永寧引黃灌區(qū)土壤水分運(yùn)移的同位素特征研究

趙志鵬，楊麗虎，公 亮，李炳良，馬學(xué)東，徐迎春，劉海燕

（1.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)局，銀川 750021；2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及 地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué) 中丹學(xué)院，北京 101400； 4.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，銀川 750021； 5.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

【研究意義】銀川平原地處我國西北干旱區(qū)，作為典型的灌區(qū)，引用大量的黃河水進(jìn)行灌溉，黃河水在供給農(nóng)作物生長的同時(shí)也通過包氣帶入滲補(bǔ)給地下水，從而使灌區(qū)內(nèi)的地下水位持續(xù)抬升，加劇了土壤的鹽漬化程度，嚴(yán)重影響了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，因此需要研究該地區(qū)包氣帶土壤水分的運(yùn)移規(guī)律，為農(nóng)業(yè)節(jié)水和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

【研究進(jìn)展】一些學(xué)者研究了銀川平原土壤鹽分及鹽漬土的空間分布[1-2]，發(fā)現(xiàn)草甸和溝渠邊坡土壤全鹽量表聚效應(yīng)顯著[3-5]，采用同位素方法發(fā)現(xiàn)埋深小于5 m 的地下水受次降雨（>10 mm）、渠系滲漏和田間入滲影響較大[6-8]。這些研究主要關(guān)注的是土壤鹽分分布規(guī)律以及對(duì)地下水的影響，而針對(duì)降雨或灌溉條件下灌區(qū)土壤水的運(yùn)移規(guī)律研究較少。近年來，氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)逐漸運(yùn)用在土壤水分運(yùn)移的研究中[9-10]，如分析土壤水同位素的分布規(guī)律[11-13]，灌溉條件下土壤水同位素的變化特征[14-15]，揭示土壤水的入滲量和蒸發(fā)量[16-17]以及土壤水與地下水之間的轉(zhuǎn)化過程[18-19]。氫氧穩(wěn)定同位素是水分運(yùn)移的天然示蹤劑，可以揭示土壤水的來源、入滲、蒸發(fā)等各種過程[20]。

【切入點(diǎn)】土壤水分受入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)蒸騰等作用的影響，處于不斷變化的狀態(tài)，根據(jù)土壤水中氫氧同位素的變化特征可以得知有關(guān)水體在土壤中的運(yùn)移信息。本文以銀川平原永寧縣典型引黃灌區(qū)為例，通過對(duì)比分析降雨、灌溉水、土壤水、地下水的同位素特征，探討降雨或灌溉對(duì)包氣帶水分運(yùn)移的影響，從而彌補(bǔ)銀川平原灌區(qū)包氣帶水分的影響機(jī)制的研究不足?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過原位觀測(cè)和氫氧同位素示蹤方法，掌握土壤水的遷移信息，識(shí)別降雨或灌溉水在土體中的遷移路徑，為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于永寧引黃灌區(qū)，地處寧夏銀川平原中部，地表為第四系松散堆積物，由西南向東北傾斜，主要為河湖積平原的二級(jí)階地，土壤鹽漬化嚴(yán)重[1]。試驗(yàn)區(qū)屬典型的中溫帶大陸性干旱氣候，根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)銀川站1951—2018 年的氣象數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)多年平均氣溫為9.2 ℃，年平均降水量197.2 mm，多集中在6—9 月，占全年降水量的70.7%；最大日降水量為46.9 mm，最大月降水量為148.7 mm；年均水面蒸發(fā)量（小型蒸發(fā)皿）1 595.4 mm，多集中在4—9月，占全年蒸發(fā)量的93.2%，試驗(yàn)區(qū)地下水埋深比較淺，約為2.3～4.3 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究包氣帶的土壤水分運(yùn)移，2019 年4—10月在銀川市永寧縣楊和鎮(zhèn)觀橋村種植園內(nèi)裸地上進(jìn)行布置試驗(yàn)，采集降雨、灌溉水、土壤水、地下水樣共252 個(gè)，其中降水樣品8 個(gè)，灌溉水樣品2 個(gè)，土壤水樣品236 個(gè)，地下水樣品6 個(gè)。

