淮北平原淺埋區(qū)地下水埋深對土壤水變化的影響研究

張曉萌，王振龍，杜富慧，胡永勝，路 璐(.河北工程大學，河北 邯鄲 0560；.安徽省

(水利部淮委)水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

土壤水作為四水轉(zhuǎn)化的中間紐帶[1]，影響蒸發(fā)、下滲、徑流、降雨補給地下水的過程，在水文循環(huán)中起著重要作用[2]，同時又將農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境緊密聯(lián)系在一起。土壤水分作為農(nóng)田管理的重要參數(shù)[3]，與地下水關(guān)系緊密，受多重因素影響[4-7]。近年來，已有眾多學者對土壤水分與地下水進行了研究。韓雙平等[8]在種植條件下通過控制水位埋深研究土壤水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系。馮紹元等[9]通過控制地下水位埋深研究其對地下水、土壤水轉(zhuǎn)化的規(guī)律分析。包含等[10]在對春玉米生長期的土壤水動態(tài)研究中表明地下水與土壤水之間存在明顯的水力關(guān)系。牛赟等[11]通過分析黑河中游荒漠過渡帶降雨、土壤水和地下水在年內(nèi)和年際的相關(guān)性，建立了三者之間的回歸模型。胡明等[12]通過對旱塬區(qū)不同地帶耕地土壤水分動態(tài)變化研究中表明土壤含水量受降雨、地下水位影響。Chen等[13]在對地下水對土壤水分和地表蒸發(fā)的影響研究中表明在淺埋區(qū)，地下水位的變化影響剖面含水量的分布，地下水位的空間變化能引起土壤水分的空間變異性。

已有研究成果中，很少利用作物生長期長系列資料分層建立土壤水與地下水埋深的相關(guān)關(guān)系，尤其在淮北地區(qū)少有研究。本文采用23年5日一次(每月逢1、6日)實測資料，分別對各土層土壤水與地下水埋深5日多年平均數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立了分層土壤水與地下水埋深的回歸模型，并采用2015和2017年實驗資料進行驗證。成果為淮北平原淺埋區(qū)合理調(diào)控地下水位，科學制定灌溉制度具有重大意義。

1 實驗概述

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣新馬橋鎮(zhèn)五道溝實驗站，地處東經(jīng)117°21′，北緯33°09′。屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，多年平均降雨量893 mm，汛期(6-9月)多年平均降雨量占年降水總量的62%，多年平均日照時數(shù)2 200～2 425 h，多年平均相對濕度為73%，五六月份最小，七八月份最大，多年平均風速3.0 m/s，多年平均氣溫13.5～14.9 ℃。該區(qū)屬于地下水位淺埋區(qū)，埋深變幅在1～3 m。土壤類型為砂姜黑土，占淮北平原總面積的54%。試驗區(qū)作物主要以旱作物為主，玉米和小麥輪作。玉米播種時間多在6月下旬開始，于10月上旬收割。

1.2 資料選取

實驗資料選取1992-2017年夏玉米生長期0～1.0 m各垂直土層深度大田土壤水數(shù)據(jù)。土壤水正常情況下采用土鉆每五天取樣一次(每月逢1、6日)，采用烘干法測定0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m各垂直土層平均含水率。地下水位資料選取大田觀測井數(shù)據(jù)，氣象資料(降雨量、氣溫、光照、風速、相對濕度)來自實驗站氣象場。本文土壤含水率、地下水位、氣溫按5日平均值計算，降雨量、光照按5日累計值計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水埋深對土壤水變化的影響

影響土壤水的因素主要有降雨、地下水位、蒸散發(fā)和下墊面條件等。地下水位變化受降水影響明顯，本文主要分析研究地下水埋深變化對土壤水分的影響。夏玉米生長期5日多年平均各土層土壤水隨時間變化過程線如圖1所示。由圖1可知，玉米生長期表層(0～0.1 m)土壤平均含水率變化最大。多年平均5日累計降雨量最大值在7月6日、7月11日、7月21日，其次為6月26日、7月26日、8月26日。在7月6日之前，其中表層和深層(0.8～1.0 m)波動較大，各層土壤含水率隨降雨的增大基本呈逐漸增大趨勢，該段時間玉米需水量小，蒸發(fā)量也小。7月6日降雨后，0～0.1和0.1～0.2 m土壤含水率基本降低，深層含水率增加，這是因為強降雨過后，地下水通過毛細管作用補給深層土壤水，降雨入滲使地下水位抬高，深層土壤含水率增大，而表層土壤水受蒸發(fā)影響較大，土壤含水率降低。多年平均5日累計降雨量7月21日最大，此時0.2～1.0 m土層基本達到最大值， 7月21日后各層土壤含水率呈逐漸減小趨勢。

