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华北平原是我国水资源严重短缺、供需矛盾突出的地区,同时该地区作为全国粮食的主要产区,需要依赖大量的地下水资源进行农田灌溉以维持粮食产量的稳定。近三十余年来,由于灌溉引起的地下水超采已导致当地地下水位连年下降,形成多处地下水位降落漏斗,给区域生态与环境带来沉重的负担。该地区的水资源问题一直是国内外水文界研究的热点与难点,因此在华北山前平原灌溉农田开展关于土壤水分动态特征的研究及准确估算降雨(灌溉)条件下的农田深层渗漏量对于查明区域的水量平衡和水资源可持续利用具有深远意义。
本文以华北山前平原井灌区农田作为研究对象,依托中国科学院栾城农业生态系统试验站的大埋深土壤水分剖面观测设施,开展连续1年的定位观测试验。结合研究区多年气象资料,同时通过定期采集深层土壤与水分样品,对该地区土壤水分动态特征和深层渗漏量进行了定量研究,获得的主要结论如下:
(1)土壤水分在剖面上的垂直分布受土壤质地组成所控制,同时在年内受降雨和灌溉的影响呈现一定程度的波动,伴随土层的加深,土壤水分的变异性呈减弱趋势。根区土壤水分受降雨(灌溉)和植物耗水的共同影响而剧烈变化,根系层下部土壤水分对降水的响应在时间上具有一定的延迟性;
(2)研究区剖面上的土壤水贮量在冬小麦-夏玉米种植模式下呈现出不同的动态变化特征。从根系层土壤来看:冬小麦完整生育期下的土壤水贮量表现为亏损,收获时的土壤水贮量较其播种时减少了约119mm,夏玉米在其整个生育期水贮量盈余113mm,土壤储水量变化的差异反映了降水和作物用水的季节性差异,及其对土壤水分动态的影响。在整个观测时期,研究区15.5 m深度的土壤剖面上有水分的盈余,土壤水贮量增加了216 mm,但小麦生育期和玉米生育期的水分变化对整个剖面水分盈余的贡献值不同;
(3)研究区的土壤水势剖面在年内的分布呈现出不同的季节性差异,冬季的土壤水分状态稳定,水势剖面变化较小;夏季变化大,反映出了土壤水能态对外界水分输入的响应。全年的土壤剖面上间断性出现水势梯度为零的零通量面,并在降雨(灌溉)较少的月份较为稳定。产生的零通量面类型包括入渗型、蒸发型及入渗-蒸发混合型,以混合型零通量面为主;
(4)溴示踪试验的结果很好的显示了研究区土壤水分入渗的过程,在为期1年的试验中,示踪剂浓度剖面上的浓度峰值较其投放初期下移了60 cm。根据Br-在土壤中的运移深度估算得到研究区全年接受到174 mm的水分补给量,降雨(灌溉)补给系数为0.195;
(5)利用氯元素质量平衡法估算得出,研究区在560 cm深度处的渗漏量为91mm(3月~9月)。该渗漏量可视为最终能够达到含水层对地下水产生补给的水量。