淮北平原夏玉米生长期土壤水对降水和地下水的响应

张豪强，朱永华，吕海深，苟琪琪

（河海大学水文水资源学院/水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

淮北平原地处黄淮海平原南侧，历来是中国重要的粮、棉、油、麻、果产区。该地区虽然降水资源较为丰富，但水资源拥有量仅为3 585 m3/hm2，不足安徽省（15 435 m3/hm2）的1/4，而且降水70%以上集中在夏季，多以暴雨形式出现，造成降水的总体利用效率不高。同时淮北平原地下水位埋深较浅，土壤水和地下水交换频繁，导致水循环过程较复杂［1］。为此，研究淮北平原降水、土壤水、地下水“三水”的周期变化特征和相互转化关系等水文过程及水资源构成比例，可以为提高水资源利用率、规范灌排制度、有效解决中国农业水资源短缺问题提供参考资料和基本依据［2］。

关于降水、土壤水、地下水的相关研究属于水文学领域［3］，是陆面水文循环的一个主要部分。20 世纪50 年代末期开始，随着近代水文学发展，概念性水文模型得以广泛应用［4］。到了20 世纪80 年代初，水资源试验研究逐步揭示了降水、地表水、土壤水和地下水的相互作用关系［5］。目前对于降水-土壤水-地下水三者之间关系的研究方法较多［2，6-8］。虽然前人对于降水、土壤水和地下水的关系已做了很多研究，但大多基于月尺度或年际尺度，很少有人专门针对作物生长期进行日尺度的研究。土壤水在“三水”转化过程中占据重要地位，是联系地表水和地下水的纽带，因此本研究通过在五道沟试验站对夏玉米全生育期的土壤水分进行2 年的实时监测，利用特征参数算法以及相关分析方法探讨了淮北平原砂姜黑土区土壤水分对降水和地下水的响应，以期为探索砂姜黑土区水循环过程、提高水资源利用率、指导该地区灌溉提供一定的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验在淮北平原五道沟水文水资源试验站进行。该试验站位于安徽省蚌埠市北25 km 处的新马桥原种场境内。试验区土壤为砂姜黑土，0~80 cm土层平均田间持水率为38.89%，凋萎含水率为21.5%，玉米一直是当地的主要农作物之一。

1.2 试验设计

试验时间为 2016 年 6—10 月、2017 年 6—9 月。试验区2015 年秋季种的是花生，2016 年上半年休耕。供试夏玉米品种为联创808，试验田耕作方式为深松耕作秸秆还田。深松耕作采用振动式深松机深松一遍，作业深度40 cm，随后耙地2 遍；秸秆还田是冬小麦成熟后机械化收获的同时将冬小麦秸秆粉碎（3~5 cm）后覆盖地表还田（深度20 cm），本次还田量是4 500 kg/hm2，玉米贴茬播种。试验小区面积为 3 m×5 m，重复 2 次，尿素施用 600 kg/hm2，专用肥（NPK 复合肥）施用600 kg/hm2。为保证玉米的正常生长，2016 年设 2 次灌水，分别在 8 月 12 日和 8 月 30日，2017 年设 1 次灌水，在 8 月 20 日，以手拿喷灌的方式进行灌溉，每次浇水30 mm，玉米生育期间按当地习惯进行田间管理。2016 年夏玉米于6 月23 日播种，2017 年于 6 月 1 日播种。

1.3 测定项目与方法

在玉米生长过程中采用HOBO 土壤水分测定仪分层实时测定0~80 cm 土层的土壤含水量（以体积含水率表示），每小时读取一次数据，每20 cm 为一层，共4 层，测量每层中间土壤值。

降水从五道沟水文试验站气象场获取。地下水数据选用五道沟水文站I2 井数据，I2 井采用自记水位计记录地下水位变化过程。

2 结果与分析

2.1 土壤水对降水和地下水的响应

2.1.1 土壤含水量对降水的响应 土壤含水量受降水、蒸发、地下水埋深、土壤质地、前期土壤含水量和作物类型等多种因素的影响，其中平原地区影响土壤水分变化的一个主要因素是降水量［9］。从图1 可以看出，除了2017 年出苗期至拔节期的10 cm 土壤含水率最高外，其余各生长期的各深度土壤含水率大体表现为70 cm>30 cm>10 cm>50 cm。从图1 还可以看出，2016 年生长季的降水量明显少于2017 年的降水量。受降水量的影响，不同年份的土壤含水率呈现出不同的动态变化特征。降水总量对土壤含水率的影响体现在：2017 年10 cm 土壤含水率大于2016 年，2016 年 30、50、70 cm 土壤含水率高于 2017年；在整个夏玉米生长季，2016 年的土壤水分呈下降趋势，而2017 年呈上升趋势；但在生长初期，2016年的土壤含水率较2017 年高。

