張文聰 史海濱 李仙岳 李 禎 周 慧 王維剛

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.高效節(jié)水技術(shù)裝備與水土環(huán)境效應(yīng)內(nèi)蒙古工程研究中心， 呼和浩特 010018)

0 引言

河套灌區(qū)作為典型的引黃灌溉特大型灌區(qū)[1]，生態(tài)環(huán)境較為脆弱[2]，土壤鹽漬化一直是困擾灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要問題[3-4]。其核心是河套灌區(qū)乃至整個(gè)黃河流域水資源開發(fā)利用中復(fù)雜種植條件下的引、耗、排水過程問題[5]。土壤水分運(yùn)移是決定土壤鹽分變化的主要因子[6]，地下水作為鹽分運(yùn)移的載體和動(dòng)力，與土壤水鹽運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切[7]。河套灌區(qū)地下水埋深較淺，和土壤水界限不明確[8]，二者相互轉(zhuǎn)化十分頻繁，具有典型的灌溉型特征。土壤水-地下水界面水分轉(zhuǎn)化是農(nóng)田水均衡的重要組成部分[9]，灌溉活動(dòng)對(duì)研究區(qū)水循環(huán)影響較為顯著，灌溉事件發(fā)生后的土壤水和地下水會(huì)呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律[10]。楊建鋒等[11]認(rèn)為在地下水淺埋區(qū)難以將地下水和土壤水分開，人為割裂開來不符合自然實(shí)際，將二者作為一體稱為地下水土壤水資源更為合適。結(jié)合灌水事件將地下水和土壤水統(tǒng)一進(jìn)行研究更符合河套灌區(qū)實(shí)際現(xiàn)狀。

近年來，河套灌區(qū)又面臨新的形勢(shì)，由于指令性節(jié)水，引水總量減少20%以上[12]，農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾加劇，合理利用水資源對(duì)灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義[13]，灌溉引水量的減少勢(shì)必會(huì)打破區(qū)域水分平衡體系以及影響灌區(qū)農(nóng)田的水文循環(huán)過程[14]。在新的約束限制條件下，厘清干旱淺埋深河套灌區(qū)農(nóng)田水循環(huán)特征和水量均衡規(guī)律是制定用水管理決策的前提，同時(shí)也是實(shí)行有效的灌排管理和完善灌排系統(tǒng)的必要條件。

針對(duì)地下水位[15-16]和土壤水分[17-19]的變異性和空間分布及其影響因素已有了相關(guān)研究，研究成果可為農(nóng)田灌溉管理及調(diào)控地下水位提供有效的科學(xué)指導(dǎo)。淺埋深灌區(qū)灌溉水、地下水與土壤水的聯(lián)合調(diào)配是實(shí)現(xiàn)河套灌區(qū)水資源合理開發(fā)利用、防治土壤鹽漬化等多目標(biāo)綜合治理的有效途徑。全面了解土壤水分及地下水動(dòng)態(tài)是掌握土壤水均衡要素、循環(huán)規(guī)律與水分轉(zhuǎn)化關(guān)系的前提和基礎(chǔ)，對(duì)加強(qiáng)水資源的集約管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[20]。河套灌區(qū)實(shí)際灌溉用水資源調(diào)配基本是在區(qū)域尺度上進(jìn)行的[21]。針對(duì)區(qū)域水循環(huán)要素的分析，郝芳華等[22]認(rèn)為灌區(qū)內(nèi)的水循環(huán)過程為灌溉降水-下滲-潛水蒸發(fā)類型，降水對(duì)其影響較小，以灌溉水的垂直入滲和潛水的蒸發(fā)蒸騰消耗為主，這與杜麗娟等[23]在河套灌區(qū)解放閘灌域運(yùn)用干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型定量分析水循環(huán)特征得出的結(jié)論基本符合。因此在河套灌區(qū)水量分配發(fā)生改變，作為灌區(qū)主要水量消耗的農(nóng)業(yè)耗水以及區(qū)域水土環(huán)境必然會(huì)受到影響的背景下，本研究以河套灌區(qū)典型地區(qū)作為研究對(duì)象，分析不同年份研究區(qū)內(nèi)主要作物田塊的土壤水和地下水動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)定量分析研究區(qū)的水循環(huán)特征，旨在為現(xiàn)有灌溉制度運(yùn)行下的灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)的灌溉用水管理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)上游解放閘灌域中東部，屬于沙壕渠灌域斗渠尺度的灌排系統(tǒng)，其土壤條件、種植結(jié)構(gòu)等在灌區(qū)均具有典型特征。地處東經(jīng)107°9′18″～107°10′23″、北緯40°55′15″～40°56′53″，控制總面積約為331.89 hm2。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，干旱少雨，年平均降水量為139～222 mm[24]，近90%的降水發(fā)生在5—9月；蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)量為1 900～2 500 mm(20 cm蒸發(fā)皿)[25]。研究區(qū)地形較為平緩，整體地勢(shì)呈東南高，西北低，土壤以粉砂壤土為主，透水性較好，適宜耕種，主要作物有玉米、小麥、向日葵等。研究區(qū)及周邊一定范圍內(nèi)，地形平整，地面坡度較為平緩。研究區(qū)示意圖見圖1。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of study area and sampling points

