华北平原典型土地利用类型下包气带土壤水稳定同位素变化特征

基于华北平原典型土地利用类型(梨园、农田)包气带(>18 m)土壤水同位素测定结果, 分析了华北平原深层土壤水稳定同位素(δD、δ18O)特征, 揭示了不同土地利用类型下包气带土壤水补给过程中蒸发和入渗的规律。结果表明, 研究区大气降水线δD =6.07δ18O-5.76(R2=0.86), 土壤水δD、δ18O值均落在大气降水线下方, 表明降水入渗补给土壤水过程中经历了强烈的蒸发作用；除梨园Ⅰ, 土壤水同位素值变异系数浅层＞中层＞深层, 表明浅层土壤水δD、δ18O波动较大, 主要由于其易受到降水和蒸发的影响, 随土壤剖面深度的增加, 蒸发和降水的影响逐渐变弱；梨园Ⅰ深层土壤水同位素变异系数较大, 表明该样点深层土壤水受到地下水波动的影响；梨园浅层土壤水氘盈余(d-excess)较农田大, 说明农田浅层土壤水蒸发强度大于梨园；0.25~0.5 m深处土壤水均出现δD、δ18O的明显富集, 主要受土壤质地分层影响导致土壤水入渗受阻, 同位素较为富集的土壤水在此深度层积聚；而梨园2~5 m出现δD、δ18O的贫化现象, 主要是梨树根系埋深使得降水以优先流形式补给至此土壤层。梨园和农田包气带土壤水δD、δ18O垂直剖面上差异显著，表明了华北平原不同土地利用方式的包气带土壤水入渗过程有明显差异, 梨园包气带土壤水入渗过程主要以优先流补给影响。本研究为深入了解华北平原农田区厚包气带水分运动、氮素迁移转化与地下水水质之间的关系提供了理论依据。     

干旱区重度和轻度盐碱地包气带水分运移规律

为揭示干旱区不同灌溉模式下的包气带水分运移规律,该研究综合使用原位观测、同位素示踪和数值模拟等方法,对跨流域调水背景下,克拉玛依农业开发区重度和轻度盐碱地棉田的土壤水势、土壤含水率和土壤水同位素组成特征,包气带水量平衡以及水分运移规律进行了研究。研究表明,土壤基质势调控的滴灌模式下,重度和轻度盐碱地的灌溉入渗主要影响深度是地表以下0~150 cm,土壤含水率和土壤水势对灌溉和蒸散发动态变化的响应明显,具有前期土壤水和观测期内灌溉入渗水的混合特征。深层(重度盐碱地150~260 cm;轻度盐碱地250~350 cm)受地下水毛细作用影响,土壤水势和土壤含水率对地下水埋深动态变化的响应明显,具有前期土壤水与地下水的混合特征。轻度盐碱地中间层(150~250 cm),几乎不受灌溉入渗和地下水毛细作用的影响,土壤水势和土壤含水率处于动态平衡,主要为前期土壤水的特征。HYDRUS-1D数值模拟结果表明,深层土壤水与地下水之间存在双向交换,地下水对土壤水以补给作用为主,重度和轻度盐碱地地下水补给占包气带水分来源的比例分别为7.9%和15.0%。该灌溉模式对农业开发区地下水补给有一定的抑制作用,但观测期内区域地下水位抬升幅度在50~60 cm之间,说明存在一定的土壤次生盐渍化和地下水咸化的潜在风险。     

基于稳定同位素的土壤水分运动特征

土壤水分受降雨和地下水的共同补给作用,是陆地水循环的重要环节。通过模拟试验,结合土壤水同位素特征,以黄土高原黄绵土为研究对象,研究降雨入渗和地下水补给方式下土壤水分的运移变化特点。结果表明:土壤体积含水量随时间的延长而增大,最终趋于稳定,土壤水分的运移有明显滞后效应;土壤水氢同位素受补给水源、交换混合以及蒸发的影响,随时间的延长,补给水源的影响逐渐减弱,水分的交换混合和蒸发作用逐渐显现,土壤水最终达到动态平衡状态;两种补给条件下,土壤水运移方式均为活塞式推进,降雨入渗方式土壤水δD随土层深度的增加先减小后增大最终趋于稳定,表层0~5cm土壤水由于蒸发富集重同位素,5~20cm土壤水滞留时间最长,保水能力最强,地下水补给方式下土壤水δD随土层深度的增加而减小,上层土壤水δD由于蒸发富集重同位素,下层受地下水补给影响贫化;两种补给方式下土壤水δD与δ18O有良好线性关系,降雨入渗方式土壤水蒸发分馏作用大于地下水补给方式,地下水补给具有较好的保水效果。     

