基于氘盈余分析季节性降水对浅层地下水的补给——以鹰潭孙家农田小流域为例

本研究基于氢氧稳定性同位素技术,分析了2012年4月至2014年3月孙家农田小流域降水、灌溉水和地下水的氢氧同位素季节变化规律,并应用δD-δ18O关系图和氘盈余质量平衡法分别确定了研究区浅层地下水的主要补给来源和季节性降水对地下水补给的贡献率。结果表明,研究区大气降水线方程为:δD=8.49δ18O+16.7(n=110,R2=0.98)。降水中δD(–113.3‰~7.5‰)和δ18O(–14.9‰~–0.9‰)季节性差异明显;地下水δD和δ18O(–45.3‰~–40.4‰和–7.29‰~–6.44‰)相对稳定;灌溉水δD和δ18O分别介于–66.2‰~–28.3‰和–9.17‰~–5.00‰,变化范围小于降水,大于地下水。在δD-δ18O关系图中,地下水各水样点主要分布在当地大气降水线附近,说明地下水主要受大气降水补给。降水中氘盈余(dexcess)介于1.3‰~23.7‰,夏半年(4—9月)dexcess平均值(10.8‰)显著低于冬半年(10—3月)dexcess平均值(17.1‰)。地下水氘盈余相对稳定,介于8.75‰~14.9‰,平均值为11.9‰。通过氘盈余质量平衡法计算得出,夏半年降水对地下水的贡献率为83%,而冬半年的贡献仅有17%,表明季节性降水对地下水补给的贡献差异显著,夏半年降水对地下水补给具有主导性作用。     

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。     

黄土塬区果园套种对土壤微生物及酶活性的影响

研究了黄土塬区塬面不同套种作物的幼树苹果园土壤微生物的分布和酶活性。结果表明，果园土壤中微生物的分布在果树行与套种行中是不均匀的，细菌和真菌多为果树行多于套种行；土壤的过氧化氢酶，蔗糖酶，脲酶以及中性磷酸酶活性在套种小麦的果园中以套作行高于果树行，而套种烤烟则使脲酶和中性磷酸酶活性有所降低。套种豆类有利于土壤肥力的均衡发展。     

基于氢氧稳定同位素的艾比湖流域地表水与地下水转化关系

地表水和地下水是水资源主要组成部分,研究干旱区地表水和地下水相互转化过程,对水资源的合理开发利用与评价具有重要的理论意义.选取艾比湖流域地表水和地下水为研究对象,分析其稳定同位素组成特征和分布规律,探讨不同水体间补给关系.结果表明:(1)艾比湖流域大气降水δ2 H和δ18 O表现出显著的季节变化特征,全年表现为冬季贫化...     

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。     

利用氮、氧稳定同位素识别地下水硝酸盐污染源研究进展

氮污染特别是地下水硝酸盐污染已成为一个相当普遍而重要的环境问题。地下水硝酸盐污染与人类健康和环境安全密切相关。为控制地下水硝酸盐污染,最根本的解决办法就是找到硝酸盐的来源,减少硝态氮向地下水的输送。由于不同来源的硝酸盐具有不同的氮、氧同位素组成,人们利用NO3-中δ15N和δ18O开展了硝酸盐污染源识别研究。本文综述了利用氮、氧同位素识别地下水硝酸盐污染源及定量硝酸盐污染源输入的研究进展及目前存在的问题,并提出几个值得重视的研究方向。     

基于稳定同位素和贝叶斯模型的引黄灌区地下水硝酸盐污染源解析

地下水硝酸盐（NO₃^-）污染已经成为全球严重的水环境问题之一,由于饮用水中高含量NO₃^-会转化成亚硝酸盐而增加各种疾病和癌症风险,其来源的确定对于NO₃^-污染的预防和控制非常重要。本文以黄河下游第二大灌区——潘庄灌区为例,首次采用NO₃^-的氮氧稳定同位素结合贝叶斯模型追溯地下水NO₃^-的来源并量化各种来源的贡献比例。结果表明,地下水NO₃^-含量分布在0.1~197.0 mg·L^-1,平均值为34.2 mg·L^-1。与《生活饮用水卫生标准》中规定的地下水NO₃^-最大含量[20 mg（N）·L^-1,相当于NO₃^-含量90 mg·L^-1]相比,有10%的样品NO₃^-含量超标。井深<30 m、30~60 m和>60 m的地下水NO₃^-平均含量分别为25.9 mg·L^-1、39.7 mg·L^-1和20.1 mg·L^-1。空间上,宁津县、武城县、平原县和禹城市有大片区域地下水NO₃^-含量较高。地下水NO₃^-的δ¹⁵N组成范围为0.72‰~23.93‰,平均值为11.62‰;δ¹⁸O组成范围为0.49‰~22.50‰,平均值为8.46‰。同位素结果表明粪便和污水、农业化肥是地下水中NO₃^-的主要污染来源。这反映了人类活动是引起地下水NO₃^-污染的主要原因。贝叶斯模型结果显示,粪便和污水对潘庄灌区地下水中NO₃^-平均贡献率高达56.2%,化肥的平均贡献率为19.3%,大气降水和土壤的平均贡献率分别为6.2%和12.3%。由于污水、粪便和化肥是地下水中NO₃^-的主要来源,为保护和改善研究区地下水水质,建议加强污水管道建设,强化畜禽粪便的管理以及提高化肥利用效率。     

