砂姜黑土区有无作物生长土壤水与地下水转化关系研究

张晓萌，王振龙，杜富慧，王 兵，李 瑞，路 璐

(1.河北工程大学，河北 邯郸 056000；2.安徽省(水利部淮委)水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

在地下水浅埋区，土壤水与地下水(潜水)交换频繁，土壤水向潜水转化的过程主要表现为降雨和灌溉入渗补给地下水；潜水向土壤水转化的过程主要表现为潜水蒸发[1]。潜水蒸发可以对作物需水进行调节，减少灌溉次数。地下水位过高，容易造成积盐，当积盐达到一定程度时，最终引起土壤次生盐渍化，影响作物的正常生长。因此，土壤水与地下水转化关系的研究对淮北平原农作物的耗水机理的研究、土壤次生盐碱化的防治及地下水位调控等均有重要作用。多年来，已有众多学者从不同学科和环境对土壤水与地下水转化关系进行了研究，如张旭洋等[2]通过对大沽河流域土壤水-地下水流耦合模拟，计算了夏玉米生长期地下水补给量；黄远洋等[3]通过迭代模型分析不同地下水位下土壤水蓄量变化及其对土壤水蒸发量和潜水蒸发量的影响；郭占荣等[4]通过分析岩性和潜水埋深对潜水补耗差的影响，研究了在不同包气带厚度下的潜水、土壤水和大气水的转化关系；李琦等[5]和郭成久等[6]通过分析辽西北沙地和裸地潜水蒸发的规律，分别研究了在种植柠条和裸地条件下，潜水蒸发与入渗补给量、潜水补耗差随埋深变化的规律，提出了种植柠条的不适宜潜水埋深；冯绍元等[7]通过计算在不同地下水埋深条件下包气带储水量变化、潜水补耗差和冬小麦耗水量，定量研究了不同地下水埋深对土壤水与地下水转化的影响；包含等[8]在对春玉米生长期的土壤水动态进行研究，并指出地下水与土壤水之间存在明显的水力关系。Chen等[9]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。杨建锋等[10]在地下水浅埋区通过对种植冬小麦和夏玉米农田土壤水分的长期监测，得出浅埋区地下水动态对土壤水动态影响较大，分析了在地下水影响下土壤各剖面含水量的变化情况，提出灌溉方案的确定不能忽视地下水对土壤水的补给作用。韩双平等[1]通过种植试验，分析了潜水埋深对土壤水和地下水相互转化的影响，以上研究主要通过数值模拟和机理分析土壤水与地下水的转化关系。土壤水与地下水的研究一直是关注的重点，淮北平原砂姜黑土区为地下水浅埋区，土壤水与地下水关系密切。淮北平原砂姜黑土区已有研究中多将土壤水和地下水的关系分开研究，如王振龙等[11]研究了有无植被生长条件下潜水蒸发与地下水位的变化规律，并提出了有作物潜水蒸发量的计算方法；郝振纯等[12]等研究了淮北平原裸土潜水蒸发的年内分配规律以及随土质、埋深的变化趋势;路璐等[13]通过分析地下水位1 m埋深下冬小麦日土壤水分规律，建立了不同土层日土壤水分预测模型。本研究利用五道沟实验站蒸渗仪实验资料，将土壤水与地下水结合一起考虑，通过控制潜水埋深，研究了有无作物条件下砂姜黑土潜水蒸发、入渗补给和潜水补耗差的规律，分析了不同地下水埋深对土壤水与地下水转化的影响，并得到了种植小麦条件下土壤水与地下水转化量的均衡临界深度[7]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

五道沟水文水资源实验站地处淮北平原南部，位于安徽省蚌埠市固镇县新马桥镇原种场境内，属暖温带半湿润季风气候区，四季分明，季风盛行。该区年平均气温为14 ℃，多年平均降雨量为860 mm，多年平均蒸发量为1 181.3 mm，地下水位埋深为1～3 m，为浅埋区，年变幅1～3 m。农作物为一年两作制，冬季以小麦为主，夏季以玉米和大豆为主，土壤质地为砂姜黑土和黄潮土，分别占淮北平原土壤的54%和33%。

1.2 试验资料与方法

本文依托实验站大型蒸渗仪，地下水位埋深控制为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和5.0 m共10种水平，器口面积为0.3 m2的10个裸土测筒和10个有作物测筒，其中测筒内作物为小麦，土壤为砂姜黑土，垂直裂隙发育，质地黏重，土壤容重为1.36 g/cm3，田间持水率28%～30%(重量含水率)。通过1991-2015年蒸渗仪20个测筒潜水蒸发和入渗补给观测资料，其中0.2、0.4、0.8、1.0和1.5 m为每日观测，2.0、2.5、3.0和5.0 m埋深为逢1和6日观测，分别计算有无作物条件下不同埋深水平旬潜水补耗差，水面蒸发资料来自实验站气象场。

