張豪強，朱永華，呂海深，茍琪琪

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院/水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098）

淮北平原地處黃淮海平原南側(cè)，歷來是中國重要的糧、棉、油、麻、果產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)雖然降水資源較為豐富，但水資源擁有量僅為3 585 m3/hm2，不足安徽?。?5 435 m3/hm2）的1/4，而且降水70%以上集中在夏季，多以暴雨形式出現(xiàn)，造成降水的總體利用效率不高。同時淮北平原地下水位埋深較淺，土壤水和地下水交換頻繁，導(dǎo)致水循環(huán)過程較復(fù)雜［1］。為此，研究淮北平原降水、土壤水、地下水“三水”的周期變化特征和相互轉(zhuǎn)化關(guān)系等水文過程及水資源構(gòu)成比例，可以為提高水資源利用率、規(guī)范灌排制度、有效解決中國農(nóng)業(yè)水資源短缺問題提供參考資料和基本依據(jù)［2］。

關(guān)于降水、土壤水、地下水的相關(guān)研究屬于水文學(xué)領(lǐng)域［3］，是陸面水文循環(huán)的一個主要部分。20 世紀(jì)50 年代末期開始，隨著近代水文學(xué)發(fā)展，概念性水文模型得以廣泛應(yīng)用［4］。到了20 世紀(jì)80 年代初，水資源試驗研究逐步揭示了降水、地表水、土壤水和地下水的相互作用關(guān)系［5］。目前對于降水-土壤水-地下水三者之間關(guān)系的研究方法較多［2，6-8］。雖然前人對于降水、土壤水和地下水的關(guān)系已做了很多研究，但大多基于月尺度或年際尺度，很少有人專門針對作物生長期進行日尺度的研究。土壤水在“三水”轉(zhuǎn)化過程中占據(jù)重要地位，是聯(lián)系地表水和地下水的紐帶，因此本研究通過在五道溝試驗站對夏玉米全生育期的土壤水分進行2 年的實時監(jiān)測，利用特征參數(shù)算法以及相關(guān)分析方法探討了淮北平原砂姜黑土區(qū)土壤水分對降水和地下水的響應(yīng)，以期為探索砂姜黑土區(qū)水循環(huán)過程、提高水資源利用率、指導(dǎo)該地區(qū)灌溉提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在淮北平原五道溝水文水資源試驗站進行。該試驗站位于安徽省蚌埠市北25 km 處的新馬橋原種場境內(nèi)。試驗區(qū)土壤為砂姜黑土，0~80 cm土層平均田間持水率為38.89%，凋萎含水率為21.5%，玉米一直是當(dāng)?shù)氐闹饕r(nóng)作物之一。

1.2 試驗設(shè)計

試驗時間為 2016 年 6—10 月、2017 年 6—9 月。試驗區(qū)2015 年秋季種的是花生，2016 年上半年休耕。供試夏玉米品種為聯(lián)創(chuàng)808，試驗田耕作方式為深松耕作秸稈還田。深松耕作采用振動式深松機深松一遍，作業(yè)深度40 cm，隨后耙地2 遍；秸稈還田是冬小麥成熟后機械化收獲的同時將冬小麥秸稈粉碎（3~5 cm）后覆蓋地表還田（深度20 cm），本次還田量是4 500 kg/hm2，玉米貼茬播種。試驗小區(qū)面積為 3 m×5 m，重復(fù) 2 次，尿素施用 600 kg/hm2，專用肥（NPK 復(fù)合肥）施用600 kg/hm2。為保證玉米的正常生長，2016 年設(shè) 2 次灌水，分別在 8 月 12 日和 8 月 30日，2017 年設(shè) 1 次灌水，在 8 月 20 日，以手拿噴灌的方式進行灌溉，每次澆水30 mm，玉米生育期間按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進行田間管理。2016 年夏玉米于6 月23 日播種，2017 年于 6 月 1 日播種。

1.3 測定項目與方法

在玉米生長過程中采用HOBO 土壤水分測定儀分層實時測定0~80 cm 土層的土壤含水量（以體積含水率表示），每小時讀取一次數(shù)據(jù)，每20 cm 為一層，共4 層，測量每層中間土壤值。

降水從五道溝水文試驗站氣象場獲取。地下水?dāng)?shù)據(jù)選用五道溝水文站I2 井?dāng)?shù)據(jù)，I2 井采用自記水位計記錄地下水位變化過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水對降水和地下水的響應(yīng)

