不同作物覆盖对农业区地下水入渗补给的影响分析

李昊旭，邵景力，崔亚莉，马小波

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083； 2.宁夏回族自治区水文环境地质勘察院，宁夏 银川 750011)

降水、灌溉水通过非饱和带垂向入渗进入含水层的过程属于地下水的直接补给[1]，是大多数地区地下水资源的重要组成部分。影响地下水垂向入渗的因素很多，而在农业区，地表植被覆盖以农作物为主，作物的种植种类成为农田地下水垂向入渗补给的主要影响因素之一。植被覆盖对地下水入渗补给的影响已有较多研究，但以天然植被居多，如Abdul R Bah等人对降雨、植被和土壤特征对地下水入渗补给的影响进行了研究[2]，尹立河等人对干旱区植被盖度增加对降水入渗补给地下水的影响进行了研究[3]，杨峰研究了毛乌素沙地植被影响下包气带水分运移规律[4]。对农田作物的研究主要以小麦和玉米为主，如林丹用溴示踪剂计算了冬小麦夏玉米对地下水入渗补给量的影响[5]。

目前，地下水垂向入渗补给量的计算方法很多，如蒸渗仪法[6]、零通量法[7]、水均衡法[8]、达西定律法[9]、示踪剂法[10]和数值模拟法[11]。尽管数值模拟法存在一些问题，但综合对比各种计算方法的特点和适用条件，模拟非饱和带水流仍是计算入渗补给量最为有效的方法[12-13]，具有更好的合理性和可操作性。

本文基于宁夏中卫平原两个包气带水分运移原位试验数据，运用HYDRUS-1D软件模拟不同地表覆盖情况下的土壤水分运移；计算不同作物生长期内地下水垂向入渗补给量，并分析单次灌溉量、最大根系埋深、生长期天数和叶面积指数4个农作物种植因子对地下水垂向入渗补给情况的影响。

1 试验数据与研究方法

1.1 研究区概况

卫宁平原位于宁夏回族自治区，地处西北内陆，属引黄灌溉区，具有典型的中温带干旱区大陆性气候特征，年平均降雨量仅为173.64 mm，年蒸发高达1 477.53 mm。卫宁平原包气带岩性上部以壤土为主，下部为砂砾石层，大部分区域包气带厚度为1～5 m。资料显示，卫宁平原地下水循环以垂直交替为主[14-15]，包括大气降水入渗补给和灌溉入渗补给的垂向补给量约占卫宁平原地下水补给资源量的66%[16]，蒸发排泄是平原区地下水的主要排泄途径[17]。

1.2 野外试验及数据获取

本次研究在卫宁平原的东部和西部建立了中卫和中宁两个试验点(图1)。试验点设置于农田区，各包括裸地和植被两个试验组。试验点地下水位埋深较浅，一般为0.3～2.6 m。

本次试验在2 m厚的包气带剖面上埋设了DLS系列负压计[18]、土壤温度记录仪、DLS土壤水采样器，在试验点附近设置SM1型雨量器、AM3型蒸发皿和地下水位观测孔。其中，每个试验点埋设土壤水负压计30支(裸地组和植被组各15支)、DLS土壤水采集器8支、土壤温度记录仪探头6支。试验主要观测了土壤水负压值、地下水位、土壤温度、蒸发皿蒸发量和降水量。中卫试验点包气带剖面研究深度为2 m，中宁试验点包气带剖面研究深度为2.6 m。具体设备埋设情况见图2。

本次试验观测期为2013年6月15日—2014年10月31日，土壤水负压值和地下水位埋深在观测期内每天早8:00进行观测，土壤温度每2个小时自动观测并记录。气象数据主要来自当地的气象站，部分数据用试验点测量的降雨量进行修正。试验点在观测期内种植了3种不同的作物，分别为玉米、茄子和枸杞。其中，玉米是当地典型粮食作物，茄子是当地常见蔬菜作物，枸杞是当地广泛种植的特色经济作物。试验中，3种作物的生长期天数由实测得到，枸杞的最大根系埋深由实测得到，玉米和茄子的最大根系埋深根据当地农民经验估测取值。由于试验条件所限，作物的叶面积指数根据前人在相关植被生长研究中的测定值取得[19]，基本符合当地作物的生长情况。农作物灌溉为渠水漫灌，灌溉量由当地农民估测得到。作物种植情况如表1所示。