黄土塬区不同栽培模式下玉米蒸腾耗水规律的研究

采用基于热平衡法的茎流计对黄土塬区两种栽培模式下(传统模式Ⅰ和改进模式Ⅱ)玉米(Zea mays L.)的茎流变化进行连续监测,并结合试验区自动气象站同步测定的太阳辐射、气温、相对湿度和风速等气象因子,分析了黄土塬区不同栽培模式下玉米蒸腾耗水规律及其与气象因子的关系。结果表明:两种模式下玉米植株的茎流速率都表现出与太阳辐射同步的昼夜变化规律,且模式Ⅰ植株茎流速率大于模式Ⅱ植株茎流速率;玉米的日茎流量在抽雄期达到最大并且均随生育期的推移逐渐变小,这与植株叶面积指数的变化基本一致;从抽雄期到蜡熟期,模式Ⅰ和模式Ⅱ玉米群体叶面蒸腾量分别为115.18 mm和119.47 mm,棵间蒸发量模式Ⅱ(39.41 mm)较模式Ⅰ(64.81 mm)减少了39.2%,表明改进模式优化了玉米群体的蒸腾蒸发比率,有利于玉米水分利用效率的提高。除风速外,两种模式下植株的日茎流速率与太阳辐射、水汽压差、空气温度和相对湿度均存在较好的相关关系,达到极显著水平。     

黄土塬区降水变化对冬小麦叶片形态和生物量的影响

明确降水变化对冬小麦叶片形态和生物量的影响,有助于了解冬小麦在水分环境变化条件下形态和产量上的响应。试验采用人工遮雨棚和自流滴灌系统来实时人工干预降水,研究了黄土塬区三种降水条件:正常降水(CK)、降水减少1/3(R-1/3)和降水增加1/3(R+1/3)下冬小麦不同生育期的叶片形态、生物量及株高变化。结果表明:降水增加,叶长相对变化较大,叶面积增加;降水减少,叶宽相对变化较大,叶面积减少。但叶形系数((叶长×叶最大宽)/叶面积)不受降水变化的影响,仅和冬小麦的生育期有关。降水增加,冬小麦的叶片、生物量以及株高均保持稳定的生长优势;降水减少,冬小麦叶片、生物量以及株高的生长呈现"先促后抑"的现象。不同降水处理的冬小麦生物量和叶面积均呈明显的线性正相关,减少降水处理的冬小麦生物量对叶面积变化最敏感。总之,在黄土塬区冬小麦通过叶片形态、叶面积和生长速率的改变来影响光合产物积累和产量形成,以适应不同的水分环境。     

黄土塬区高底墒条件下养分差别对冬小麦产量的影响

为研究底墒与施肥组合处理对冬小麦产量的影响,在黄土塬区王东沟小流域塬面农田开展田间试验。3个底墒水平土壤含水量比较高,其2 m土层相对含水量分别为72%,82%,94%;试验年份冬小麦生育期降水301 mm,超过多年平均值的39%。试验结果表明:不施肥时,产量因底墒不同差别较大,且底墒过高会造成产量与收获指数的下降,而施肥后冬小麦产量均显著提升,但底墒不同所致产量的差别减小;施肥可显著增加冬小麦穗数、穗粒数、千粒重、株高,提高水分利用效率与降水利用效率,耗水量虽有增加,但产量提高的程度更大;在试验年份的降水条件下,高底墒会造成土壤水分的深层渗漏,下渗深度可超过5 m。     

长武塬区涝池演变特征分析

[目的]基于黄土高原长武塬区涝池多年变化的调查数据,分析长武塬区涝池演变过程、特征与影响因素,以阐明其作为地表水体在补给地下水方面的可能作用。[方法]采用野外实地调查获取涝池数据。[结果](1)研究区域涝池数量和面积在调查时段内总体呈现缩小态势,其中20世纪80年代前变化相对平缓,其后缩小速率加快,2010—2014年涝池数量和面积年缩小速率均达到最大,分别为-5.71%和-4.80%。(2)随着经济社会的发展,涝池在农村中的地位愈来愈低,村落布局及管理上对涝池的忽视,导致大量涝池消失,而且现存涝池蓄水时段缩短,多为季节性蓄水。(3)研究区域涝池面积的缩小与地下水位下降有同样趋势,表现出一定的因果关系,这可以解释为涝池对地下水的补给量减少,可能影响到地下水位变化。[结论]在人类活动的影响下,长武塬区涝池减少严重,今后应予以一定程度的恢复与重建。     