將試驗(yàn)區(qū)按照地面以下20、30、50、70、100、150、200、270 cm 深度劃分為8 層，在每層安裝土壤溶液提取器[21]，在降雨和灌溉后現(xiàn)場(chǎng)抽取不同土層的土壤水，將周圍的土壤水吸入收集瓶中。在地表安裝上海氣象儀器廠有限公司生產(chǎn)的SL3-1 型翻斗式雨量傳感器，測(cè)量精度為0.1 mm，觀測(cè)時(shí)間間隔為5 min。在翻斗式雨量傳感器附近，安裝1 套降雨樣品采集器，降水通過塑料漏斗收集在PVC 箱內(nèi)的塑料瓶內(nèi)，每次降雨結(jié)束后立即采集。試驗(yàn)區(qū)采用大水漫灌方式，灌溉時(shí)取灌溉水樣1 次，地下水水樣每月取樣1 次，共取樣6 次。

利用環(huán)刀在每層土壤采集2 個(gè)樣品，用于測(cè)試土壤粒徑級(jí)配等指標(biāo)。土壤粒徑由激光粒度儀（Mastersizer 2000，Malvern，英國）測(cè)定。飽和導(dǎo)水率采用飽和滲透系數(shù)測(cè)定裝置（BS-STXS11-1，中國），通過定水頭法測(cè)定[22]，在測(cè)定過程中，維持進(jìn)口端水頭不變，測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)透過土柱穩(wěn)定的水量。針對(duì)不同層位的土壤，飽和導(dǎo)水率根據(jù)下式計(jì)算：

式中：K 為試驗(yàn)土柱的飽和導(dǎo)水率（cm/min）；L 為土柱的高度（cm）；Q 為透過土柱的水量（mL）；t表示出流時(shí)間（min）；S 為環(huán)刀的橫截面積（cm2）；h 為總水頭差（cm）。

土壤主要分為2 層，上層（0～130 cm）以壤土成分為主，下層（130～270 cm）為粉砂質(zhì)壤土。土壤的體積質(zhì)量介于1.63～1.74 g/cm3之間；其中，50～70 cm的體積質(zhì)量最大，250～270 cm 的體積質(zhì)量最小。不同土層飽和導(dǎo)水率存在較大的差異，介于0.13 ～21.14 cm/d 之間，0～130 cm 土壤透水性較差，130～270 cm土壤透水性較好，是上層土壤的8.57 倍。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì) Table 1 Soil physical properties in study area

所有樣品用50 mL 高密度聚乙烯塑料瓶收集，收集完進(jìn)行密封冷藏保存。δD 和δ18O 同位素采用液態(tài)水同位素分析儀（DLT-100，Los Gatos Research，美國）分析，測(cè)定誤差分別為±1‰和±0.1‰，以上所有分析測(cè)試都在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所進(jìn)行。樣品同位素的組成用相對(duì)于國際標(biāo)準(zhǔn)平均海水的標(biāo)準(zhǔn)偏差（δ）表示，計(jì)算式為：

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)降水/灌溉水、土壤水的同位素值，通過同位素質(zhì)量守恒方法，可計(jì)算不同深度土壤水分來源的貢獻(xiàn)比例：

式中：mf、mi分別為研究時(shí)段初期和末期土壤含水率；mp為降雨或者灌溉水入滲量；δf、δi分別為研究時(shí)段初期和末期土壤水的氫氧同位素值；δp為降雨或者灌溉水的氫氧同位素值。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨的年內(nèi)分布特征

研究區(qū)2019 年4—10 月逐日降水量見圖1。

圖1 研究區(qū)2019 年4—10 月逐日降雨量的變化 Fig.1 Daily rainfall variation between April and December,2019

2019 年4—10 月研究區(qū)降水量為157.3 mm，6月的降水量最大，占全年降水量的55%；日最大降水量發(fā)生在6 月25 日，共25.7 mm，為大雨，其余降雨為中雨或小雨，發(fā)生中雨的次數(shù)共4 次。從降雨歷時(shí)來看，4 場(chǎng)中雨歷時(shí)2～6 h，歷時(shí)較短。整體來看，降雨表現(xiàn)為短歷時(shí)的小到中雨。