2.1.1 土壤含水量對降水的響應(yīng) 土壤含水量受降水、蒸發(fā)、地下水埋深、土壤質(zhì)地、前期土壤含水量和作物類型等多種因素的影響，其中平原地區(qū)影響土壤水分變化的一個主要因素是降水量［9］。從圖1 可以看出，除了2017 年出苗期至拔節(jié)期的10 cm 土壤含水率最高外，其余各生長期的各深度土壤含水率大體表現(xiàn)為70 cm>30 cm>10 cm>50 cm。從圖1 還可以看出，2016 年生長季的降水量明顯少于2017 年的降水量。受降水量的影響，不同年份的土壤含水率呈現(xiàn)出不同的動態(tài)變化特征。降水總量對土壤含水率的影響體現(xiàn)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；在整個夏玉米生長季，2016 年的土壤水分呈下降趨勢，而2017 年呈上升趨勢；但在生長初期，2016年的土壤含水率較2017 年高。

表 1 是 2016 年和 2017 年的月降水量，2016 年生長季6—9 月的降水總量為347.7 mm，而2017 年6—9 月的降水總量為 707.2 mm，約為 2016 年的 2 倍，因此在整個生長季節(jié)，2016 年土壤含水量呈下降趨勢，而2017 年呈上升趨勢。從表1 可以看出，2016年1—5 月降水總量較2017 年大，因此2016 年前期土壤水儲量也較大，這也是導(dǎo)致2016 年30、50、70 cm 土壤含水量較高以及生長季初期2016 年的土壤含水量較高的原因。

表1 月降水量 （單位：mm）

降水強度對土壤含水率的影響體現(xiàn)在：單次降水量較大時，土壤各層含水量都迅速增加（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），因為降水強度大，可以迅速入滲到土壤深層，補給10~100 cm 土壤含水層。而單次降水量較小時，降水僅對表層土壤水有影響，且該地區(qū)大部分土壤為砂姜黑土，該土壤具有質(zhì)地黏重、孔隙小、通透性差等特性，因此小雨強降水并不能很快補給到深層土壤，所以雨強較小的降水僅對表層土壤含水量有擾動（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，表層土壤含水量對降水的變化最為敏感。

2.1.2 土壤含水量對地下水埋深的響應(yīng) 地下水埋深是影響土壤水分空間變異的重要因素之一［10］。從圖2 可以看出，生長季初期2016 年的地下水埋深為0.5~1.0 m，小于2017 年的2.0 m，但在整個生長期內(nèi)2016 年的地下水埋深呈增大趨勢，而2017 年的地下水埋深逐漸減小。這與前文所述的生長期內(nèi)土壤水分的變化趨勢剛好相反。2016 年生長季的土壤含水量呈下降趨勢而地下水埋深呈增大趨勢，這可能是由于2016 年1—5 月的降水總量較多，有充足的降水入滲補給地下水，因此地下水位較高，即地下水埋深較淺，而到了生長季，隨著作物耗水量的增大，土壤含水量逐漸減小，降水全部轉(zhuǎn)化為土壤水而無法補給地下水，此時又由于地下水埋深較淺，潛水蒸發(fā)量大，因此又有一部分地下水補給土壤水，所以經(jīng)過一個生長期后地下水位下降，地下水埋深增大。2017 年生長季的土壤水分呈上升趨勢同時地下水埋深呈下降趨勢，這可能是由于2017 年2—5 月降水量小，潛水蒸發(fā)大，所以生長季初期地下水埋深較大，達到了 2.0 m 以上；而 8 月、9 月的降水量超過了200 mm，使得地下水得到了補給，地下水位抬升，從而地下水埋深減小。

2.1.3 土壤含水量和地下水埋深的統(tǒng)計分析 表2和表3 分別列出了2016 年和2017 年夏玉米生長期內(nèi)剖面各層土壤含水率、地下水埋深的統(tǒng)計情況。統(tǒng)計結(jié)果表明，2 年的夏玉米生長期內(nèi)50 cm 土壤含水率均最低，70 cm 土壤含水率均最高，整個剖面土壤含水率呈先降低后升高的變化趨勢。由變差系數(shù)可以看出，2016 年表層土壤含水率變化較劇烈，而2017 年70 cm 土壤含水率變幅較大。這可能是由于2016 年生長期內(nèi)降水量較少，因此僅對表層土壤水的擾動較大，而2017 年生長期降水量多，雨強大，降水能迅速入滲到70 cm 土壤層，因此對70 cm 土壤水分的擾動更大。2016 年地下水埋深變差系數(shù)高達45.09%，而2017 年為36.81%，因此2017 年地下水埋深較穩(wěn)定，而2016 年地下水埋深波動較大，說明2016 年的土壤水和地下水交替更頻繁，可能與2016年生長期內(nèi)降水量較少以及生長初期地下水埋深較淺有關(guān)。

表2 2016 年夏玉米生長期剖面各層土壤含水量、地下水埋深統(tǒng)計情況

表3 2017 年夏玉米生長期剖面各層土壤含水量、地下水埋深統(tǒng)計情況

2.2 降水-土壤水-地下水的相關(guān)性分析

因為2016 年土壤水和地下水的交替更頻繁，因此選取2016 年夏玉米生長期的降水、土壤水和地下水?dāng)?shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。