为了确定包气带岩性及其参数，分别对两个试验点不同深度的包气带土壤进行取样。土壤各粒组含量采用密度计法进行测定，并依据美国农业部的土壤定名标准[20]，对试验点各层位土壤进行定名。

表1 试验点作物种植情况Table 1 Crop planting at the experiment stations

图1 试验点位置图Fig.1 Location of the in situ experiments

图2 试验点土壤剖面及监测设备布置图Fig.2 Soil profiles and Layout of the monitoring devices layout at the experiment sites

1.3 数值模拟

1.3.1数学模型和数值模拟方法

试验点均位于农田区域，上边界地表受降雨、漫灌以及蒸发的影响，模型的上边界采用可积水的大气边界。地下水位埋深较浅，土壤水分运移受地下水位影响，模型下边界设定为变水头边界。

变饱和带水流的控制方程为理查德方程：

(1)

式中：θ——含水率；

h——负压水头；

t——时间；

z——埋藏深度；

K——土壤非饱和导水率；

S——考虑根系吸水的源汇项。

在本次研究采用HYDRUS-1D软件对试验点的土壤水分运移进行模拟[21]。根据两个试验点的土壤样品分析结果和地下水位动态变化，将中卫试验点模拟剖面厚度定为2 m，模型空间上分为8层；中宁试验点模拟剖面厚度定为2.6 m，模型空间上分为9层。模拟时间见表1。两个试验点在垂向上均按1 cm等间距进行空间剖分。时间剖分方式采用变时间步长法。

1.3.2非饱和土壤水分特征参数

在模拟中，van Genuchten-Mualem模型被用于描述土壤含水量与负压水头之间的关系[21]：

(2)

式中：θr——残余含水率；

θs——饱和含水率；

α——空气进气值的倒数；

Ks——饱和导水率；

n——孔隙的大小分布指数；

l——孔隙连通参数；

Se——有效饱和度。

模型中土壤水分特征曲线采用HITACHI-CR21GⅢ型高速离心机进行测定，并利用RETC软件，采用van Genuchten方程进行拟合，确定了相关参数。饱和导水率采用BS-STXS11-1型饱和渗透系数测定装置，用变水头方法进行测定。实测结果见表2。考虑到中宁试验点包气带岩性渗透性强，且试验点地下水位埋深小，模拟中其土壤参数取值为HYDRUS-1D软件数据库中的砂土的经验参数。

1.3.3根系吸水

本次研究中，应用根系生长和根系分布模型来描述根系吸水过程，即在式(1)中源汇项S(h)被定义为单位时间单位土壤体积根系吸水量。考虑不同植被特

表2 试验点实测土壤特征参数Table 2 Measured soil characteristic parameters of theexperiment sites

点，采用Feddes等[22]公式建立玉米组吸水模型，利用S形根系吸水模型[21]描述茄子组和枸杞组吸水过程：

S(h)=α(h)Sp(4)

Sp=b(z)Tp(5)

式中：Sp——潜在根系吸水率；

Tp——潜在蒸腾率；

b(z)——标准化根系吸水分布函数；

α(h)——土壤水负压值的函数(0 ≤α≤ 1) ，描述根系吸水对水分胁迫响应。

1.3.4潜在蒸散量

在大气边界条件的模拟中，需要先获得地表和植被的潜在蒸散量。本次研究选取Hargreaves 公式[23]估算蒸发蒸腾量：

(6)

式中：Ra——地外辐射/(mm·d-1)或(J·m-2·s-1)

Tm——日平均气温/℃；

TR——日最大气温差/℃。

根据FAO有关植被潜在蒸散量的计算[23]，潜在蒸散量表示为：

ETp=Kc·ET0(7)

式中：Kc——植被蒸散系数。

研究中，植被组的植被蒸散系数参考了FAO关于玉米、茄子和灌木浆果类植物的相关系数[23]。

根据Beer定律，将通过植被冠层截取的太阳辐射从能量平衡中分划出来[21]：

Ep=ETp·e-k·LAI(8)