2.2 降雨氫氧同位素變化特征

降雨的δD介于-18.2‰～-63.5‰之間，平均值為-43.6‰，標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.75‰，δ18O介于-10.26‰～-4.55‰之間，平均值為-6.91‰，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.12‰（表2）。大氣降水線為δD＝6.95 δ18O+4.52（R2＝0.87，圖2），這與根據(jù)IAEA 銀川站1988—2000 年的月降水繪制的大氣降水線δD＝7.21 δ18O＋5.50（R2=0.96）接近[23]。研究區(qū)次降雨的δD和δ18O變化范圍比較大，這與氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)時(shí)濕度、溫度、來源以及輸送方式有關(guān)；6 月27 日降雨的同位素組分比6 月25 日的貧化說明次降雨同位素同時(shí)存在雨量效應(yīng)[24]，連續(xù)降雨的同位素組分隨著累積降水量的增加而貧化。

圖2 降水和土壤水的氫氧同位素分布 Fig.2 δD～δ18O relationship of rainfall and soil water

2.3 灌溉水和地下水氫氧同位素變化特征

灌溉水的氫氧同位素平均值分別為-70.5‰和-10.24‰。地下水的δD和δ18O在不同月份的變化差異不大，標(biāo)準(zhǔn)差為1.59 和0.40，平均值分別為-70.5‰和-10.09‰，地下水與灌溉水的同位素基本相當(dāng)，說明試驗(yàn)區(qū)地下水大部分來源于灌溉渠道的滲漏補(bǔ)給。

2.4 土壤水氫氧同位素變化特征

由表2 可知，20～50 cm 土壤水δD 和δ18O 值變化范圍分別為-75.0‰～-24.1‰，-11.42‰～-4.63‰，標(biāo)準(zhǔn)差為5.11‰～11.38‰和0.85‰～1.29‰；70～270 cm土壤水的δD 和δ18O 值變化范圍和標(biāo)準(zhǔn)差明顯比20～50 cm 偏小，δD 和δ18O 值變化范圍分別為-59.8‰～-43.5‰ ，-8.75‰～-6.99‰ ， 標(biāo) 準(zhǔn) 差 為2.32‰～4.52‰和0.52‰～0.76‰，同時(shí)土壤水δD 和δ18O 的最大值隨著土層深度的增加而減小。

圖3 為5 月7—8 日（降雨）、6 月25—28 日（降雨）、9 月10—13 日（降雨）和7 月15—19 日（灌溉），8 月3—8 日（灌溉）土壤水中δD 和δ18O 的垂向分布圖。降雨后0～50 cm 土壤剖面同位素值隨降雨的值變化而變化，例如：5 月7 日降雨和6 月25 日降雨δD 和δ18O 分別是-26.1‰、-4.84‰，-33.8‰、-5.50‰，氫氧同位素偏富集，0～50 cm 土層受降雨補(bǔ)給后也變得富集，5 月7 日30 cm 土層的δD 從-63.7‰增加到-56.7‰，δ18O 從-8.93‰增加到-7.89‰，6 月25 日30 cm 土層δD 從-34.5‰增加到-26.7‰，δ18O 從-5.79‰增加到-4.90‰。6 月27 日和9 月11—12 日2次降雨的氫氧同位素偏貧化，0～50 cm 土層也發(fā)生相應(yīng)的變化。70～270 cm 的土壤同位素值在降雨后幾乎沒有變化。

7 月14 日16 點(diǎn)和8 月3 日12 點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行了灌溉，灌溉水δD 和δ18O 分別是-70.0‰、-10.21‰和-71.0‰、-10.26‰，相對(duì)土壤水的本底值偏貧化，因此灌溉后0～50 cm 土層氫氧同位素也變得貧化，7月14 日灌溉后30 cm 土層δD 減少到-68.6‰，δ18O減少到-9.62‰，8 月3 日灌溉后30 cm 土層的δD 減少到-70.9‰，δ18O 減少到-11.30‰，2 次灌溉后30 cm土層氫氧同位素值與灌溉水的值相當(dāng)。70～270 cm 土層處氫氧同位素值在灌溉前后維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，以70 cm 處土壤的同位素為例，2 次灌溉前后δD 和δ18O 介于-55.9～-60.4‰和-7.85～-8.54‰之間。