表 1 是 2016 年和 2017 年的月降水量，2016 年生长季6—9 月的降水总量为347.7 mm，而2017 年6—9 月的降水总量为 707.2 mm，约为 2016 年的 2 倍，因此在整个生长季节，2016 年土壤含水量呈下降趋势，而2017 年呈上升趋势。从表1 可以看出，2016年1—5 月降水总量较2017 年大，因此2016 年前期土壤水储量也较大，这也是导致2016 年30、50、70 cm 土壤含水量较高以及生长季初期2016 年的土壤含水量较高的原因。

表1 月降水量 （单位：mm）

降水强度对土壤含水率的影响体现在：单次降水量较大时，土壤各层含水量都迅速增加（如2016年 6 月 19 日、6 月 20 日、7 月 20 日，2017 年 7 月 9 日、8月 19 日、9 月 3 日），因为降水强度大，可以迅速入渗到土壤深层，补给10~100 cm 土壤含水层。而单次降水量较小时，降水仅对表层土壤水有影响，且该地区大部分土壤为砂姜黑土，该土壤具有质地黏重、孔隙小、通透性差等特性，因此小雨强降水并不能很快补给到深层土壤，所以雨强较小的降水仅对表层土壤含水量有扰动（2016 年 8 月 7 日、8 月 21 日，2017年 6 月 23 日、8 月 1 日）。王仕琴［9］的研究也表明，表层土壤含水量对降水的变化最为敏感。

2.1.2 土壤含水量对地下水埋深的响应 地下水埋深是影响土壤水分空间变异的重要因素之一［10］。从图2 可以看出，生长季初期2016 年的地下水埋深为0.5~1.0 m，小于2017 年的2.0 m，但在整个生长期内2016 年的地下水埋深呈增大趋势，而2017 年的地下水埋深逐渐减小。这与前文所述的生长期内土壤水分的变化趋势刚好相反。2016 年生长季的土壤含水量呈下降趋势而地下水埋深呈增大趋势，这可能是由于2016 年1—5 月的降水总量较多，有充足的降水入渗补给地下水，因此地下水位较高，即地下水埋深较浅，而到了生长季，随着作物耗水量的增大，土壤含水量逐渐减小，降水全部转化为土壤水而无法补给地下水，此时又由于地下水埋深较浅，潜水蒸发量大，因此又有一部分地下水补给土壤水，所以经过一个生长期后地下水位下降，地下水埋深增大。2017 年生长季的土壤水分呈上升趋势同时地下水埋深呈下降趋势，这可能是由于2017 年2—5 月降水量小，潜水蒸发大，所以生长季初期地下水埋深较大，达到了 2.0 m 以上；而 8 月、9 月的降水量超过了200 mm，使得地下水得到了补给，地下水位抬升，从而地下水埋深减小。

2.1.3 土壤含水量和地下水埋深的统计分析 表2和表3 分别列出了2016 年和2017 年夏玉米生长期内剖面各层土壤含水率、地下水埋深的统计情况。统计结果表明，2 年的夏玉米生长期内50 cm 土壤含水率均最低，70 cm 土壤含水率均最高，整个剖面土壤含水率呈先降低后升高的变化趋势。由变差系数可以看出，2016 年表层土壤含水率变化较剧烈，而2017 年70 cm 土壤含水率变幅较大。这可能是由于2016 年生长期内降水量较少，因此仅对表层土壤水的扰动较大，而2017 年生长期降水量多，雨强大，降水能迅速入渗到70 cm 土壤层，因此对70 cm 土壤水分的扰动更大。2016 年地下水埋深变差系数高达45.09%，而2017 年为36.81%，因此2017 年地下水埋深较稳定，而2016 年地下水埋深波动较大，说明2016 年的土壤水和地下水交替更频繁，可能与2016年生长期内降水量较少以及生长初期地下水埋深较浅有关。