再生水灌溉区农田包气带及地下水中硝酸盐分布特征及来源研究

本文通过对华北平原典型再生水灌溉区(河北省石家庄洨河流域)的包气带土壤、地表水和地下水进行采样分析,对硝酸盐在多种环境介质中的来源与环境行为进行了研究,识别了再生水灌溉区地下水硝酸盐污染来源,明确了不同灌溉条件对包气带土壤中硝酸盐迁移的影响。在受到城市再生水严重影响的洨河流域,地下水中的硝酸盐浓度分布范围在4.0 mg·L?1到156.6 mg·L?1之间,已经形成了距离河道2 km、深度70 m的硝酸盐高值区域,经过计算硝酸盐的垂向扩散速率为每年1～2 m。硝酸盐与氯离子的相关性表明,城市再生水是再生水灌溉区包气带、地表水和地下水中硝酸盐的主要来源。利用Geoprobe获取利用不同灌溉水农田土壤剖面样品,研究再生水对厚包气带NO3?-N垂向分布影响,再生水灌溉区和地下水灌溉区中包气带土壤的NO3?-N的平均含量为137.0 mg·kg-1和107.7 mg·kg-1,最高含量523.2 mg·L?1和725.9 mg·L?1,分别出现1.20 m和0.85 m深度,分布规律有着明显的差别。包气带土壤硝酸盐与氯离子的相关性分析表明,再生水灌溉区土壤硝酸盐主要来源于城市再生水,而地下水灌溉区可能来源于农田氮肥。地下水年龄和硝酸盐之间关系表明,地下水中1975年以前补给的硝酸盐浓度低于1975年以后补给,地下水硝酸盐污染与包气带氮入渗的历史过程密切相关。在华北平原特殊的地质水文背景下,农田面源污染对地下水的影响有限,但再生水灌溉区地下水硝酸盐污染的风险较高。     

大沽河中游地区土壤水与浅层地下水转化关系研究

青岛作为北方严重缺水城市之一,其水资源的合理利用对青岛的发展至关重要。通过对大沽河流域土壤水、地下水的长期观测,利用简化后的土壤水量平衡方程并结合Hydrus-1d软件对地下水浅埋区农田土壤水与地下水的转化关系进行了分析和计算,同时得到了该区域土壤水资源量。结果表明,土壤水分与降雨、地下水位埋深存在较快的响应关系;土壤水与地下水可以相互补给,且不同时期具有不同的转化特征:玉米生长期内土壤水与地下水的交换频繁,且容易出现农田土壤水分渗漏以及地下水位剧烈波动,期间土壤水补给地下水228.0 mm,地下水补给土壤水287.5 mm;而小麦生长期内未进行农田灌溉时,土壤水与地下水几乎为单向联系,主要由地下水补给土壤水,且补给量变化较玉米期稳定,期间土壤水补给地下水70.09 mm,地下水补给土壤水266.9 mm;通过计算得到研究区土壤水资源量为439.1万m3,这对于农作物的生长具有重要的作用,应制定合理的灌溉方案,最大限度利用土壤水资源,从而达到农业节水的目的。     

黄土高原沟壑区杏树林地土壤水分时空动态变化及适宜性研究

水分是制约黄土高原地区生态环境恢复和经济发展的主要限制因子.研究黄土高原土壤水分变化规律,有着极其重要的科学和实际意义.本研究以杏树为调查对象,通过测定不同坡向林地土壤水分,分析了土壤水分的时空动态变化规律,并根据生态位适宜度理论分析土壤水分满足杏树生长的程度.研究表明:(1)土壤含水量年内变化为不对称双峰曲线,且第二高峰峰值明显高于第一高峰峰值,阳坡与阴坡土壤水分动态有着显著的差异,阴坡土壤水分高于阳坡,阴坡蒸发量较小,降雨可以补给更深层的土壤水;(2)一年当中,土壤水分垂直分布可分为4个阶段,分别代表降雨补给土壤水、浅层土壤水入渗和再分布、浅层土壤失墒及深层土壤水上升阶段,阴坡降雨补给土壤水开始的早,阳坡土壤严重失墒开始的早.总体说来,阴坡的水生态位适宜度要好于阳坡,但不论阳坡还是阴坡,水生态位的适宜度均较低.     