夏玉米生長期1 m土層平均含水率與地下水埋深變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，0～1.0 m土層平均含水率與地下水埋深呈負相關(guān)關(guān)系，玉米生長期地下水埋深波動較大，尤其在7月份波動劇烈，地下水埋深逐漸變低，最低達到1.18 m，因為受降雨、蒸發(fā)影響較大。夏玉米各剖面土層含水率和地下水埋深均值和變異系數(shù)統(tǒng)計表見表1。由表1可知， 0～0.1和0.1～0.2 m土壤含水率最低，0.3～0.5 m土層最高，0.6～0.8和0.8～1.0 m土壤含水率較低，0～1.0 m剖面土層呈現(xiàn)先升高又降低的趨勢，推測研究區(qū)土壤零通量面大致位于0.3～0.5 m之間。0.6～0.8和0.8～1.0 m土壤含水率較低，且變幅較大，主要是地下水與土壤水交換頻繁所致。結(jié)合圖1，各層含水率與0～1.0 m土層平均含水率隨時間變化趨勢大致相同，與地下水埋深變化趨勢呈負相關(guān)關(guān)系。

圖1 夏玉米生長期5日多年平均各土層土壤水隨時間變化過程線Fig.1 The variation of soil water over time in the summer maize growth period

圖2 夏玉米生長期1 m土層平均含水率與地下水埋深變化曲線Fig.2 The variation curve of moisture content of 1 m soil layer and the depth of groundwater table in summer maize growth period

表1 夏玉米各剖面土層含水率和地下水埋深均值和變異系數(shù)統(tǒng)計表

Tab.1 Statistical table of mean and variation coefficient of soil moisture content and the depth ofgroundwater table in summer maize growth period

統(tǒng)計量質(zhì)量含水率/%0～0.1m0.1～0.2m0.2～0.3m0.3～0.4m0.4～0.5m0.5～0.6m0.6～0.8m0.8～1.0m0～1.0m地下水埋深/m均值19.7219.6921.9424.0023.8323.0622.2221.8622.041.80標準差1.220.981.151.421.401.281.381.511.210.40變異系數(shù)/%6.184.955.275.925.865.546.196.915.4922.30

2.2 土壤水和地下水埋深相關(guān)性分析

以上研究表明，在玉米生長期土壤水與地下水埋深存在明顯的負相關(guān)關(guān)系，利用SPASS19.0軟件分析土壤水與地下水埋深的相關(guān)性，玉米生長期各土層土壤含水率與各要素相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表見表2。由表2可知，隨著土層深度的增加，土壤水與地下水埋深相關(guān)性越大。0～0.1 m和0.1～0.2 m土層土壤含水率與地下水埋深在0.05水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.504和-0.518，0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土層平均含水率與地下水埋深則在0.01水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.681、-0.795、-0.860、-0.888、0.928、-0.913和-0.883。表層土壤含水率與降雨量中度相關(guān)，其余各層土壤含水率與降雨量、光照和氣溫相關(guān)性均較差。

表2 玉米生長期各土層土壤含水率與各要素相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表

Tab.2 Statistical table of correlation coefficient of soil moisture content and each factor in different soil layers during maize growing period

因子埋 深0～0.1m0.1～0.2m0.2～0.3m0.3～0.4m0.4～0.5m0.5～0.6m0.6～0.8m0.8～1.0m0～1.0m水位埋深-0.504?-0.518?-0.681??-0.795??-0.860??-0.888??-0.928??-0.913??-0.883??降雨量0.562??0.3560.1220.3480.3450.2140.2480.1310.339光照-0.377-0.303-0.210-0.297-0.282-0.169-0.148-0.200-0.274氣溫-0.116-0.270-0.433-0.100-0.171-0.375-0.290-0.293-0.252

注：*為0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**為在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.3 土壤水和地下水埋深模型構(gòu)建與驗證