Tp=ETp(1-e-k·LAI) (9)

式中：Ep——潜在蒸发量/LT-1；

LAI——叶面积指数；

k——植被消光系数，取值为经验参数0.463[21]。

2 结果与讨论

2.1 拟合效果分析

本次模拟运用参数反演模型结合人工调整参数的方法优化θr、θs、α、n和Ks等参数，结果见表3。模型拟合了模拟期两个试验点包气带土壤剖面上15个不同深度的实测土壤水负压值共120组。图3给出了2013年中卫试验点埋深20 cm、60 cm和160 cm处的土壤水负压值拟合情况。由图可见，模型拟合效果较好，并且埋深较大处的拟合效果好于埋深较小处。

为了定量评价模型拟合效果，研究采用Nash效率系数(NSE)和确定系数(R2)两个评价指标进行评价[24]。本文选取部分观测期内模型拟合的误差参数见表4。可见，近地表和埋深较浅处的土壤水负压值由于受外界影响较多拟合效果略差，模拟误差随埋深增大而减小。总体看，模型反映了该地区包气带水分运移的规律。

两个试验点包气带的土壤水分均衡情况见表5。从包气带对地下水的净补排情况看，中卫试验点2013年玉米种植期内地下水通过包气带受到降雨和灌溉的补给，2014年茄子种植期内地下水通过包气带以蒸散发的方式排泄进入大气，中宁试验点在两年模拟期内地下水均受到补给。在模拟期内两个试验点的包气带水分储存量变化均为负均衡。

2.2 地下水灌溉入渗补给影响因素分析

(1)场景设置

为了更好地对比各个因素对地下水垂向入渗补给量的影响，本文以中宁试验点的包气带岩性和2014年观测期的气象条件为前提建立基准模型，模拟期为2014-04-15—2014-10-31。以中宁试验点在2014年观测期内的平均地下水位埋深167 cm为基准地下水位埋深。综合参考试验点所种植的三种作物的生长特征和灌溉模式，将单次灌溉量设为100 mm，共灌溉7次，最大根系埋深设为60 cm，生长期天数设为130 d，叶面积指数取值1～3。模型中不考虑植被蒸散系数的影响，蒸散系数取值为1。为了避免地下水位波动对不同作物因子情况下地下水垂向补给结果的影响，模拟中将模型下边界设为定水头边界。并分别对各影响因子进行不同增减率的处理，对比地下水垂向入渗补给量的变化。结果见表6和图4。

图3 中卫试验点2013年埋深20 cm、60 cm和160 cm土壤水负压值观测值和模拟值对比图Fig.3 Fitting effect of the observation and simulation soil water pressure heads at the depth of 20 cm, 60 cm, 160 cm at the Zhongwei experiment site

试验点埋深/cm岩性θrθsα/(cm-1)nKs/(cm·d-1)中卫试验点0～20壤土0.07 0.40 0.007 0 1.52 7.47 20～400.07 0.40 0.005 1 1.13 8.56 40～60砂壤0.05 0.39 0.011 4 2.20 42.20 60～80粉黏壤0.09 0.44 0.001 0 1.08 25.00 80～110砂壤0.04 0.39 0.005 6 1.79 33.15 110～1500.07 0.43 0.001 0 1.84 19.99 150～175粉壤0.08 0.43 0.010 0 1.68 61.26 175～2000.08 0.50 0.070 0 1.10 65.02 中宁试验点0～300.05 0.40 0.007 5 1.45 8.00 30～75粉壤0.05 0.40 0.005 0 1.45 5.00 75～1150.05 0.40 0.007 5 1.45 5.00 115～140壤土0.06 0.41 0.006 0 1.59 18.69 140～150砂壤0.04 0.38 0.038 6 1.53 65.56 150～170粉壤0.07 0.46 0.005 9 1.63 15.13 170～190壤土0.05 0.39 0.010 4 1.50 18.63 190～200粉壤0.07 0.44 0.005 1 1.63 14.24 200～260砂卵砾石0.05 0.43 0.050 0 2.68 712.80