内蒙古河套灌区灌溉入渗对地下水的补给规律及补给系数

为准确估计内蒙河套灌区灌溉水入渗补给地下水量,采用试验研究与数值模拟相结合的方法,分别根据灌水前后地下水位变化和土壤含水率变化计算了灌溉水入渗补给地下水系数,并依据土壤水动力学原理,采用数值模拟验证,得到作物生育期灌溉补给地下水系数为0.15,秋浇灌溉补给地下水系数为0.3。河套灌区地下水位埋深相对较浅,通过灌水前后的土壤含水率变化情况和数值模拟结果显示,灌水2～4 d补给地下水量达到最大,8～10 d后即完成对地下水的入渗补给,不同灌水量灌溉水入渗规律基本一致,入渗补给量和入渗时间与灌溉水量直接相关。研究结果将为确定维持灌区生态环境良性发展的引水量阈值提供参考。     

自然降雨对干化土壤水分恢复有效性分析

研究自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性,有利于合理利用降水资源,加强干化土壤水分管理,促进土壤干层得到有效恢复。在陕北米脂试验站设置野外地下大型土柱,通过2014—2019年连续定位监测降雨、土壤含水率状况,分析自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性。结果表明:(1)从深层干化土壤水分恢复角度考虑,黄土丘陵半干旱区降雨可以分为3种类型:表层入渗快速蒸发型、浅层入渗缓慢蒸发型和深层入渗补给型。其中深层入渗补给型降雨为有效降雨,该类型雨量>26 mm,能够对深层干化土壤产生有效水分补给。2014—2019年发生深层入渗补给型降雨仅16次,累积雨量791.8 mm,降雨次数、降雨量的有效率分别为4.64%和35.19%。(2)月尺度条件下,降雨量(P月)与逐月入渗深度(Z逐月)、月累积入渗深度(Z累积)均呈二次函数关系变化,Z逐月=-0.0102P月2+3.955P月-6.7335(R^2=0.9639),Z累积=-0.0003P月2-0.1331P月+191.71(R^2=0.9208)。(3)年尺度条件下,2014—2019年雨量分别为187.6,391.6,590.8,337.6,342.4,400.0 mm,降雨逐年引发的入渗深度依次为160,220,400,260,260,120 cm,累积入渗深度依次可达180,220,400,700,1000,1400 cm。研究结果对揭示自然降水恢复干化土壤机理,加强土壤干层人工蓄水保墒技术,合理选择保墒措施,以及促进当地生态环境建设具有积极的推动作用。     

半干旱区人工林地土壤入渗过程分析

森林是陆地生态系统最高大的植物群落,是维护陆地生态系统平衡的主要力量。穿过林冠到达地表面的雨水,要么通过空隙进入土壤形成土壤水,要么沿坡面流失形成地表径流。进入土壤的水分,或存储在土体内供植物吸收和利用,或在垂直入渗过程中改变方向形成壤中流,或穿过土层形成深层渗漏补给地下水。近年来,黄土高原大部分地区人工林地林水关系失调,在多年生人工林草地出现了以土壤旱化为主要特征的土壤退化现象。由于黄土高原大部分人工林地的地下水埋藏较深,水资源缺乏,无灌溉条件,因此林地土壤水分主要依靠天然降雨补给,林水关系调控只能依据土壤水分补给和存储情况决定。目前,根系利用土层土壤水分与植物生长的动态关系又成为生态需水研     

宁夏中部干旱风沙区降雨入渗补给系数的估算

降雨入渗补给量是干旱地Ⅸ地下水资源的重要组成部分,降雨人渗补给系数取用的正确与否直接关系到降雨入渗补给量的估算.宁夏中部干旱风沙区地下水资料相对较少,只能采用现场观测与验证结合的方式进行确定.利用宁夏盐池县猫头粱降雨资料与地下水动态观测资料对宁夏中部干旱风沙区的降雨入渗补给系数进行估算,并用宁夏同心县长沙河流域地下水资料进行验证,得出宁夏中部干旱风沙区的降雨人渗补给系数0.119～0.257,为该地区水资源评价工作提供依据.     