长武塬区大气降水中氢氧同位素特征分析

通过测定长武塬区2005年降水水样的氢氧同位素组成,分析了该区降水氢氧同位素组成的基本特征。结果表明,长武塬区大气降水线方程为δD=7.44δ~(18)O 1.69,其斜率和截距与全球以及我国大气降水线相比均偏小,这与研究区地理位置和气候条件有关;降水氘盈余d值4—6月份较大,大于或接近10,7—10月份则小于10;以天为时间单位采集的次降水,其氢氧同位素组成的温度效应和降水量效应均不显著,而连续2 d长历时降水的雨量效应极显著;降水氢氧同位素组成季节变化明显,春季降水的氢氧同位素值较高,夏季同位素值降低,秋季同位素值最小,这在以次降水量为权重的加权平均值中表现得更加明显。     

黄土塬区农田土壤温度变化特征研究

根据长武农业生态试验站深剖面土壤水热观测场2011年的观测资料,分析了农田土壤温度日变化、季节变化特征及其与休闲地土壤温度的差异。结果表明:农田0—20 cm（冬季0—10 cm）土层土壤温度呈正弦曲线趋势变化;垂直剖面上,土层越深,土壤温度的日振幅越小;土壤日最高和最低温度出现的时间越晚。土壤温度的日振幅,春季最大,夏秋次之,冬季最小;土壤日最高和最低温度出现的时间春、夏季较早,秋季次之,冬季较晚。典型晴天的土壤温度的日变化曲线较典型阴天的平滑且土壤温度的日振幅较大。就季节变化而言,农田与休闲地土壤温度的季节变化趋势一致,但是农田0—70 cm土层的月平均最高温度出现的时间较休闲地有所滞后;农田0—110 cm间各土层的月平均最高温度低于休闲地0.6~1.5℃,月平均最低温度低于休闲地0.2~1.1℃。7—8月农田土壤日平均温度显著低于休闲地,而降雨会明显降低农田与休闲地的土壤温度差异。     

渭北黄土塬边大型黄土滑坡成因分析研究

在宝鸡渭河北岸黄土塬边大型滑坡灾害详细调查、工程勘察等工作基础上,分析了大型滑坡形成的地形地貌、地层岩性、地质构造、水的作用以及人类工程活动等因素,认为新构造活动孕育了滑坡发生的地形地貌环境,渭北黄土塬边100～200m的斜坡坡高、25°～45°的坡度和凸形坡形的地形地貌提供了滑坡发育的有力条件;黄土—阶地—三门组红黏土和黄土—三趾马红土—基岩两类斜坡结构,以及上新世三门组红黏土和三趾马红土易滑地层的存在和小型断层、构造节理裂隙对坡体完整性的破坏,直接控制着渭河北岸黄土塬边大型滑坡的发生与分布;水的作用和人类工程活动则是目前渭北大型滑坡发生的主要诱发因素。在此基础上,提出了渭北大型黄土滑坡的地面形态特征、失稳模式和滑坡动力效应等识别因素。     

黄土高原丘陵沟壑区流域不同水体氢氧同位素特征——以纸坊沟流域为例

为系统、全面地研究黄土高原丘陵沟壑区流域降水、地表水、土壤水的氢氧同位素特征,以纸坊沟流域为研究对象,通过测定流域范围内2015年3—9月降水、地表水、刺槐林土壤水和荒草地土壤水的氢氧同位素组成,分析了各水体氢氧同位素的δD-δ~(18) O关系和季节变化特征,阐明了土层深度、植被类型、坡向和坡位等下垫面因素对土壤水氢氧同位素的影响。结果表明:该流域当地大气降水线方程为δD=6.71δ~(18) O~-_3.22(n=18,R~2=0.96),地表水的蒸发线方程为δD=6.77δ~(18) O-5.32(n=13,R~2=0.72),土壤水的蒸发线方程为δD=3.50δ~(18) O~-_34.00(n=756,R~2=0.76);各水体δ~(18) O富集程度为:刺槐林土壤水≈荒草地土壤水降水地表水。降水与土壤水(刺槐林和荒草地)δ~(18) O季节效应明显,浅层50cm土壤水的平均传输时间约为1个月;地表水δ~(18) O变幅较小、组成均一、季节效应不明显,推断其为多次历史降水混合形成;4种下垫面因素对浅层50cm土壤水氢氧同位素影响程度为:土层深度坡向植被类型坡位。其中,土层深度对浅层土壤水δ~(18) O影响达到极显著水平。不同土层间土壤水δ~(18) O差异性随土层深度差值的增大而增大,且深度差超过15cm后呈极显著差异,推断纸坊沟流域地表15cm土层为受降水和蒸发影响的土壤水分活跃区。     