研究區(qū)種植作物和荒地在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)呈插花分布(圖2)。通過野外實(shí)際考察并結(jié)合Google earth衛(wèi)星圖像的目視解譯，確定2019年和2020年各土地類型面積統(tǒng)計(jì)如表1所示，其中將路溝渠面積及比例合算在村莊面積及比例中。

圖2 研究區(qū)2019年和2020年種植結(jié)構(gòu)分布圖Fig.2 Distribution maps of planting structure in study area in 2019 and 2020

表1 研究區(qū)不同土地利用類型面積及比例Tab.1 Area and proportion of different land use types in study area

1.2 試驗(yàn)方法

野外監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分為研究區(qū)土壤水分監(jiān)測(cè)、地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)和灌排水量監(jiān)測(cè)。

土壤水分監(jiān)測(cè)：在研究區(qū)以200 m×200 m網(wǎng)格均勻布置58個(gè)土壤水分定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)。采用GPS定位，進(jìn)行土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋了主要作物農(nóng)田和天然荒地。每15 d進(jìn)行1次土壤水分監(jiān)測(cè)，同時(shí)在灌水前1 d與灌水后3 d進(jìn)行加測(cè)，根據(jù)實(shí)際灌水、降水情況，調(diào)整取樣時(shí)間。取樣層次分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和 80～100 cm共5層。對(duì)采集的樣品采用稱重法測(cè)定土壤含水率[26]。研究區(qū)土壤容重、土壤粒徑級(jí)配見表2。

地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)：在研究區(qū)共布設(shè)8眼地下水觀測(cè)井，每5 d用卷尺直接測(cè)量地下水觀測(cè)井內(nèi)水位埋深，并在灌溉前1 d與灌水后3 d加測(cè)[27]。

灌排水量監(jiān)測(cè)：灌排水量監(jiān)測(cè)是在研究區(qū)斗渠和各農(nóng)渠渠首均設(shè)置流量觀測(cè)點(diǎn)，生育期每次灌水時(shí)，用便攜式流速儀(FP111型，美國Global Water公司)每30 min測(cè)定斗渠渠首流量以及各農(nóng)渠渠首流量，同時(shí)在一斗溝排水溝出口監(jiān)測(cè)退排水量，選取種植向日葵、玉米、小麥的典型田塊，每種作物選3塊，用梯形量水堰監(jiān)測(cè)進(jìn)入典型作物田塊的水量，記錄梯形堰斷面水位，每5～10 min記錄1次，直到農(nóng)戶停止灌溉。氣象資料由沙壕渠試驗(yàn)站小型氣象站提供，部分氣象資料從國家氣象信息中心網(wǎng)站下載。通過野外實(shí)地監(jiān)測(cè)調(diào)查和沙壕渠試驗(yàn)站提供的歷史資料對(duì)研究區(qū)的用水管理詳情進(jìn)行調(diào)查。

表2 研究區(qū)典型觀測(cè)點(diǎn)土壤理化性質(zhì)Tab.2 Soil physical properties of typical observation points in study area

1.3 土壤儲(chǔ)水量計(jì)算

根據(jù)土壤分層，土壤儲(chǔ)水量計(jì)算式為

(1)

式中Wi——第i層土壤儲(chǔ)水量，mm

γi——第i層土壤的干容重，g/cm3

hi——第i層土壤的厚度，cm

θi——第i層土壤質(zhì)量含水率，%

1.4 蒸散量計(jì)算

研究區(qū)不同田塊騰發(fā)量采用作物系數(shù)法計(jì)算，計(jì)算式為

ETa=KcET0

(2)

式中Kc——無水鹽脅迫、耕作和水管理?xiàng)l件良好下的作物系數(shù)，根據(jù)前人在河套灌區(qū)主要作物系數(shù)的研究成果[28]，確定不同生長(zhǎng)階段作物系數(shù)Kc

ET0——參考作物騰發(fā)量，mm，可由氣象數(shù)據(jù)通過修正后的Penman-Monteith公式計(jì)算得出

1.5 地下水與土壤水交換量計(jì)算

圖3 2019年和2020年生育期不同作物田塊土壤含水率變化曲線Fig.3 Change curves of soil moisture content during different crop growth periods in 2019 and 2020

在研究區(qū)及周邊一定范圍內(nèi)，地形平整，地面坡度較為平緩，加之周邊農(nóng)田種植與研究區(qū)相近，灌溉過程基本相同。研究區(qū)地下水水力梯度小，側(cè)向徑流較為穩(wěn)定，認(rèn)為地下水流入量與地下水流出量近似相等。加之研究區(qū)四周溝渠及地界邊界較為清晰，可認(rèn)為研究區(qū)與外界無水量交換。在垂直方向，土壤水均衡的補(bǔ)給項(xiàng)主要是灌溉水量、有效降水量、地下水補(bǔ)給量；消耗項(xiàng)主要是土壤蒸發(fā)量和作物蒸騰量。在一定時(shí)段內(nèi)，研究區(qū)土壤水量均衡關(guān)系式為