表4 模型拟合效果Table 4 Fitting effect of the simulations

表5 试验点包气带水分均衡Table 5 Moisture balance of the vadose zones atthe experiment sites

注：地下水净补排量中，正值为补给量，负值为排泄量。

(2)地下水位埋深

研究区地下水位埋深较浅，包气带厚度的变化对地下水垂向入渗补给量的影响明显。本文以基准地下水位埋深167 cm为基础，参考观测期内试验点水位埋深变化，分别模拟了地下水位埋深117 cm、167 cm、217 cm和267 cm情况下，单次灌溉量、最大根系埋深、生长期时间和叶面积指数对地下水垂向补给情况的影响。

由表6可见，随着包气带厚度的增加，水分更多会滞留在包气带中，从而导致地下水接受的入渗补给量随地下水位埋深增大而减少。

表6 不同作物因子对地下水入渗量影响情况Table 6 Effect of different crop factors on groundwater recharge via infiltration

(3)单次灌溉量

单次灌溉量的变化直接影响了入渗补给水源的变化。由表6可见,单次灌溉量变为50 mm(-50%)时，地下水入渗补给量减少315.7 mm，相当于减少75.46%；单次灌溉量变为150 mm(+50%)时，地下水入渗补给量增加336.33 mm，相当于增加80.4%。由图4a可见，地下水入渗补给量随单次灌溉量的增大而增加。

(4)最大根系埋深

由表6和图4b可见，基准条件下，最大根系埋深变为30 cm(-50%)时，地下水入渗补给量减少5.69 mm，相当于减少1.36%；最大根系埋深变为90 cm(+50%)时，地下水入渗补给量增加4.98 mm，相当于增加1.19%。地下水入渗补给量随植被最大根系埋深的增大而增加。这是由于包气带厚度较小，漫灌(100 mm)使根系层土壤呈近饱和状态，使得植被有氧呼吸受抑制，影响根系水分吸收，因而，植被根系生长范围越大，地下水接受的入渗补给量越大。

(5)生长期天数

由表6中可见，基准条件下，生长期天数变为65天(-50%)时，地下水入渗补给量减少8.13 mm，相当于减少1.94%；生长期天数变为195天(+50%)时，地下水入渗补给量增加0.5 mm，相当于增加0.12%。地下水入渗补给量随生长期天数的增加而增加，但变化幅度较小。这主要由于试验点地下水补给量以灌溉为主，而包气带厚度较小，漫灌(100 mm)使根系层土壤呈近饱和状态，抑制了植被根系吸水，使植被生长期内的地下水入渗补给量更大。

当生长期天数增长率大于20%时，入渗补给量不再随生长期天数的变化而变化(图4c)。这是由于灌溉主要集中在夏季和初秋，后期降雨量较小，未能对地下水入渗补给量产生影响，因此，生长期增加至143天后入渗补给量不再变化。

图4 入渗补给量在不同地下水位埋深下对各个作物因子变化的响应结果Fig.4 Response of groundwater recharge via infiltration to different crop factors under different groundwater depths

(6)叶面积指数

由表6和图4(d)所示，基准条件下，叶面积指数变为0.5～1.5(-50%)时，地下水入渗补给量减少4.32 mm，相当于减少1.03%；叶面积指数变为1.5～4.5(+50%)时，地下水入渗补给量增加2.63 mm，相当于增加0.63%。地下水入渗补给量随叶面积指数的增大而缓慢增加。这是由于叶面积指数增加，减少了植被的棵间蒸发量，而试验点包气带厚度较小，漫灌(100 mm)使根系层土壤呈近饱和状态，抑制了植被的根系吸水量和腾发量，因此，叶面积指数的增大使得地下水入渗补给量增加。

(7)综合影响分析

不同地下水位埋深情况下，分析4种影响因子对地下水入渗补给量的影响。可发现，在不同地下水位埋深情况下，地下水入渗补给量的大小均与单次灌溉量呈正相关。而在地下水位埋深为117 cm、167 cm时，地下水入渗补给量的变化与最大根系埋深、生长期天数和叶面积指数大致呈正相关，在地下水位埋深为217 cm和267 cm时大致呈负相关，见图4。