基于GCM的西北干旱区降水稳定氢氧同位素年际变化模拟

降水中稳定氢氧同位素（¹⁸O）和（D）是水循环过程的重要组成部分,也是气候的天然示踪剂。为了模拟不同时空尺度上降水稳定氢氧同位素的变化,大气环流模式（GCM）已经成为研究全球或区域水循环的有效途径。本文基于全球大汽降水同位素网络（GNIP）提供的实测数据和第2次稳定水同位素比较小组（SWING2）的模拟数据,运用回归分析法和同位素GCM对比分析了西北干旱区1986—2003年大气降水中稳定氢氧同位素的年际变化特征。结果表明:3个同位素监测站点乌鲁木齐、张掖和和田的年均δ¹⁸O_w线性倾向率分别为0.041,0.207,0.915‰/a,δD_w线性倾向率分别为0.767,0.026,0.120‰/a;如果只考虑暖季（5—9月）,则δ¹⁸O_w线性倾向率分别为-0.008,0.085,0.306‰/a,δD_w线性倾向率分别为-0.331,-1.390,-1.503‰/a。同时,采用SWING2中的GISS-E（MERRA）,GISS-E（NCEP）,isoGSM（NCEP）,LMDZ（free）,LMDZ（ECMWF）和MIROC（free）共6种同位素GCM模式得出的δ¹⁸O_w和δD_w的线性倾向率与回归分析法得到的结果相反。此外,分析了两种模拟方法得到的大气水线,发现各模拟结果中和田的大气水线斜率均高于乌鲁木齐和张掖。     

渭北黄土塬区滑坡发育特征及分布规律研究

该文利用野外调查、遥感解译、现场勘查等工作手段,分析了宝鸡渭河北岸黄土塬边滑坡的基本类型、发育特征及分布规律,宝鸡渭北黄土塬边滑坡主要受地质构造、河流侧蚀、地层岩性和人类活动等因素的影响,分布在渭河北岸、千河西岸、金陵河东岸、长寿沟等黄土台塬塬边斜坡地带,呈现不均衡性、成群成带性以及同一地点继发性与递进性等特点,滑坡发育分布密度最高可达96.8%。此外,滑坡类型主要有黄土层内滑坡、黄土接触面滑坡、黄土切层滑坡三种类型,以黄土切层滑坡最为发育,占渭北塬区滑坡的80%以上,这类滑坡滑动面主要位于阶地黏土层、三趾马红土层和三门组黏土层中或其表面,滑坡规模巨大,威胁严重。     

基于稳定氢氧同位素的黄土高原不同生长年限油用牡丹水分来源研究

[目的]探究油用牡丹的水分来源与用水策略,为合理种植、推广发展油用牡丹,提高牡丹成活率提供科学依据。[方法]以不同生长年份的2种油用牡丹为研究材料,利用稳定氢氧同位素探究其在春秋2个季节的水分来源。[结果]①由于根系更加发达,成年期油用牡丹的用水策略比幼年期有更强的自主选择性。春(旱)季,2种年龄油用牡丹都主要利用0—20 cm表层土壤水,但成年期(70.7%)比幼年期(61.8%)对水分的利用率更高。秋(雨)季,表层土壤含水量过高,成年期油用牡丹较幼年期则更趋向吸收深层土壤水分;②通过分析土壤含水率、油用牡丹吸收的不同来源水分的贡献率及它们之间的关系,可知贡献率越高的土层含水量越低。[结论]在黄土高原春秋2个季节,油用牡丹均倾向于吸收含水量较低土层水分,证明了其耐旱不耐涝的特性。     

黄土塬区氮磷配施对冬小麦光合作用、产量形成及水分利用的影响

在黄土高塬沟壑区,研究了不同施肥条件对冬小麦各个生育期的叶面积指数、光合作用、干物质积累、产量形成以及水分利用的影响,结果表明:与对照相比,施肥后小麦叶面积指数和光合速率都显著提高,同化作用增强,平均产量提高了47.6%,水分利用效率提高了24.6%。不同的肥料配施对冬小麦的干物质积累、产量以及水分利用效率的影响顺序基本一致,即高氮高磷>高氮低磷>低氮低磷>低氮高磷,但方差分析表明,在这种氮磷配施方案中起作用的主要是氮肥,磷肥的贡献不大,且二者并没有产生明显的交互作用。