ΔW=P+I+ΔQ-ET

(3)

式中 ΔW——土壤蓄水變化量，mm

P——降水量，mm

I——灌溉水量，mm

ΔQ——地下水補(bǔ)給量，mm

ET——區(qū)域騰發(fā)量，mm

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤水動(dòng)態(tài)

土壤水是地表以下至潛水面以上的非飽和帶中的水分[29]，綜合反映了灌溉事件、氣候、土壤、作物之間相互作用對(duì)水分平衡的影響，是優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)和揭示土壤鹽漬化演化機(jī)制的關(guān)鍵性因子[30]。本研究選取2019年和2020年生育期內(nèi)的5次灌水事件為研究時(shí)段，分析研究區(qū)主要作物(向日葵、玉米、小麥)田塊的不同土層土壤含水率動(dòng)態(tài)變化，見圖3。

由于河套灌區(qū)特殊的灌溉制度，生育期內(nèi)研究區(qū)劇烈的農(nóng)田土壤含水率動(dòng)態(tài)變化主要集中在灌水前后，各類作物田塊不同深度土層的土壤含水率均發(fā)生了較為明顯的波動(dòng)，灌水定額不同，波動(dòng)幅度并不相同。直觀地看，0～20 cm土層土壤含水率波動(dòng)最為劇烈且幅度最大。灌水前，騰發(fā)作用使得下層土壤水分在毛管作用和擴(kuò)散作用下對(duì)上層土壤水分進(jìn)行補(bǔ)給，但土壤含水率仍呈隨深度增加而增加的剖面形態(tài)。灌水后，0～40 cm土層土壤含水率迅速增加，隨后灌溉水入滲補(bǔ)給會(huì)使40～100 cm土層土壤含水率增加，土壤水在灌溉降水和騰發(fā)的共同作用下進(jìn)行了顯著而復(fù)雜的重分布過程?？傮w來講，0～40 cm土層土壤含水率受灌溉降水和騰發(fā)作用影響較大；40～100 cm土層土壤受灌溉入滲、潛水蒸發(fā)及作物根系耗水影響較大。40～100 cm土層土壤含水率變動(dòng)相對(duì)較小，造成這一現(xiàn)象的另一原因是生育期內(nèi)除了第3水對(duì)所有作物灌溉，每次灌水只針對(duì)相應(yīng)作物灌溉，形成了對(duì)研究區(qū)的局部灌溉。灌溉田塊的地下水位會(huì)明顯高于未灌溉田塊地下水位，產(chǎn)生的水力梯度驅(qū)使地下水從灌溉田塊向未灌溉田塊遷移，這部分遷移的地下水的潛水蒸發(fā)作用會(huì)補(bǔ)給未灌溉田塊深層土壤水。

從時(shí)間變化趨勢(shì)來看，凍融期結(jié)束后，土壤凍層融化對(duì)生育初期土壤水分進(jìn)行了補(bǔ)充，生育期前兩次灌水間隔較短，第1水為針對(duì)向日葵地的春灌和小麥苗期灌溉，第2水的灌溉作物相同但灌水總量減少。生育初期騰發(fā)作用相對(duì)較弱且降水量較少，灌水是該階段土壤含水率變化的主要影響因素。2年的向日葵和小麥田塊0～100 cm土層土壤含水率顯著增加，地下水通過毛細(xì)作用進(jìn)入玉米田塊，也使其深層土壤含水率有所增加。第3水為全面灌溉，玉米田塊在生育期內(nèi)得到第1次灌溉，灌后0～40 cm土層土壤含水率顯著增加。進(jìn)入生育中期會(huì)迎來降水集中期和高峰期，降水對(duì)土壤水的補(bǔ)給使得表層土壤出現(xiàn)明顯波動(dòng)，第4、5次灌水使灌溉田塊的整體土壤含水率產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。但直到生育期結(jié)束，騰發(fā)作用會(huì)一直持續(xù)并加劇消耗土壤水，表現(xiàn)為各作物田塊整體土壤含水率在波動(dòng)中持續(xù)降低。