對多年平均土壤含水率與地下水埋深進行回歸分析，結(jié)果見表3。由表3可知，0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土層含水率與地下水埋深使用線性函數(shù)或冪函數(shù)進行擬合時，擬合效果均較好，而0～0.1、0.1～0.2和0.2～0.3 m土層含水率與地下水埋深的擬合效果均較差。深層土壤含水率與地下水埋深呈非線性冪函數(shù)負相關(guān)關(guān)系，這與賈青[14]研究結(jié)果一致，呈線性關(guān)系則與劉景利[7]研究結(jié)果一致。因此，分別建立0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土層平均含水率與地下水埋深回歸模型。

表3 夏玉米生長期各土層平均土壤含水率與地下水埋深回歸分析結(jié)果

Tab.3 Results of regression analysis of soil moisture contentand the depth of groundwater table in various soillayers in summer maize growth period

土層深度/m線性回歸回歸方程R2乘冪回歸回歸方程R20～0.1S=-7.990D+22.4720.254S=D-0.139+21.2860.2210.1～0.2S=-4.440D+21.9200.261S=D-0.111+20.9340.2250.2～0.3S=-4.440D+25.4510.464S=D-0.159+23.9560.4040.3～0.4S=-2.814D+29.0590.632S=D-0.214+27.0240.5430.4～0.5S=-2.995D+29.2180.739S=D-0.233+27.1320.6780.5～0.6S=-2.829D+28.1500.788S=D-0.226+26.1650.7150.6～0.8S=-3.185D+27.9490.861S=D-0.268+25.7970.7790.8～1.0S=-3.438D+28.0410.834S=D-0.296+25.7680.7500～1.0S=-2.666D+28.8360.780S=D-0.223+24.9560.693

注：S為土壤含水率，%；D為地下水埋深，m；R2為擬合優(yōu)度。

采用乘冪回歸和線性回歸模型，并利用2015年和2017年資料驗證，驗證結(jié)果見表4。由表4可以看出，采用線性回歸方程驗證，各年份相對誤差較小，驗證效果較乘冪回歸方程好。

表4 夏玉米生長期土層平均含水率驗證結(jié)果表%

Tab.4 Verification results of moisture content of soil layersin summer maize growth period

回歸方程年份相對誤差0.3～0.4m0.4～0.5m0.5～0.6m0.6～0.8m0.8～1.0m0～1.0m線性回歸20151.352.362.033.316.4411.0520171.404.207.7012.9011.7016.40乘冪回歸201512.7418.3317.8921.5027.7918.14201716.1120.6824.6233.9934.2423.93

綜上所述，玉米生長期0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土層平均土壤含水率與地下水埋深呈線性負相關(guān)關(guān)系，可用函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=ax+b(a、b均為參數(shù))表示。

3 結(jié) 語

通過對淮北平原夏玉米時期分層土壤水對地下水埋深的影響研究，結(jié)論如下：

(1)玉米生長期表層(0～0.1 m)和深層(0.6～0.8和0.8～1.0 m)土壤平均含水率變化較大，各層含水率與1 m土層平均含水率隨時間變化趨勢大致相同，隨地下水埋深增大呈減少趨勢。

(2)相關(guān)性分析研究結(jié)果表明，隨著土層深度的增加，土壤含水率與地下水埋深相關(guān)性越大。0～0.1和0.1～0.2 m土層平均含水率與地下水埋深在0.05水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.504和-0.518。0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0和0～1.0 m土層平均含水率與地下水埋深在0.01水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.681、-0.795、-0.860、-0.888、0.928、-0.913和-0.883。

(3)深層(0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0、0～1.0 m)土壤平均含水率與地下水埋深呈線性負相關(guān)或非線性冪函數(shù)負相關(guān)關(guān)系，擬合結(jié)果均較好。線性函數(shù)擬合優(yōu)度分別為0.632、0.739、0.788、0.861、0.834和0.780，冪函數(shù)擬合優(yōu)度分別為0.543、0.678、0.715、0.779、0.750和0.693。采用線性函數(shù)和冪函數(shù)驗證時，線性函數(shù)相對誤差較小。通過比較，深層土層平均含水率與地下水埋深均呈線性函數(shù)關(guān)系，可用函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=ax+b(a、b均為參數(shù))表示。

本文從玉米生長期研究了淮北平原淺埋區(qū)地下水埋深對土壤水的影響，分層建立了土壤水與地下水埋深的回歸模型，只考慮地下水埋深整體的影響，未考慮分級地下水埋深對分層土壤水的影響及在深埋區(qū)的適用性，有待進一步研究。