2 结果与分析

2.1 有无作物条件下潜水蒸发量随时间变化规律

2.1.1 裸地条件下潜水蒸发量随时间变化规律

选取1991 -2015年不同地下水埋深水平下裸地潜水蒸发资料，经分析，裸地多年平均潜水蒸发量随时间变化规律如图1所示。从图1可以看出，潜水蒸发量随地下水埋深增加逐渐变小，地下水埋深在0.2 m时潜水蒸发量最大，0.4 m以深潜水蒸发量均在5 mm以下。0.2 m埋深处潜水蒸发量与水面蒸发量趋势一致，冬季蒸发量逐渐减小，春季逐渐增大。

图1 裸地多年平均潜水蒸发量随时间变化规律Fig.1 The variation of average annual phreatic evaporation in bare land with time

2.1.2 有作物条件下潜水蒸发量随时间变化规律

小麦多于10月上旬播种，5月下旬收割，期间经历出苗-分蘖、分蘖-越冬、返青-拔节和拔节-成熟。小麦地多年平均潜水蒸发量随时间变化规律如图2所示，由图2可知，在小麦生长期，潜水蒸发量随地下水埋深增加而减少，在2.5 m以深潜水蒸发量较小。10月上旬-2月下旬潜水蒸发量均较少，0.2 m埋深潜水蒸发量呈缓慢减小趋势，这主要因为小麦在返青前，生长缓慢且需水量小，腾发量主要为棵间蒸发，而表层潜水蒸发量受地表温度和气温影响较大[11]，返青后，小麦需水量变大，根系吸水能力增强，随着气温的回升，蒸腾量也逐渐增加，导致潜水蒸发量增大。在小麦灌浆期，不同地下水埋深水平下小麦地潜水蒸发量均达到最大，地下水位在0.4 m时潜水蒸发量最大，这与李瑞等[14]的研究结果一致，此时是蒸腾和耗水强度最大的阶段。小麦在5月上旬进入成熟期，随着小麦叶片枯黄，根系的死亡，潜水蒸发量迅速变小。另外，从图中可以看出，与裸地条件下不同，小麦生长期潜水蒸发与水面蒸发在小麦进入成熟期后趋势变化不一致，这说明潜水蒸发规律不仅与作物有关还与作物的生育阶段有关。

图2 小麦地多年平均潜水蒸发量随时间变化规律Fig.2 The variation of average annual phreatic evaporation of wheat with time

2.1.3 有无作物条件下潜水蒸发量差值随时间规律

潜水蒸发规律不仅与潜水埋深有关，还与作物以及作物的生育阶段有关。小麦多耗水量[11]就是小麦地潜水蒸发量减去同期同埋深的裸地潜水蒸发量，作为小麦生长导致地下水多蒸发掉的水量。有无作物条件下多年平均潜水蒸发量差值随时间变化规律如图3所示。由图3可以看出，小麦返青前，小麦多耗水量接近零，返青后，小麦多耗水量逐渐增加，地下水大量向土壤水转化，0.4 m埋深时小麦多耗水量最大，随埋深的增大，小麦多耗水量逐渐减少。在0.2 m埋深时小麦多耗水量出现负值，这是因为返青前小麦生长缓慢，需水量较少，小麦地潜水蒸发量与同期裸地潜水蒸发量相差不大，而作物的遮盖抑制了棵间蒸发，导致小麦地潜水蒸发量小于裸地蒸发量。

图3 有无作物条件下多年平均潜水蒸发量差值随时间变化规律Fig.3 The variation of the average annual phreatic evaporation difference with time under the conditions of wheat and bare land growth

2.2 有无作物条件下降雨入渗补给量随地下水埋深变化规律

有无作物条件下多年平均累积入渗补给量随地下水埋深变化规律如图4所示。由图4可知，裸地累积入渗补给量大于小麦地累积入渗补给量，且变化趋势一致，均随地下水埋深增大而减小，在0.6 m以浅，随埋深变化入渗量变化明显，0.6 m以深，入渗量基本稳定。裸地累积入渗补给量大于小麦地累积入渗补给量，且变化趋势一致，均随地下水埋深增大而减小，与郭成久等[6]通过分析辽西北沙地种植柠条和裸地条件下降雨入渗补给规律得出的有作物时入渗补给量随地下水埋深变化趋势与裸地正好相反这一结果不同，主要是因为下垫面和作物类型不同，降雨入渗补给规律不同。对种植裸地和小麦地累积入渗补给量之间差值进行分析，其差值随潜水埋深的增大呈先增加后减少趋势，在埋深2～3 m时达到最大值，在埋深为0.2 m时差值为负值，这是因为在种植小麦时表层(0～30 cm)进行翻耕，增大了表层土壤孔隙度，入渗性能增强。该差值可近似为小麦地的蓄水能力，在地下水位埋深2～3 m时蓄水能力最大。