不同作物的生育期、灌水日期、灌水量、根系長(zhǎng)度及發(fā)達(dá)程度不盡相同，對(duì)土壤水分的消耗不同。相較于向日葵和小麥，玉米的生育期最長(zhǎng)，向日葵和小麥有大量的土壤水分消耗于播種前和收獲后的裸土蒸發(fā)。例如小麥到7月中下旬收獲后地表裸露導(dǎo)致蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，在秋澆前無灌溉補(bǔ)充，深層土壤會(huì)向上補(bǔ)充水分，因此深層土壤含水率相較于向日葵和玉米會(huì)相對(duì)較低。不同作物田塊土壤水分的劇烈變化主要集中在其對(duì)應(yīng)的灌水事件前后，生育期內(nèi)各作物的灌水時(shí)間不同，其中向日葵由研究區(qū)第1、3、4水灌溉，玉米由第3、4、5水灌溉，小麥則由前3水進(jìn)行灌溉。玉米和向日葵的灌水量較為充足，小麥的灌水量相對(duì)較少，從圖3中也可看出各類作物的灌水次數(shù)、灌水量以及灌水時(shí)間。玉米和向日葵主要根系均在0～100 cm內(nèi)，主要消耗0～100 cm土層土壤水分，而小麥根系相對(duì)較短，對(duì)土壤水分的消耗主要集中在40 cm以上。每年作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整、降水等也會(huì)對(duì)灌溉事件產(chǎn)生一定影響，厘清不同年份不同作物田塊土壤含水率在生育期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于指導(dǎo)灌溉具有現(xiàn)實(shí)意義。在研究區(qū)及河套灌區(qū)這樣的地下水淺埋深區(qū)，生育期內(nèi)主要作物的土壤含水率在灌水、降水補(bǔ)充及騰發(fā)消耗作用下呈現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)變化，其變化屬于“灌溉降水入滲補(bǔ)充-騰發(fā)消耗型”。

2.2 研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)

引黃灌溉對(duì)河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要作用，傳統(tǒng)畦灌的地面灌溉技術(shù)，加之畦塊較大造成田間滲漏損失較多。田間未襯砌的末級(jí)土渠使得渠道滲漏也較大，因此地下水位較高。河套灌區(qū)地下水位受多重因素影響[31-33]，如灌排工程與管理、種植結(jié)構(gòu)、土地利用、氣象因素等。研究區(qū)地下水位較高，季節(jié)性變化和受灌水影響而表現(xiàn)出的周期變化是其顯著的特點(diǎn)。準(zhǔn)確把握地下水埋深動(dòng)態(tài)是合理開發(fā)利用農(nóng)田地下水的基礎(chǔ)。本文以2019年5月1日至2020年5月1日為一個(gè)水文年，分析研究區(qū)地下水埋深動(dòng)態(tài)，見圖4。

圖4 研究區(qū)地下水埋深動(dòng)態(tài)示意圖Fig.4 Dynamic schematic of groundwater depth of study area

研究區(qū)年地下水埋深年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化可分為5個(gè)階段。全年灌水事件共有6次，分別是夏灌3次、秋灌2次、秋澆1次。生育期內(nèi)第3次灌水對(duì)主要作物全部灌溉，因此可將其余灌水事件視為局部灌溉。

生育期內(nèi)進(jìn)行了5次局部灌溉，各觀測(cè)井地下水位的變化過程基本相同。距離灌溉田塊較近的觀測(cè)井的地下水位在灌水前后會(huì)出現(xiàn)急劇的升降過程，但并未和其他觀測(cè)井表現(xiàn)出明顯的水位升降速率差別。原因是局部灌溉對(duì)大部分農(nóng)田都進(jìn)行灌溉，灌溉農(nóng)田與未灌溉農(nóng)田交錯(cuò)分布，土壤滲漏率較高，土壤水未達(dá)到田間持水量時(shí)就開始補(bǔ)給地下水，由于灌溉時(shí)間不同，不同的種植作物農(nóng)田以及耕、荒地間地下水會(huì)存在水分交換，淺埋深地下水系統(tǒng)使得水分交換較為充分，各觀測(cè)井地下水位大致經(jīng)歷了相同幅度的波動(dòng)。

(1)夏灌階段(5月上旬—7月上旬)：生育期內(nèi)第1次灌溉在5月4日，灌溉水與凍融水共同補(bǔ)給導(dǎo)致地下水位迅速上升，出現(xiàn)了第1次水位高峰，平均埋深為0.41 m，為本年度最小值。地下水位受灌水量和灌水頻率的影響顯著，隨著生育期延續(xù)，作物騰發(fā)作用增強(qiáng)，開始消耗地下水，地下水位呈現(xiàn)峰谷交替變化，在7月夏灌期的地下水埋深會(huì)出現(xiàn)低谷，夏灌期平均地下水埋深約為1 m。在灌水初期7號(hào)井地下水埋深相對(duì)較淺，原因可能是其距離沙園分干溝較近，受浸透?jìng)?cè)滲作用較其他區(qū)域強(qiáng)烈，造成灌水初期7號(hào)井所處研究區(qū)西北部地下水埋深較淺。

(2)秋灌階段(7月上旬—9月中旬)：相較夏灌期，秋灌期灌溉定額較小，降水量約占生育期內(nèi)降水總量的67.2%。秋灌初期水位升降相對(duì)劇烈，受有效降水量影響顯著，分析原因是各觀測(cè)井所處地塊的作物不同，例如3、7號(hào)井處于裸地， 6號(hào)井處于收獲完的小麥地，相較于其他地處有作物覆蓋田塊的觀測(cè)井，在降水集中期地下水位較高；到后期各觀測(cè)井地下水埋深差異變小，這時(shí)期地下水受觀測(cè)井周圍作物覆蓋、灌水時(shí)間、微地形等的影響。秋灌期是作物生長(zhǎng)旺季，強(qiáng)烈的騰發(fā)作用抵消了部分因灌溉降水導(dǎo)致的地下水位的增量。在秋澆前地下水埋深達(dá)到最大，約為2.55 m。

