太行山前平原典型灌溉农田深层包气带水分运动过程研究

Agricultural activities have leaded to water table decline and have caused accumulation of contaminants in deep vdose zone in the Taihang piedmont plain. The downward movement of water through deep vadose zone under irrigated cropland, which eventually reach water table, is the main mechanism of groundwater recharge in this region and pose a serious threat to groundwater quality. Thus, the study on the process of water movement in the deep vadose zone is important to quantify groundwater recharge and evaluate the time lags of influence of agricultural activities on groundwater resources. However, the knowledge on the water movement process in deep vadose zone is still limited. Relied on the Luancheng Agro-ecosystem Experimental Station of Chinese Academy of Science, which is representative of irrigated cropland in the Taihang piedmont plain, the project intends to carry out in situ observations on water content, water potential and water flux in vadose zone (0-43 m) under typical irrigated cropland. In combination with deep vadose zone (0-30 m) sampling and measurement, soil water budget, numerical model and environmental tracers will be used to estimate the soil water flux, velocity of soil water displacement and velocity of the wetting front. Then, the process of water movement in deep vadose zone will be clarified. Based on these analyses, the groundwater recharge rate and recharge time lags will be further evaluated in the past decades. The results of the study will provide a scientific basis for assessing the regional water balance and establishing reasonable policies on governance of groundwater resources in the study area.

太行山前平原农业生产活动引起地下水位持续下降，并导致大量污染物储存于深层包气带。水分携带污染物通过深层包气带向下运动渗入地下水，既是该区域地下水主要补给方式，也对地下水水质构成严重威胁。明确农田深层包气带水分运动过程，对确定地下水补给量及评估农业生产活动对地下水的影响至关重要。然而，当前对农田深层包气带水分运动过程的认识仍然比较薄弱。本项目拟依托在太行山前平原农田区具有代表性的中国科学院栾城农业生态系统试验站，对典型灌溉农田包气带开展最大深度达43 m的含水量、基质势和水分通量观测，结合0-30 m深度的包气带剖面采样与测定，利用水量平衡、数值模拟和环境示踪等手段，确定水分通量、水分推移速率和湿润锋运移速率，阐明农田深层包气带水分运动过程，查明过去几十年典型农田地下水垂向补给量及补给滞后时间。研究成果可为分析区域水量平衡特征以及制定合理的地下水资源管理政策提供科学依据。

太行山前平原农业生产活动引起地下水位持续下降，并导致大量污染物储存于深层包气带。水分携带污染物通过深层包气带向下运动渗入地下水，既对含水层形成补给，也对地下水水质构成严重威胁。明确农田深层包气带水分运动过程，对于确定地下水补给量及评估农业生产活动对地下水的影响至关重要。本项目依托在太行山前平原农田区具有代表性的中国科学院栾城农业生态系统试验站，对典型灌溉农田包气带0-15 m 深度的剖面进行了连续定位观测，并开展了最大深度达44 m的包气带采样和分析，利用水量平衡、数值模拟和环境示踪等手段，确定了水分通量、水分推移速率（平均孔隙水流速）和湿润锋运移速率，阐明了农田深层包气带水分运动过程，查明了过去几十年典型农田地下水垂向补给量及补给滞后时间。研究发现：1）典型冬小麦夏玉米农田2 m 深度以下深层包气带的水分维持在并略高于田间持水量水平，以每年大约207 mm 的通量向下运移；2）深层包气带中累积了大量的盐分，对地下水水质构成严重威胁；3）湿润锋运动速率（0.13 m/d）比平均孔隙水流速（1.14 m/yr）高出40多倍，导致地下水水质对地表过程的响应远落后于地下水水位，长期灌溉引起深层土壤的高含水量是这一现象的主要原因；4）山前平原六种典型土地利用类型（小麦玉米、单季玉米、休耕地、自然植被、蔬菜和果园）下的地下水多年平均补给量分别为206、150、194、46、320和49 mm/yr。本项目成果可为地下水量质的科学评估以及制定合理的地下水资源管理政策提供科学依据。