黄土丘陵区深剖面土壤水分特征及其补给地下水过程研究

Water condition is the key factor that impacts on ecological construction in Loess Hilly region. In this area, the rainfall is the only input of water cycle. But how can the rainfall compensate soil water and groundwater passby the deep soil layer？The mechanism of this is not definited. Especially, the way and rate of compensation for groundwater are the main research area. By taking Yangou watershed as the research object, and using the method of hydrogen & oxygen isotope, water chemistry, soil water and hydrological observation, the trends of different water amount, the content of hydrogen & oxygen and water chemistry characteristic in different water will be studied. At the same time, the transformation characteristic of rainfall- soil water- groundwater will be definited. We also focus on the main way of compensation for groundwater. The groundwater recharge rate will be estimated by using chloride mass balance method. These results will provide theoretical basis for the sustainable utilization of water resources and the scientific management of watershed.

水分条件是制约黄土丘陵区生态建设成功与否的关键因素。降水是该区水循环的主要的输入端，但其能否补偿土壤水库并通过深厚的黄土层补给地下水，其机制目前仍不明确，特别是地下水的补给方式和补给率等关键问题仍亟需深入研究。研究拟以延安燕沟流域为研究区域，运用稳定性氢氧同位素技术，结合水化学、土壤水分和水文观测等方法，分析降水、0～6m剖面土壤水以及地下水（泉水、井水）等水体的水量动态、氢氧同位素和水化学组成及其时空变化特征，结合地下水位和泉水出流量对降水的响应特征，明确农、林、草等不同土地利用方式下降水—土壤水—地下水之间的转换关系，探明地下水主要补给源及补给方式，并结合氯离子质量平衡法估算地下水补给率，由此揭示黄土丘陵区典型小流域水循环转化特征，为该区水资源的可持续利用以及流域治理科学决策提供理论依据。

黄土丘陵区位于我国西北半干旱半湿润地区，是我国乃至全球水土流失最为严重的地区。降水和土壤水是黄土丘陵区农林生态系统的重要组成部分，径流和地下水是当地居民的主要水源。近20年来，通过退耕还林还草等生态建设工程，黄土丘陵区植被类型发生了显著变化，这影响了土壤水分的动态与转化过程。因此，了解土壤水分运动机制和明晰“四水”转化关系对该区水资源高效利用具有重要意义。选取延安市安塞墩山周围为研究对象，通过采集研究区降水、河水、地下水和4种植被类型下土壤样品，测定各土层土壤含水量及各水体氢氧同位素含量，阐明了不同植被类型下土壤水分的动态变化规律，揭示了土壤水与其他水体的补给转化关系。以期为黄土丘陵区生态恢复及水资源高效利用提供参考。主要结论如下：.（1）0~300 cm深度平均土壤含水量大小呈现：谷子梯田＞小蓟草地＞沙棘地＞刺槐林地；随土层深度的增加土壤含水量的季节变异系数均逐渐减小；土壤含水量由表土层到深土层上为“S”形，含水量先增大后减小，垂直变化特征明显；刺槐林地和沙棘地需要消耗更多深层土壤水分，容易出现土壤干燥化; 谷子梯田和小蓟草地的土壤水分条件较好，谷子梯田对土壤水分的调控作用较好，土壤水分在垂直方向上的变化较为平缓。.（2）土壤水δD的变化范围为-77.31‰~-39.34‰；δ18O的变化范围为-10.52‰~-3.19‰。在水分入渗过程中，活塞流和优先流并存，优先流的发生于植被类型有关。植被影响的土壤蒸发差异是4种植被类型土壤水氢氧同位素组成发生变化的主要原因，谷子梯田、沙棘地和小蓟草地土壤水蒸发分馏程度较小，降水入渗的量更大、速度更快，对土壤水的补给较好。刺槐林地蒸发分馏程度较大，小的降水事件降水容易蒸发且不易下渗。植被覆盖的变化（谷子、沙棘和草本植物转化为刺槐）会使降水补给深层土壤水及地下水的难度增加，从而不利于黄土高原丘陵区水资源的可持续利用。.（3）当地大气降水线、河水、地下水和土壤水蒸发线分别为δD=7.90δ18O+22.08、δD=4.63δ18O-12.19、δD=4.42δ18O-16.75、δD=4.68δ18O-24.23。降水和地下水补给河水的比例分别为43.90%和56.10%。土壤水和河水补给地下水的比例分别为68.86%和31.14%。研究区地下水补给与0~30 cm表层和200~300 cm深层土壤水关系密切。