一般地，相關(guān)系數(shù)|r|>0.95 表示存在顯著相關(guān)；0.80≤ |r|≤0.95 為高度相關(guān)；0.50≤ |r|<0.80 為中度相關(guān)；0.30≤ |r|<0.50 為低度相關(guān)；|r|<0.30 為關(guān)系極弱，認為不相關(guān)。從表4 可以看出，降水和土壤水的相關(guān)系數(shù)較低，因此降水和土壤水之間的關(guān)系不能用簡單的線性相關(guān)來表述。因為作物生長期土壤含水量還主要受前期土壤含水量、蒸發(fā)、植物蒸騰和土壤質(zhì)地等因素的影響。降水和地下水埋深之間也不存在簡單的線性相關(guān)關(guān)系，因為在自然狀況下，由于受土壤質(zhì)地、降水、植被、地下水埋深以及毛管作用等諸多因素影響，降水入滲補給地下水過程很復(fù)雜，規(guī)律性比較差［11］。10 cm 土壤含水率與 30 cm 土壤含水率相關(guān)系數(shù)最大，為中度相關(guān)；50 cm 土壤含水率與30 cm 土壤含水率相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達0.840，為高度相關(guān)；70 cm 土壤含水率也與30 cm 土壤含水率相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)系數(shù)達0.803，為高度相關(guān)，所以 10、50、70 cm 土壤含水率都與 30 cm 土壤含水率相關(guān)性最好。地下水埋深和各層土壤含水率都呈負相關(guān)，且與30 cm 土壤含水率的相關(guān)系數(shù)最大，達-0.548，屬于中度相關(guān)。

表4 降水-土壤水-地下水的相關(guān)系數(shù)

2.3 雨期土壤水蓄變量與降水的相關(guān)性分析

由于作物生長期土壤含水量不僅受降水影響，還主要受前期土壤含水量和作物蒸騰等因素的影響。為了排除前期土壤含水量的干擾，現(xiàn)僅分析作物生長期內(nèi)降水時各層土壤水的蓄變量與降水量的相關(guān)關(guān)系。從表5 可以看出，降水量僅與10 cm 土壤水蓄變量的相關(guān)系數(shù)較大，呈中度相關(guān)，而與30、50、70 cm 土壤水蓄變量都僅呈低度相關(guān)。這說明該地區(qū)土壤水分受蒸發(fā)、地下水埋深、土壤質(zhì)地、前期土壤含水量和作物類型等因素的影響很大。

表5 雨期土壤水蓄變量與降水的相關(guān)系數(shù)

3 小結(jié)

1）降水總量對土壤含水量有影響。作物生長期以前的降水對深層土壤水分的影響較大。2016 年1—5 月降水較多，而6—9 月降水較少，但在整個生長期內(nèi)，2016 年30~70 cm 的土壤含水量仍然較2017年大。2017年生長期以前降水較少而生長期降水量大，2017年整個生長期內(nèi)土壤含水量呈上升趨勢。

2）降水強度對土壤含水量的影響表現(xiàn)為雨強較小的降水僅對表層土壤含水量有擾動，因此表層土壤含水量對降水的變化最為敏感。

3）作物生長期內(nèi)土壤水分變化趨勢與地下水埋深變化呈相反趨勢，這主要與降水和生長期前地下水位埋深有關(guān)。降水量越大，土壤水分越大，地下水位埋深就越淺；生長期前地下水位埋深越淺，潛水蒸發(fā)越大，土壤水分也越大。

4）研究區(qū)夏玉米生長期內(nèi)50 cm 土壤含水率最低，70 cm 土壤含水率最高，整個剖面土壤含水率呈先降低后升高的變化趨勢。2016 年生長期降水量少，生長初期地下水埋深較淺，因此2016 年土壤水和地下水交替更頻繁。

5）該地區(qū)土壤水分受蒸發(fā)、地下水埋深、土壤質(zhì)地、前期土壤含水量和作物類型等因素的影響很大，因此研究區(qū)降水與土壤水的相關(guān)系數(shù)較低，降水與土壤水之間的關(guān)系不能用簡單的線性相關(guān)來表述。降水僅與10 cm 土壤水蓄變量的相關(guān)系數(shù)較大，呈中度相關(guān)。10、50、70 cm 土壤含水率都與 30 cm 土壤含水率相關(guān)性最好。地下水埋深和各層土壤含水率都呈負相關(guān)，且與30 cm 土壤含水率的相關(guān)系數(shù)最大，因此30 cm 土壤水對地下水埋深有指示性意義。

6）本試驗只研究了土壤水對降水和地下水的響應(yīng)，提出了該研究區(qū)降水、土壤水以及地下水埋深之間的關(guān)系不能用簡單的線性關(guān)系來描述，在接下來的研究中還應(yīng)借助模型得出“三水”之間的量化關(guān)系，定量描述降水、土壤水以及地下水埋深之間的轉(zhuǎn)化。