黄土高原粗质地土壤剖面水分运动与浅层地下水补给可能性模拟

黄土高原水土流失严重,生态环境脆弱,水资源短缺,地下水对保障区域社会经济发展和维持生态系统平衡具有重要意义,而该区的地下水转化和补给机制尚不明确。为探究黄土高原水蚀风蚀交错区土壤剖面深层水分运动及降水对浅层地下水补给的可能性,利用六道沟小流域分布的粗质地风沙土样地2013—2016年土壤剖面0~600 cm含水量数据,运用HYDRUS-1D模型对各土层水力参数进行反演和验证,并用于模拟样地土壤深剖面0~1 500 cm水分运移过程。结果显示,在平水年2014年(439 mm)和干旱年2015年(371 mm),0~600 cm土壤含水量生长季末与生长季初持平或略有亏缺;降水充沛年2013年(669 mm)和2016年(704 mm)土壤含水量生长季末远高于生长季初,降水入渗深度超过观测深度(600 cm)。深剖面水分运动模拟显示,2014年和2015年剖面含水量变化不明显,水分向深层运移微弱缓慢;但是,2013年和2016年降水可分别入渗运移至1 100 cm和1 200 cm深度,远超过样地上生长的旱柳根系区域,可能补给浅层地下水。在4年模拟期间,平均土壤蒸发为14.87 cm·a-1,平均植物蒸腾为33.70 cm·a-1,土壤水分主要以植物蒸腾形式损耗。在2个丰水年,得益于较充足的降水和粗质地风沙土壤的高入渗率,降水大量转化为土壤水快速向下入渗运移,模拟显示当年生长季末降水最深运移至1 200 cm,至年末已超过模拟深度(1 500 cm),水分继续运移可能补给浅层地下水。相关研究结果为黄土高原水蚀风蚀交错区地下水来源和补给机制提供理论依据。     

华北平原典型井灌区农田水循环过程研究回顾

本文回顾了中国科学院栾城农业生态系统试验站在农田水分循环和水量转化方面的研究工作和进展。目前, 对于冬小麦-夏玉米农田的蒸散耗水量及其结构(植物蒸腾和土壤蒸发)有较详细的研究结果。全年总蒸散量多年平均870 mm, 每年亏缺的350 mm 左右需要靠提取地下水保证; 同位素分析结果显示土壤蒸发的深度在地表下20 cm 处, 而植物蒸腾耗水也主要是利用0~40 cm 土层的土壤水分。对于土壤深层渗漏量和地下水接受垂直补给的问题, 不同研究结果间仍然存在较大差异, 尚需更精细的试验来确定。对于区域水量平衡和地下水资源可持续性的评价和管理, 目前急需重点开展区域蒸散量的精确估算和模拟研究, 以及不同土地利用和不同农业种植方式的水量平衡与水分转化过程研究。     

采用氯离子示踪法计算沙漠降雨入渗量

为了研究巴丹吉林沙漠东南部地区的降雨入渗补给量,基于沙漠东南部两个剖面的氯离子质量浓度、质量含水率数据,利用氯离子示踪法计算了巴丹吉林沙漠东南部地区的降雨入渗补给量。结果表明乌海子、诺尔图地区的年平均补给率分别为0.81 mm/a和1.24 mm/a,仅占多年平均降雨量的0.9%和1.4%,因此当地现代降水对巴丹吉林沙漠东南部地区地下水的补给十分微弱,即当地现代降雨并非为此区域地下水的主要补给源。     

华北平原大气降水对土壤淋洗脱盐的影响

华北平原属季节性干旱半湿润太平洋季风气候区,降水量500-600 mm,年际和年内降水分布不均,旱涝盐碱灾害并存,成为农业生产可持续发展的主要制约因素。降水量74%集中在雨季,对土壤发生淋洗脱盐作用。一般在雨季7-8月份降水量超过300 mm,土体表现为脱盐。次降水量超过25 mm,根层土壤发生淋洗脱盐。海河平原自1964年逐年开挖骨干排水河道,使海河五大河流水系都有了自己的入海尾闾, 在排洪排涝的同时也排走了大量的盐分。20世纪60年代末,开始大规模开发利用地下水,井灌的同时降低了地下水位,起到井排作用,减少了潜水蒸发,增大了降雨入渗,加强了降雨淋洗脱盐作用,并引河水回灌补源,淡化了地下水。华北平原控制了灌区土壤次生盐碱化,而且大面积盐碱地得到改良。     