(3)冬儲(chǔ)階段(9月中旬—11月中旬)：生育期內(nèi)最后1次灌水距秋澆約2個(gè)月，9月中旬局部地下水埋深達(dá)到最大，約為2.74 m。期間幾乎無其他形式的水分對(duì)研究區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給，地表高程差異是造成各觀測(cè)井地下水埋深差異的主要原因。秋澆灌水量大，灌期長(zhǎng)，為全年之最，局部秋澆初期不同觀測(cè)井地下水埋深有著明顯差異，不同區(qū)域間地下水有較大水力梯度，隨后水力梯度驅(qū)使整個(gè)研究區(qū)地下水位保持著較為同步的上升速率，區(qū)域不同，灌水時(shí)間有所差異，研究區(qū)北部達(dá)到水位峰值的時(shí)間略晚。整個(gè)研究區(qū)平均上升速率約為3.6 cm/d。冬儲(chǔ)階段地下水埋深一般在1 m以下，變幅約為1.38 m，部分地區(qū)最淺時(shí)可達(dá)到約0.36 m。

(4)封凍階段(11月中旬—3月中旬)：11月中旬后各處地下水位開始同步降低并保持較為規(guī)律的高低次序，南部區(qū)域的1、2、3號(hào)井到北部的4、5、6號(hào)井整體表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，處在研究區(qū)北部的7、8號(hào)井距離排溝較近，排水排鹽條件相對(duì)較好，地下水位降低相對(duì)較快。封凍階段地下水整體保持了從南向北的流動(dòng)方向。隨著地下水位的持續(xù)降低，各觀測(cè)井間地下水位差距也逐漸縮小，意味著水力梯度也在不斷減小。

土壤凍結(jié)前，地下水降至臨界埋深下會(huì)成為凍融期間鹽分上行的推動(dòng)力[34]。此期間埋深增大主要是包氣帶本身垂直水分交替的結(jié)果。凍結(jié)層上下較大的溫差作用促使地下水向凍層聚集，凍層不斷增厚，到3月地下水降低到全年較大水位低谷，變幅約為1.54 m。

(5)春融階段(3月中旬—5月上旬)：3月土壤凍層達(dá)到最深,期間基本無水分補(bǔ)給，地下水位較低。凍融期結(jié)束后，土壤開始解凍，凍層上部的消冰水蒸發(fā)，下部融凍水補(bǔ)給地下水，地下水位開始升高，但由于前期淺埋深影響，土壤濕度大，形成的冰凍層在隨地溫回升的過程中逐漸消融，直至融通后，地下水位顯著上升，變幅約為0.47 m。

上述分析了2019—2020年一個(gè)水文年內(nèi)的地下水埋深動(dòng)態(tài)變化，下一個(gè)水文年會(huì)重演類似的周期性。地下水位年變化一般有兩個(gè)高峰和兩個(gè)低谷，一個(gè)高峰在5月，由融凍水和夏灌水形成；另一個(gè)高峰出現(xiàn)在10—11月，主要由秋澆灌溉形成。兩個(gè)低谷分別是秋澆前和凍融期結(jié)束前。生育期內(nèi)地下水位總體呈降低的趨勢(shì)，并在秋澆前達(dá)到最低。由于秋澆定額較大，秋澆階段地下水位變化與秋澆過程基本同步發(fā)生。由于灌區(qū)水源條件約束和種植結(jié)構(gòu)的變化，近年來研究區(qū)為局部秋澆，其余農(nóng)田在翌年春季進(jìn)行春灌。秋澆結(jié)束后，土壤于11月中下旬開始凍結(jié)，在土壤凍結(jié)影響下，研究區(qū)地下水位逐漸降低。直到翌年3月，凍融水回補(bǔ)會(huì)抬升地下水位，至5月初灌溉開始后地下水位又開始受灌溉的顯著影響。研究區(qū)主要是由引水灌溉補(bǔ)給淺層地下水，淺層地下水埋深的變化與灌溉制度有著密切的聯(lián)系。

2.3 研究區(qū)土壤水均衡特征

2.3.1土壤儲(chǔ)水量

根據(jù)式(1)計(jì)算3種主要作物的平均土壤儲(chǔ)水量，再根據(jù)求得的不同作物平均土壤儲(chǔ)水量，按照面積權(quán)重加權(quán)求和獲得整個(gè)研究區(qū)的平均土壤儲(chǔ)水量。研究區(qū)3種主要作物及研究區(qū)整體0～100 cm平均土壤儲(chǔ)水量變化如圖5所示，2019年和2020年生育期內(nèi)的土壤儲(chǔ)水量變動(dòng)范圍為358.44～420.4 mm和358.9～422 mm，2年小麥田塊的土壤儲(chǔ)水量變化最大，原因是小麥生育期較短，在7月中旬收獲后不再進(jìn)行灌溉，地表覆蓋較少，蒸發(fā)損失較大，其土壤含水率較低。2019年種植向日葵和玉米田塊的土壤含水率波動(dòng)基本一致，2020年向日葵灌水量減少，玉米灌水期間的降水較多，3種主要作物土壤儲(chǔ)水量的波動(dòng)基本都是隨著灌溉事件的發(fā)生而隨之波動(dòng)。在生育期結(jié)束后到秋澆前的這段時(shí)間，無外來水分補(bǔ)充加之騰發(fā)作用使得土壤儲(chǔ)水量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖5 研究區(qū)2019年和2020年不同作物土壤儲(chǔ)水量Fig.5 Water storage of different crop soil layers in study area in 2019 and 2020