δD/‰ δ18O/‰ 水樣類型 Water type 深度/cm Depth 采樣量 Number of samples 平均值A(chǔ)verage 最大值Maximum 最小值 Minimum 標(biāo)準(zhǔn)差 Standard deviation 平均值A(chǔ)verage 最大值Maximum 最小值 Minimum 標(biāo)準(zhǔn)差 Standard deviation 降水 Rainfall 8-43.6-18.1-63.5 15.6-6.9-4.6-10.3 2.1 灌溉水 Irrigation water 2-70.5-70.0-71.0-10.2-10.2-10.3 20 29-66.2-24.1-75.0 9.0-9.3-4.6-11.4 1.2 30 32-63.0-26.7-74.9 11.4-9.0-4.9-11.3 1.3 50 32-60.3-43.5-68.6 5.1-8.6-5.6-10.0 0.9 70 33-59.8-54.6-67.8 2.7-8.5-7.0-9.9 0.5 100 29-60.0-53.3-63.3 2.5-8.6-7.7-10.7 0.5 150 27-60.9-55.0-64.5 2.3-8.8-7.9-11.1 0.6 200 27-59.8-54.4-65.4 2.6-8.4-7.1-9.9 0.7 270 27-61.3-43.5-70.5 4.5-8.7-7.4-11.4 0.8 地下水Groundwater 6-70.5-68.0-72.6 1.6-10.1-9.4-10.6 0.4 土壤水 Soil water

圖3 降雨或灌溉后土壤水中δD 和δ18O 值垂向分布 Fig.3 Special variation of δD and δ18O of soil water after rainfall or irrigation

2.5 降雨或灌溉水對(duì)不同深度土壤水的貢獻(xiàn)比例

根據(jù)3 次降雨和2 次灌溉水的氘同位素，通過同位素質(zhì)量守恒方法（式（3）和式（4）），計(jì)算得到不同日期不同深度土壤水來源的貢獻(xiàn)比例見表3。5 月7 日降雨后20 cm 和30 cm 土層土壤水分別有10.9%和16.5%來自降雨，平均為13.7%，6 月25 日0～50 cm土層平均14.8%來自降雨，27 日0～50 cm 土層來源于降雨的比例增加到83.9%。2 次灌溉水的貢獻(xiàn)比例分別為51.3%和47.4%。在垂向剖面上，0～50 cm 土層灌溉水的貢獻(xiàn)比例為49.3%～100.0%，而70 cm 以下灌溉水的貢獻(xiàn)比例為14.3%～46.6%。

表3 降雨或灌溉水對(duì)不同深度土壤水來源的貢獻(xiàn)比例 Table 3 Contribution ratios of rainfall or irrigation water to soil water at different depths %

3 討 論

3.1 包氣帶土壤水分氫氧同位素垂向分布規(guī)律

土壤水的蒸發(fā)線方程為：δD＝5.41δ18O-14.14（n=114，R2=0.56，圖3），其斜率及截距均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程，表明在降雨或灌溉入滲過程當(dāng)中受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用。從表2 和圖5 可知，0～50 cm 土層的同位素?cái)?shù)值比70～270 cm 的變化范圍大，說明土壤水的蒸發(fā)作用主要發(fā)生在淺層，土壤距地表越深，同位素受蒸發(fā)分餾的影響越小，前人已有室內(nèi)和野外試驗(yàn)也證明蒸發(fā)作用的強(qiáng)度隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從而使氫氧同位素從深層到表層逐漸富集[25-26]。由于水汽來源的不同，次降雨的δD和δ18O值富集和貧化程度不同，因此0～50 cm 土壤剖面呈隨降雨氫氧同位素值變化而變化的趨勢(shì)，但無論是富集還是貧化，變化程度都較降雨小，表明了降雨進(jìn)入土壤向下入滲的過程中與土壤中“老水”發(fā)生了不同程度的混合，這與包為民等[27]的降雨入滲試驗(yàn)研究結(jié)果一致。