基于遥感蒸散发的河套灌区旱排作用分析

干旱区灌区大量引水灌溉造成灌溉地地下水位明显高于非灌溉地,进而导致地下水、盐从灌溉地向非灌溉地的迁移（内排水）及盐分在非灌溉地的积累（旱排）。为分析灌溉地与非灌溉地间的水、盐迁移,拟建立基于遥感蒸散发的灌溉地-非灌溉地水、盐平衡模型,应用于内蒙古河套灌区中西部4县（旗、区）。结果表明,研究区年均内排水量为3.55亿m3,与排水沟排水量相当;灌溉地向非灌溉地的年均迁移盐量为151.7万t,其中灌溉地年均脱盐0.4 t/hm2,非灌溉地年均积盐2.7 t/hm2。可见,内排水和旱排对于灌溉地土壤盐渍化控制具有重要作用,在灌区排水、排盐规划中应综合考虑排水工程系统与内排水、旱排的作用。     

Seasonal differences in the soil water balance under perennial and annual pastures on an acid Sodosol in southeastern Australia

Replacement of native deep‐rooted grasses by shallow‐rooted ones has resulted in greater losses of water and nitrogen by drainage. To counter this effect we have tested the hypothesis that liming, and the conversion of annual grass pastures to perennial grass pastures, could improve the sustainability of grazing systems in the high rainfall zone (> 600 mm per annum) in southeastern Australia, through better use of water and nitrogen. A field experiment consisting of sixteen 0.135 ha (30 m × 45 m) grazed paddocks representing four pasture combinations (annual pasture (mainly Lolium rigidum) without lime (AP–); annual pasture with lime (AP+); perennial pasture (mainly Phalaris aquatica) without lime (PP–), and perennial pasture with lime (PP+)) was carried out from 1994 to 1997 on an acid Sodosol (Aquic Hapludalf) in southern New South Wales, Australia. Measurements were made of surface runoff, subsurface flow (on top of the B horizon) and soil water content. The results showed that perennial grass pastures, especially PP+, extracted approximately 40 mm more soil water each year than the annual grass pastures. As a result, surface runoff, subsurface flow and deep drainage were at least 40 mm less from the perennial pastures. These measurements were further supported by a simulation of soil water deficit and deep drainage for AP– and PP+ paddocks, using 10 years' past meteorological records. Overall, the results suggested that well‐grown, phalaris‐based pastures could reduce recharge to groundwater and make pastoral systems more sustainable in the high rainfall zone.     

采煤扰动下潜水位及包气带水分变化特征

为更好地了解采煤扰动下潜水位及包气带水分变化规律,在陕北典型矿区开展了降雨、潜水位、包气带土壤含水率等水循环要素的野外原位观测试验,基于观测数据,采用Spearman秩相关系数检验、小波分析等方法,分析了未开采区及采空区潜水位和包气带水分的变化特征。结果表明：未开采区地下水位对于降水的响应明显且时间上存在4、5个月的滞后,采煤扰动后,地下潜水位持续下降,与降水响应关系微弱;在垂向上,未开采区较大降水可对100 cm以下埋深的土壤含水率产生影响,采空区土壤含水率总体减小,且同降水的响应程度不显著,含水率最大值相对于未开采区出现时间提前,50 cm以下埋深的土壤含水率对小强度降水无响应。采煤扰动潜水位下降后造成包气带增厚,包气带损耗的水量增加,随之造成降雨入渗补给地下水减少,进一步加剧了潜水位下降。     

THE WATER BALANCE OF AN AGRICULTURAL CATCHMENT III THE WATER BALANCE

The catchment of the Kingston Brook has an area of 57 km², mainly under pasture (56%) and arable crops (36%). Changes of soil water content, measured with a neutron probe from April 1969 to March 1973, were analysed to determine evaporation (summer only) and drainage. From measurements of rainfall and runoff, supplemented by Penman estimates of evaporation (in winter), water storage is estimated month by month. Annual mean values (mm) were: rainfall (559), evaporation (398), runoff (157). During the summer, the measured decrease in soil water storage contributed ca 100 mm to evaporation and drainage and there is evidence of delayed recharge (about 30 mm) during the winter. A linear relation between annual rainfall and annual runoff is interpreted in terms of (i) a fixed catchment storage (125 mm); (ii) a small and nearly constant winter evaporation (ca 49mm); (iii) summer evaporation of 125 mm from storage plus a constant fraction (0.57) of contemporary precipitation. Summer evaporation was restricted by the supply of rain in every year from 1969 to 1976. By estimation, 500 mm of summer rain is needed to maintain potential evaporation, and the deficit at which actual evaporation falls below the potential rate was about 40 mm. Replacing the pasture by cereals would increase runoff by about 10% because of the shorter growing season.