2.3.2有效降水量與灌溉水量

降水是土壤水分的重要來源，降水量、降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)直接影響地下水的補(bǔ)給特征[35]。對(duì)土壤水分而言，最小有效降水量是指一次降水過程中能使土壤相對(duì)濕度穩(wěn)定增加的最小降水量。一般認(rèn)為5 mm以上的降水是有效降水。2019年作物全生育期降水總量為66.39 mm，其中有效降水量為51.82 mm。2020年作物全生育期降水總量為151.4 mm，有效降水量為129.8 mm。

研究區(qū)向日葵、玉米、小麥的種植與生長(zhǎng)周期不同，灌溉次數(shù)與灌水量也不相同。采用梯形量水堰對(duì)典型地塊測(cè)定主要作物的灌水定額，見表3、4。研究區(qū)每年灌水6次，分別為作物生育期內(nèi)的5次灌水和1次秋澆灌水。第1水發(fā)生在5月初，作為向日葵的播前水和小麥苗期灌溉；第2水發(fā)生在5月下旬，部分未來得及灌溉的向日葵田塊也由第2水灌溉，同時(shí)對(duì)小麥進(jìn)行灌溉；6月中下旬進(jìn)行的第3水對(duì)向日葵、玉米和小麥全部灌溉；第4、5水分別在7月中旬和8月上旬對(duì)向日葵和玉米進(jìn)行灌溉。農(nóng)民用水協(xié)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整放水、行水時(shí)間和放水量，例如研究區(qū)內(nèi)向日葵種植面積占比較大，2019年第1水行水時(shí)間略短，部分向日葵田塊由第2水補(bǔ)充灌溉，2020年調(diào)整為第2水也對(duì)向日葵進(jìn)行灌溉；2019年第3水期間發(fā)生降水，提前結(jié)束了行水時(shí)間，由第4水對(duì)第3水未灌溉的作物進(jìn)行補(bǔ)充灌溉；2020年準(zhǔn)備進(jìn)行第4水灌溉期間降水較多，因此推遲了放水時(shí)間。雖然每年種植結(jié)構(gòu)都有調(diào)整，但是生育期現(xiàn)有的灌溉制度較為穩(wěn)定。

表3 2019年試驗(yàn)區(qū)種植及灌溉情況Tab.3 Tillage and irrigation schedule in field experiment in 2019 mm

表4 2020年試驗(yàn)區(qū)種植及灌溉情況Tab.4 Tillage and irrigation schedule in field experiment in 2020 mm

2.3.3作物蒸騰

2年不同作物地塊及荒地騰發(fā)量見表5，研究區(qū)內(nèi)主要作物的生育期長(zhǎng)短差別較大，因此不同作物地塊生育期騰發(fā)量差異相對(duì)較大。向日葵田塊灌水量較為充足，且作為耐鹽作物，在生育期幾乎不受水鹽脅迫，因此2年的騰發(fā)量差異相對(duì)不大。玉米生育期最長(zhǎng)，且灌水量較充足，2年騰發(fā)量最大，分別為484.3 mm和534.5 mm。小麥生育期最短，但整個(gè)研究時(shí)段與向日葵和玉米地塊的騰發(fā)量相差并不大。例如在2019年，灌水充足且頻繁的向日葵和玉米騰發(fā)量分別為463.8 mm和484.3 mm，而小麥田塊也達(dá)到了427.9 mm。對(duì)比2年生育期騰發(fā)量和整個(gè)研究時(shí)段騰發(fā)量，小麥和向日葵只占其全研究時(shí)段的73.5%和88.8%，究其原因是有部分水被播前及收獲后的裸土蒸發(fā)所消耗。播前較大的灌水量使得地下水位迅速升高，溫度較低土壤下層未完全融通，灌溉水入滲速率較慢，蒸發(fā)作用造成大量的無效耗水。例如2019年作物生育期騰發(fā)量占整個(gè)研究時(shí)段的68%，荒地騰發(fā)量占22.7%，其余被裸土蒸發(fā)損失。2年研究區(qū)空間平均騰發(fā)量分別為465.5 mm和434.8 mm，2019年騰發(fā)量偏大，分析原因是，雖然2020年作物生育期降水頻繁且降水量多，但引水總量相較2019年減少了2.876×105m3。在作物生長(zhǎng)旺盛期的6月或者7月蒸散量最大，2019年6、7月的平均溫度高于2020年同時(shí)期的溫度。

