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

(水利部淮委)水利科學(xué)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(bǔ)給地下水的過(guò)程，在水文循環(huán)中起著重要作用[2]，同時(shí)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(lái)，已有眾多學(xué)者對(duì)土壤水分與地下水進(jìn)行了研究。韓雙平等[8]在種植條件下通過(guò)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(guò)控制地下水位埋深研究其對(duì)地下水、土壤水轉(zhuǎn)化的規(guī)律分析。包含等[10]在對(duì)春玉米生長(zhǎng)期的土壤水動(dòng)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(guò)分析黑河中游荒漠過(guò)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(guò)對(duì)旱塬區(qū)不同地帶耕地土壤水分動(dòng)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(duì)地下水對(duì)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(zhǎng)期長(zhǎng)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(shí)測(cè)資料，分別對(duì)各土層土壤水與地下水埋深5日多年平均數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行驗(yàn)證。成果為淮北平原淺埋區(qū)合理調(diào)控地下水位，科學(xué)制定灌溉制度具有重大意義。

1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)站，地處東經(jīng)117°21′，北緯33°09′。屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)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(shí)數(shù)2 200～2 425 h，多年平均相對(duì)濕度為73%，五六月份最小，七八月份最大，多年平均風(fēng)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(yàn)區(qū)作物主要以旱作物為主，玉米和小麥輪作。玉米播種時(shí)間多在6月下旬開(kāi)始，于10月上旬收割。

1.2 資料選取

實(shí)驗(yàn)資料選取1992-2017年夏玉米生長(zhǎng)期0～1.0 m各垂直土層深度大田土壤水?dāng)?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(cè)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(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，氣象資料(降雨量、氣溫、光照、風(fēng)速、相對(duì)濕度)來(lái)自實(shí)驗(yàn)站氣象場(chǎng)。本文土壤含水率、地下水位、氣溫按5日平均值計(jì)算，降雨量、光照按5日累計(jì)值計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水埋深對(duì)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(duì)土壤水分的影響。夏玉米生長(zhǎng)期5日多年平均各土層土壤水隨時(shí)間變化過(guò)程線如圖1所示。由圖1可知，玉米生長(zhǎng)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(jì)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(dòng)較大，各層土壤含水率隨降雨的增大基本呈逐漸增大趨勢(shì)，該段時(shí)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?yàn)閺?qiáng)降雨過(guò)后，地下水通過(guò)毛細(xì)管作用補(bǔ)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(jì)降雨量7月21日最大，此時(shí)0.2～1.0 m土層基本達(dá)到最大值， 7月21日后各層土壤含水率呈逐漸減小趨勢(shì)。

夏玉米生長(zhǎng)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(fù)相關(guān)關(guān)系，玉米生長(zhǎng)期地下水埋深波動(dòng)較大，尤其在7月份波動(dòng)劇烈，地下水埋深逐漸變低，最低達(dá)到1.18 m，因?yàn)槭芙涤?、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(jì)表見(jiàn)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(shì)，推測(cè)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(shí)間變化趨勢(shì)大致相同，與地下水埋深變化趨勢(shì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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

圖2 夏玉米生長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)期土壤水與地下水埋深存在明顯的負(fù)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(zhǎng)期各土層土壤含水率與各要素相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)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(zhǎng)期各土層土壤含水率與各要素相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)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(yàn)證

對(duì)多年平均土壤含水率與地下水埋深進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)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(jìn)行擬合時(shí)，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(fù)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(zhǎng)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(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，采用線性回歸方程驗(yàn)證，各年份相對(duì)誤差較小，驗(yàn)證效果較乘冪回歸方程好。

表4 夏玉米生長(zhǎng)期土層平均含水率驗(yàn)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(duì)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(zhǎng)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(fù)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)淮北平原夏玉米時(shí)期分層土壤水對(duì)地下水埋深的影響研究，結(jié)論如下：

(1)玉米生長(zhǎng)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(shí)間變化趨勢(shì)大致相同，隨地下水埋深增大呈減少趨勢(shì)。

(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(fù)相關(guān)或非線性冪函數(shù)負(fù)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(yàn)證時(shí)，線性函數(shù)相對(duì)誤差較小。通過(guò)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(zhǎng)期研究了淮北平原淺埋區(qū)地下水埋深對(duì)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(jí)地下水埋深對(duì)分層土壤水的影響及在深埋區(qū)的適用性，有待進(jìn)一步研究。