的影响，分层建立了土壤水与地下水埋深的回归模型，只考虑地下水埋深整体的影响，未考虑分级地下水埋深对分层土壤水的影响及在深埋区的适用性，有待进一步研究。