表5 2019年和2020年作物生育期不同田塊和荒地騰發(fā)量Tab.5 Evapotranspiration of different fields and wasteland during crop growth period in 2019 and 2020 mm

2.4 土壤水與地下水交換量

計(jì)算土壤水與地下水交換量的時(shí)間間隔設(shè)定為每次灌水前后取樣觀測(cè)的時(shí)間，根據(jù)式(3)計(jì)算的2年生育期及歷次灌水活動(dòng)前后土壤水和地下水在取樣間隔時(shí)間內(nèi)的交換量見圖6。

圖6 研究區(qū)2019年和2020年生育期土壤水與地下 水交換量Fig.6 Soil water and groundwater exchange during growth period of study area in 2019 and 2020

由圖6可知，研究區(qū)生育期內(nèi)土壤水與地下水交換頻繁，其中ΔQ正值表示地下水對(duì)土壤產(chǎn)生補(bǔ)給作用的水量，負(fù)值表示農(nóng)田土壤水分滲漏到地下含水層的量。在設(shè)定的計(jì)算時(shí)段內(nèi)，2年生育期內(nèi)前兩次灌水活動(dòng)都產(chǎn)生了相對(duì)較多的土壤滲漏，分別為124.37、109.6 mm和113.52、111.41 mm，分析原因主要是灌水量相對(duì)較多，且由于行水條件的限制，第1次和第2次灌水活動(dòng)間隔時(shí)間較短，較大的灌水量使得土壤水迅速超過田間持水量，隨后入滲補(bǔ)給到地下水；隨著氣溫的上升，騰發(fā)作用的增強(qiáng)，加之第3次灌水的灌水量較小，這期間降水開始增多，在第3次灌水前后，地下水和土壤水間的雙向補(bǔ)給較為穩(wěn)定，2年土壤水補(bǔ)給地下水的水量分別為21.64 mm和34.67 mm；2019年第4次灌水雖然灌水量較多，但間隔時(shí)間為20 d，期間強(qiáng)烈的騰發(fā)作用大量消耗土壤水，因此地下水對(duì)土壤水進(jìn)行了補(bǔ)給，補(bǔ)給量為116.81 mm，而2020年第4水選取的計(jì)算時(shí)段間隔較短，相較2019年灌水量減少，但是降水量較大，土壤水對(duì)地下水補(bǔ)給了49.45 mm；2019年生育期內(nèi)最后1次灌溉活動(dòng)距離第4次灌水活動(dòng)間隔時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，強(qiáng)烈的騰發(fā)作用使得地下水通過毛細(xì)作用補(bǔ)給土壤水，補(bǔ)給量為125.93 mm，2020年第4水結(jié)束后發(fā)生了26 mm的降水，這期間的騰發(fā)作用降低，加之第5水灌溉使得地下水得到了49.45 mm的滲漏補(bǔ)給量。研究區(qū)2年生育期內(nèi)灌溉降水補(bǔ)給土壤水分別為544.56、541.85 mm。

通過對(duì)生育期內(nèi)5次灌水前后土壤水與地下水交換量分析可知，灌溉降水是土壤水補(bǔ)給地下水的主要來源，生育期內(nèi)每進(jìn)行1次農(nóng)田灌溉，農(nóng)田土壤水分均會(huì)產(chǎn)生不同程度的滲漏。研究區(qū)目前仍以傳統(tǒng)畦灌的地面灌溉技術(shù)為主，加之地塊較大、土地平整度差和農(nóng)民節(jié)水意識(shí)不強(qiáng)，灌水定額較大，與理論值有一定差異。再加上河套灌區(qū)特殊的一首制特大灌區(qū)特點(diǎn)，研究區(qū)內(nèi)作物不可能適時(shí)灌溉，灌溉間歇期相對(duì)較長(zhǎng)?？傮w來講，作物在生育期內(nèi)仍會(huì)受到多次水分脅迫，這時(shí)主要還得通過地下毛管水補(bǔ)給，滿足作物需水過程，同時(shí)也存在表層土壤鹽分的積累。農(nóng)業(yè)用水緊張與浪費(fèi)的現(xiàn)象并存，在河套灌區(qū)限制引水的大背景下，當(dāng)前的灌溉制度并不合理，但在當(dāng)前的灌溉管理運(yùn)行機(jī)制和受水源工程的約束又很難進(jìn)行調(diào)整。2年生育期整體土壤對(duì)地下水的補(bǔ)給水量分別為207.73 mm和236.94 mm，生育期內(nèi)地下水位總體呈下降的趨勢(shì)并在全年生育期末達(dá)到最低，分析原因是雖然灌溉滲漏水會(huì)對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，但灌水結(jié)束后，由于作物強(qiáng)烈的蒸騰和土壤蒸發(fā)，灌溉滲漏水又重新回到作物根層被作物吸收利用，同時(shí)部分地下水遷移到未灌溉的鹽荒地。