图4 有无作物条件下多年平均累积入渗补给量随地下水埋深变化规律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 有无作物条件下潜水补耗差随埋深变化规律

采用了潜水补耗差(潜水的入渗补给量减去潜水蒸发量)[15]，计算小麦生育期的潜水净入渗补给量和潜水净损耗量，排除了地中蒸渗由于气压效应引起的假入渗补给量和假潜水蒸发量的影响。有无作物条件下多年平均潜水补耗差随地下水埋深变化规律如图5所示。由图5可知，裸地潜水补耗差高于小麦地潜水补耗差，在1 m时差值最大。种小麦条件下，潜水补耗差随埋深增大而增大，在1.5 m左右潜水补耗差为零，这是土壤水与地下水转化量的均衡临界埋深，此时土壤水向地下水的转化量等于地下水向土壤水的转化量；小于临界埋深，地下水向土壤水转化起主导作用，有利于地下水对作物耗水的调节；大于临界埋深，潜水补耗差为正值，土壤水向地下水的转化量大于地下水向土壤水的转化量，有利于土壤水补给地下水，这说明地下水埋深对土壤水与地下水的转化起着重要作用。裸地条件下，潜水补耗差随地下水埋深的增大先迅速增大后在埋深1 m时趋于平缓，这表明1 m为裸地条件下淮北平原砂姜黑土区的最佳潜水埋深。裸地潜水补耗差为零时，地下水埋深在0.2～0.5 m之间。小麦地潜水补耗差为零时，地下水埋深在1.0～2.0 m之间。

图5 有无作物条件下多年平均潜水补耗差随埋深变化规律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

将小麦地多年平均潜水补耗差与潜水埋深作相关性分析，结果表明潜水补耗差与地下水埋深呈对数关系，计算小麦地土壤水与地下水转化量的均衡临界埋深，即：

D=84.38 ln(Z)

(1)

式中：D为潜水补耗差，mm；Z为土壤水与地下水转化量的均衡临界埋深，m。

回归方程的拟合效果较好，拟合优度R2为0.95。计算得到，在种植小麦条件下，土壤水与地下水转化量的均衡临界埋深为1.62 m。

研究得出了砂姜黑土区小麦地和裸地条件下土壤水与地下水的转化量的均衡临界埋深分别为1.62 m和0.2～0.5 m之间，韩双平等[1]利用昌吉均衡试验场资料，模拟不同地下水埋深条件下冬小麦和夏玉米地的入渗补给量、潜水蒸发量和地下水埋深观测实验资料，建立了潜水补耗差与潜水埋深的相关方程，得到了小麦和玉米连作的土壤水与地下水转化均衡临界埋深为3.91 m，这一差异表明土壤水与地下水转化方向不仅受作物类型影响明显，同时也受下垫面条件影响。

3 结 语

(1)在种植小麦条件下，地下水向土壤水的转化主要在2.5 m以浅；裸地条件下，地下水向土壤水的转化在0.4 m以浅，且潜水蒸发量均随地下水埋深增加而减少。与种小麦相比，在裸地条件下，0.2 m埋深潜水蒸发量与水面蒸发量变化趋势一致。小麦多耗水量在小麦生长旺盛期随地下水埋深增加而减少，在埋深0.4 m时达到最大。

(2)裸地累积入渗补给量大于小麦地累积入渗补给量，且变化趋势一致，均随地下水埋深增大而减小，两者累积入渗量差值随地下水埋深的增大呈先增加后减少趋势，在2～3 m时小麦地蓄水能力最大。

(3)土壤水与地下水转化方向受地下水埋深影响较大，在裸地条件下土壤水与地下水转化量的均衡临界埋深在0.2～0.5 m之间；在种植小麦条件下，潜水补耗差与地下水埋深呈对数关系，均衡临界埋深为1.62 m。小于临界埋深，潜水消耗起主导作用，地下水向土壤水转化；大于临界埋深，土壤水补给地下水。

针对砂姜黑土区裸地和冬小麦生长期土壤水与地下水转化关系进行了研究，分析了土壤水与地下水转化的均衡临界埋深，对认识淮北平原砂姜黑土浅埋区土壤水与地下水的转换研究具有重要意义。对于不同土质地下水位动态变化条件下土壤水与地下水定量转化关系有待进一步研究。