太行山前平原典型灌溉农田深层土壤水分运动特征研究

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太行山前平原作为我国重要的粮食产区,主要种植作物是冬小麦和夏玉米,是世界上最高产的地区之一,同时也是水资源供需矛盾十分突出的地区。自20世纪70年代以来开始大规模开发地下水用于灌溉,地下水被过度开发利用,长期超采地下水致使地下水位不断下降,太行山前平原已经成为典型的地下水位深埋区。地下水位持续下降已经引发了一系列生态环境问题。因此在太行山前平原典型灌溉农田开展关于土壤水分运动特征的研究以及估算深层土壤水分通量对于明确地下水运移过程及制定水资源规划和地下水可持续利用方案具有深远意义。  本文以太行山前平原典型灌溉农田为研究对象,依托中国科学院栾城农业生态系统试验站的土壤水分监测设施,开展了连续4年的原位观测试验,结合研究区多年气象资料,对该地区土壤水分运动过程及变化规律进行了分析研究,进而估算深层土壤水分通量,获得以下结论:(1)根系层以上的土壤体积含水率受土壤蒸发、降雨等因素的影响比较明显,水分增长和消退的较快,土壤体积含水率变化范围较大(0.14~0.47 cm3/cm3);根系层以下土壤体积含水率保持在田间持水量水平,土壤水分常年处于向下运动状态,而且水势的变化幅度自上而下越来越小,逐渐趋于稳定。深层土壤层的土壤体积含水率较高,导致了湿润锋的运动速率较快(0.13 m/d)。(2)根据土壤水势梯度的变化特征,结合土壤水基质势和体积含水率的变化特征,0~800 cm的土壤层可划分为3个特征带:0~200 cm为入渗-蒸发交替变动带;200~600 cm为非稳定入渗带;600~800 cm为相对稳定入渗带。(3)水分通量同时受时间尺度和深度的影响,根据水量平衡计算得到2011~2015年研究时段内深层土壤水分通量平均值约为113mm/a。结合数值模拟可知随土壤深度的增加水分通量对水分输入响应的滞后现象越来越明显,在8m处土壤水分通量对降雨的响应比2m处滞后约三个月,并且土壤水分通量的峰值随土壤深度的增加而减小,水分需要更长时间到达下层土壤。(4)另外通过对研究区土壤水分运移速率进行计算,得到研究区土壤水分平均运移速率0.3~2.4 m/a之间。并且在质地较粗的(砂土)中水分运移速率较大,土壤质地较细的黏壤土中水分运移速率较小。
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