表2 2016 年夏玉米生长期剖面各层土壤含水量、地下水埋深统计情况

表3 2017 年夏玉米生长期剖面各层土壤含水量、地下水埋深统计情况

2.2 降水-土壤水-地下水的相关性分析

因为2016 年土壤水和地下水的交替更频繁，因此选取2016 年夏玉米生长期的降水、土壤水和地下水数据进行相关性分析。

一般地，相关系数|r|>0.95 表示存在显著相关；0.80≤ |r|≤0.95 为高度相关；0.50≤ |r|<0.80 为中度相关；0.30≤ |r|<0.50 为低度相关；|r|<0.30 为关系极弱，认为不相关。从表4 可以看出，降水和土壤水的相关系数较低，因此降水和土壤水之间的关系不能用简单的线性相关来表述。因为作物生长期土壤含水量还主要受前期土壤含水量、蒸发、植物蒸腾和土壤质地等因素的影响。降水和地下水埋深之间也不存在简单的线性相关关系，因为在自然状况下，由于受土壤质地、降水、植被、地下水埋深以及毛管作用等诸多因素影响，降水入渗补给地下水过程很复杂，规律性比较差［11］。10 cm 土壤含水率与 30 cm 土壤含水率相关系数最大，为中度相关；50 cm 土壤含水率与30 cm 土壤含水率相关性最好，相关系数达0.840，为高度相关；70 cm 土壤含水率也与30 cm 土壤含水率相关系数最大，相关系数达0.803，为高度相关，所以 10、50、70 cm 土壤含水率都与 30 cm 土壤含水率相关性最好。地下水埋深和各层土壤含水率都呈负相关，且与30 cm 土壤含水率的相关系数最大，达-0.548，属于中度相关。

表4 降水-土壤水-地下水的相关系数

2.3 雨期土壤水蓄变量与降水的相关性分析

由于作物生长期土壤含水量不仅受降水影响，还主要受前期土壤含水量和作物蒸腾等因素的影响。为了排除前期土壤含水量的干扰，现仅分析作物生长期内降水时各层土壤水的蓄变量与降水量的相关关系。从表5 可以看出，降水量仅与10 cm 土壤水蓄变量的相关系数较大，呈中度相关，而与30、50、70 cm 土壤水蓄变量都仅呈低度相关。这说明该地区土壤水分受蒸发、地下水埋深、土壤质地、前期土壤含水量和作物类型等因素的影响很大。

表5 雨期土壤水蓄变量与降水的相关系数

3 小结

1）降水总量对土壤含水量有影响。作物生长期以前的降水对深层土壤水分的影响较大。2016 年1—5 月降水较多，而6—9 月降水较少，但在整个生长期内，2016 年30~70 cm 的土壤含水量仍然较2017年大。2017年生长期以前降水较少而生长期降水量大，2017年整个生长期内土壤含水量呈上升趋势。

2）降水强度对土壤含水量的影响表现为雨强较小的降水仅对表层土壤含水量有扰动，因此表层土壤含水量对降水的变化最为敏感。

3）作物生长期内土壤水分变化趋势与地下水埋深变化呈相反趋势，这主要与降水和生长期前地下水位埋深有关。降水量越大，土壤水分越大，地下水位埋深就越浅；生长期前地下水位埋深越浅，潜水蒸发越大，土壤水分也越大。

4）研究区夏玉米生长期内50 cm 土壤含水率最低，70 cm 土壤含水率最高，整个剖面土壤含水率呈先降低后升高的变化趋势。2016 年生长期降水量少，生长初期地下水埋深较浅，因此2016 年土壤水和地下水交替更频繁。

5）该地区土壤水分受蒸发、地下水埋深、土壤质地、前期土壤含水量和作物类型等因素的影响很大，因此研究区降水与土壤水的相关系数较低，降水与土壤水之间的关系不能用简单的线性相关来表述。降水仅与10 cm 土壤水蓄变量的相关系数较大，呈中度相关。10、50、70 cm 土壤含水率都与 30 cm 土壤含水率相关性最好。地下水埋深和各层土壤含水率都呈负相关，且与30 cm 土壤含水率的相关系数最大，因此30 cm 土壤水对地下水埋深有指示性意义。

6）本试验只研究了土壤水对降水和地下水的响应，提出了该研究区降水、土壤水以及地下水埋深之间的关系不能用简单的线性关系来描述，在接下来的研究中还应借助模型得出“三水”之间的量化关系，定量描述降水、土壤水以及地下水埋深之间的转化。