3 討論

土壤水動(dòng)態(tài)及其轉(zhuǎn)化是四水轉(zhuǎn)化過程的重要環(huán)節(jié)[36]，且與地下水之間存在著密切聯(lián)系，二者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。由于不同的研究目的、方法等，使得土壤水和地下水變化規(guī)律的研究分別在各自獨(dú)立的領(lǐng)域中發(fā)展。隨著研究的深入，應(yīng)將土壤水與地下水作為整體進(jìn)行研究，可以更全面地認(rèn)識(shí)土壤水、地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律[37]，定量研究土壤水和地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系對(duì)于河套灌區(qū)水土資源的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

本文以河套灌區(qū)典型區(qū)生育期土壤儲(chǔ)水量為核心，定量揭示了土壤水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系。灌水補(bǔ)充及騰發(fā)消耗使得土壤水分呈現(xiàn)明顯的交替變化，宮兆寧等[38]也指出在地下水淺埋區(qū)土壤剖面在氣候條件作用下呈蒸發(fā)-入滲交替變化，王水獻(xiàn)等[39]在干旱綠洲農(nóng)田土壤水分平衡的分析也表明了在淺埋深灌區(qū)灌溉水量和降水量是土壤水補(bǔ)給的主要來源，消耗項(xiàng)則以底邊界補(bǔ)給潛水和排水為主，這與本文所得結(jié)論基本一致。以上均可說明在干旱淺埋深灌區(qū)土壤水動(dòng)態(tài)變化都呈現(xiàn)出近似的特點(diǎn)，而本文又針對(duì)河套灌區(qū)作物插花種植特點(diǎn)，分析不同年份主要作物田塊的土壤含水率變化趨勢(shì)，生育期內(nèi)土壤水整體的消耗量大于補(bǔ)給量。地下水與土壤間發(fā)生雙向水量交換，二者間既接受補(bǔ)給又發(fā)生消耗。陳亞新等[40]認(rèn)為，在淺地下水埋深灌區(qū)，降水或地面灌水形成的土壤水分入滲在短時(shí)間往往會(huì)超過非飽和帶產(chǎn)生深層滲漏，造成對(duì)地下水補(bǔ)給。本研究也證明灌水事件發(fā)生后出現(xiàn)農(nóng)田土壤水分滲漏，使得地下水發(fā)生明顯波動(dòng)，受到灌溉制度的影響，一個(gè)水文年內(nèi)的地下水埋深變動(dòng)大致可分為5個(gè)階段。

本文對(duì)土壤水和地下水之間的轉(zhuǎn)化做了定量研究，由于生育期內(nèi)灌溉降水和騰發(fā)作用較強(qiáng)，土壤水與地下水有明顯的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，但屬于同一系統(tǒng)內(nèi)部的地下水和土壤水之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化規(guī)律受多種因素的影響和制約，且本文受限于監(jiān)測(cè)頻次和取樣深度，后續(xù)還需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及深入研究，以進(jìn)一步揭示土壤水、地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律及轉(zhuǎn)化關(guān)系，運(yùn)用適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)將土壤水和地下水相關(guān)數(shù)值進(jìn)行模擬，不僅能夠更為準(zhǔn)確描述土壤水與地下水的動(dòng)態(tài)及轉(zhuǎn)化規(guī)律，也可為農(nóng)田節(jié)水灌溉提供一定的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)在作物生育期內(nèi)，灌溉降水和地下水補(bǔ)給使得土壤含水率增加，隨著生育期的進(jìn)行，作物需水能力和騰發(fā)作用增強(qiáng)，加大了對(duì)土壤水的消耗，研究區(qū)主要作物田塊土壤含水率在波動(dòng)中整體呈降低的趨勢(shì)。

(2)研究區(qū)主要作物的生育期、生物特性不盡相同，對(duì)土壤水分的消耗不同。灌水日期、灌水量的不同也會(huì)明顯影響土壤含水率變化。不同年型作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整、降水量和灌溉事件間會(huì)產(chǎn)生一定的交互影響。

(3)地下水明顯的特點(diǎn)是季節(jié)性變化和在灌水后的劇烈波動(dòng)，灌水后，土壤水滲漏補(bǔ)給地下水會(huì)明顯抬升地下水位，地下水排水和潛水蒸發(fā)又會(huì)降低地下水位。地下水位變化在一個(gè)水文年周期內(nèi)一般有兩個(gè)高峰和兩個(gè)低谷，在下一個(gè)水文年會(huì)重演類似的周期性。

(4)在研究區(qū)以及河套灌區(qū)這樣的地下水淺埋區(qū)，土壤水和地下水在灌溉降水補(bǔ)充和騰發(fā)作用下動(dòng)態(tài)變化較為明顯，且二者間存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系。生育期內(nèi)，土壤水和地下水雙向交換頻繁， 2年生育期土壤水分別補(bǔ)給地下水207.73 mm和236.94 mm。灌水期間，土壤水對(duì)地下水進(jìn)行單向補(bǔ)給。當(dāng)灌溉期結(jié)束后，強(qiáng)烈的騰發(fā)作用開始消耗土壤水時(shí)，地下水可以通過毛管上升作用對(duì)土壤進(jìn)行補(bǔ)給。