灌溉水的同位素相對(duì)土壤水的本底偏貧化，因此0～50 cm 土層的同位素受灌溉水的影響，也變得相對(duì)貧化，特別是20～30 cm 處的氫氧同位素值基本與灌溉水的值相當(dāng)。氫氧同位素值在土壤剖面上呈先增大后減小的趨勢(shì)，在70 cm 處最大，主要原因是灌溉前表層土壤水分在持續(xù)的蒸發(fā)，同位素不斷的富集，隨著時(shí)間的推移，干燥面并逐漸向下運(yùn)移；而下層土壤水分在毛管力作用下沿水勢(shì)梯度逐漸向上層運(yùn)移，并發(fā)生動(dòng)力分餾后富集，在干燥面上（70 cm）形成氫氧的富集層。當(dāng)灌溉后，偏貧化的水入滲到50 cm，與干燥面以上的土壤自由水混合，使得70 cm 以上的土壤水發(fā)生貧化，這在柯浩成等[28]的研究中能夠得到證實(shí)。

70～270 cm 土壤的氫氧同位素值變化不大，主要原因是試驗(yàn)區(qū)地下水埋深淺，深層土壤水與地下水交換頻繁，而地下水中氫氧同位素較穩(wěn)定，灌溉水在土壤入滲的過程中，只取代了深層土壤小部分的原水，對(duì)深層土壤水同位素值影響較小。

0～130 cm 均為壤土，性質(zhì)相似，但無論是降雨還是灌溉只有0～50 cm 土壤水氫氧同位素組分對(duì)降雨或灌溉表現(xiàn)出了極好的響應(yīng)關(guān)系，說明了0～50 cm土壤易接受降雨或灌溉補(bǔ)給，同時(shí)土壤水蒸發(fā)消耗也主要發(fā)生在此層，這與王鵬等[17]在山西運(yùn)城農(nóng)田研究的土壤水蒸散發(fā)消耗深度是一致的。

3.2 降雨或灌溉對(duì)包氣帶水分運(yùn)移的影響

從表3 可知，降雨入滲的影響范圍在30～50 cm，降雨量的不同對(duì)0～50 cm 土壤水的影響也不同。5 月7—8 日的降雨量只有14.7 mm，影響的深度為30 cm，對(duì)土壤水的補(bǔ)給比例僅有13.7%；6 月25 日的降雨量為25.9 mm，則降雨入滲的影響范圍在30～50 cm，補(bǔ)給比例為14.8%，隨著降雨的持續(xù)，27 日0～50 cm 土層來源于降雨的比例增加到83.9%，這與蔡釗等[26]在滁州水文山的研究結(jié)果一致。

2 次灌溉入滲的影響范圍達(dá)到270 cm，平均貢獻(xiàn)的比例為49.4%，比宋浩[29]在伊犁河谷研究的灌溉水補(bǔ)給比例（34.9%）偏大，這可能與灌溉水量、土壤初始含水量和土壤滲透特性不同有關(guān)[30]。在垂向剖面上，0～50 cm 土層灌溉水的貢獻(xiàn)比例平均為80.0%，而70 cm 以下灌溉水的貢獻(xiàn)比例平均為33.2%，灌溉水入滲對(duì)0～50 cm 土層的影響比70 cm 以下相對(duì)較大，李惠等[31]對(duì)新疆瑪納斯流域?qū)嶒?yàn)田的灌溉入滲研究表明，灌水后0～60 cm 深度土壤水同位素響應(yīng)顯著，隨著深度的增加補(bǔ)給的比例在降低，符合西北干旱區(qū)的灌溉入滲的一般規(guī)律。

4 結(jié) 論

1）2019 年4—10 月降水量為157.3 mm，最大降水量月為6 月，占全年降水量的55%。發(fā)生大雨和中雨的次數(shù)共5 次，其余均為小雨。

2）土壤水δD和δ18O的最大值隨著土層深度的增加而減小，0～50 cm 土壤水氫氧同位素的標(biāo)準(zhǔn)差大于70～270 cm 的標(biāo)準(zhǔn)差。0～50 cm 土壤易接受降水或灌溉補(bǔ)給，同時(shí)土壤水蒸發(fā)消耗也主要發(fā)生在此層。

3）降雨入滲的影響范圍在30～50 cm 以內(nèi)，5 月7 日降水對(duì)0～30 cm 土層的貢獻(xiàn)比例平均為13.7%，6月25—27 日降水對(duì)0～50 cm 土層貢獻(xiàn)比例平均為49.4%。灌溉入滲的影響范圍達(dá)到270 cm，0～50 cm土層的貢獻(xiàn)比例為49.3%～100.0%，而70 cm 以下的貢獻(xiàn)比例為14.3%～46.6%。