农田层状非饱和带-地下水系统水分转化机理的同位素示踪与模拟研究

华北平原中部地下水浅埋区农田分布广泛，降水、土壤水和地下水关系密切，而且非饱和带的层状结构使得水分转化更为复杂，开展层状非饱和带-地下水系统水分转化机理的实验观测和同位素示踪研究并建立水分转化模型具有重要意义。在室内层状和均质土柱入渗实验、田间定位观测和不同水体同位素测定基础上，采用时间序列方法分析土壤水分的动态变化规律及其对降水的响应特征，根据同位素分布特征并结合水量平衡方法，确定地下水补给、根系吸水和蒸散发等界面通量的水分来源和比例，揭示非饱和带-地下水系统水分转化规律，探讨非饱和带层状结构对土壤水-地下水转化的影响机制。以此为基础，建立基于水量平衡、同位素守恒和土壤水动力学等原理的农田非饱和带-地下水系统水分转化模型，模拟分析研究区不同水文年与不同灌溉和地下水位条件下的水分转化通量规律。本研究可以深化对农田水循环过程的理解，也可为华北平原地下水资源合理利用和农业高效用水提供科学依据。

本项目以基于称重式蒸渗仪和人工气候室的夏玉米五水转化室内实验和不同水氮处理下冬小麦-夏玉米水分转化的田间小区试验为基础，运用水量平衡、土壤水动力学、同位素示踪和模型模拟等理论方法，分析了土壤水分、深层渗漏量和腾发量等水分转化分量的动态变化规律，确定了地下水补给、根系吸水和蒸散发等界面通量的水分来源和比例，探讨了土壤结构和地下水位对农田非饱和带—地下水系统水分转化的影响机制，建立了农田根区水量平衡和水分转化模型，模拟分析了华北平原典型农田区不同水文年的最优灌溉制度、地下水补给量及其影响因素。. 研究结果表明：（1）拔节-抽雄吐丝期为夏玉米需水的高峰期，层状土壤结构（砂壤土-粉壤土-壤砂土）的作物耗水量（358.2mm）高于均质土壤（砂壤土）的作物耗水量（342.2mm），不同下边界条件（自由排水和地下水位埋深2.5m）对作物耗水量无明显影响。（2）冬小麦返青-拔节期、拔节-抽穗期、抽穗-收获期的主要根系吸水深度分别为：0-40cm（62%）、40-80cm（74%）、80cm-150cm（58%），夏玉米播种-拔节、拔节-抽雄、抽雄-收获期的主要根系吸水深度分别为：0-20cm(95%)、20-40cm（74%）、0-20cm（67%）；冬小麦、夏玉米蒸腾量占蒸散发总量的比例分别为72.1%和85.4%。（3）相对传统灌溉制度，优化灌溉制度条件下栾城、通州和禹城地区地下水补给量分别减少了77.0mm、202.6mm和201.9mm； 栾城地区为细质地土壤，地下水位埋深较大，作物耗水主要来源为降水和土壤储水；通州地区为粗质地土壤，遇强降雨则形成地下水补给；禹城地区地下水位埋深较浅，降水或灌溉水对地下水补给的过程历时短。. 本研究的开展为华北平原农田水循环研究提供了科学依据，同时为农业高效用水和地下水资源合理利用提供理论基础，指导农业灌溉实践。