这是由于地下水位埋深在117 cm和167 cm时，包气带厚度较小，漫灌(100 mm)使根系层土壤呈近饱和状态，使得植被有氧呼吸受抑制，植被产生水分胁迫

现象，影响根系水分吸收，因而，植被生长越旺盛，地下水接受的入渗补给量越大；地下水位埋深在217 cm和267 cm时，包气带厚度变大，漫灌(100 mm)不再使根系层土壤饱和，植被根系的吸水和蓄水作用凸显。因而，植被生长越旺盛，地下水接受的入渗补给量越小。

由表4可见，这4个作物因子的增减所造成的地下水入渗补给量的变化程度各不相同。其中，单次灌溉量对地下水垂向入渗补给量的影响最为显著，其次是生长期天数和最大根系埋深，叶面积指数对地下水垂向入渗补给量的影响最弱。并且随着地下水位埋深的增大，不同作物因子对地下水入渗补给量的影响更加显著。

2.3 灌溉和降雨入渗系数分析

本研究对两个试验点的三种不同作物种植情况下的地下水入渗补给量和入渗补给系数进行了计算，结果见表7。

结果表明，植被组与裸地组的入渗系数相差较小。在种植玉米和枸杞的情况下，植被组的灌溉入渗系数稍大于裸地组，在种植茄子的情况下，植被组的灌溉入渗系数稍小于裸地组。这主要是由于试验点地下水位埋深小，种植玉米和枸杞所需单次灌溉量较大，大量水分使土壤呈近饱和状态，植被产生水分胁迫抑制根系吸水，从而水分更多入渗补给地下水。而种植茄子所需单次灌溉量较小，水分进入包气带，植被的根系蓄水作用阻碍了水分的下渗，从而使植被组地下水补给量小于裸地组。

表7 不同时期地下水垂向入渗补给情况Table 7 Groundwater recharge via vertical infiltration during different periods

试验点不同时期的降雨入渗系数差异较大，这是由于不同时期的降雨量、降雨频率和土壤含水率均有不同。总体上，2014年的降雨入渗系数大于2013年，并且降雨入渗系数相比灌溉入渗系数要小得多。

中卫试验点在玉米种植期内，灌溉次数少，单次灌溉量大，入渗系数也相对较大；在茄子种植期内，灌溉次数多，单次灌溉量小，入渗系数也相对较小。而中宁试验点在观测期内一直种植枸杞，两年的灌溉入渗系数相近。可见，由于不同农作物的生长特征和灌溉模式不同，其灌溉入渗系数也相差较大。并且在相同包气带岩性、灌溉模式和气象条件下，有作物生长与无作物生长情况下的灌溉入渗系数的差异相对较小，由此可得出，灌溉模式对灌溉入渗系数的影响大于作物生长特征。

由表7可见，种植玉米情况下的地下水垂向入渗补给强度最大，枸杞次之，种植茄子情况下的地下水入渗补给强度最小。这与三种作物的单次灌溉量大小关系相对应，验证了单次灌溉量大小与地下水入渗补给量呈正相关关系，其对地下水入渗补给量的影响显著。

由于试验点地下水入渗补给量以灌溉入渗为主，并且单次灌溉量大小对地下水入渗补给量影响明显大于其他3个作物因子。因此，在仅考虑单次灌溉量大小的条件下，对试验点灌溉入渗系数进行分析。在地下水位埋深为117 cm情况下，单次灌溉量50 mm时，灌溉入渗系数为0.5左右，单次灌溉量150 mm时，灌溉入渗系数为0.8左右，在地下水位埋深为167 cm情况下，单次灌溉量100 mm时，灌溉入渗系数为0.6左右，其结果分别与茄子种植期、玉米种植期和枸杞种植期内的灌溉入渗系数近似。

因此，在研究区地下水资源评价中，可以结合当地地下水位埋深和作物单次灌溉量条件来确定研究区灌溉入渗系数(表8)。

表8 不同地下水位埋深条件下单次灌溉量与灌溉入渗系数关系Table 8 Relationship between the single irrigation amount and coefficients of recharge from irrigation underdifferent groundwater depths

3 结论

(1) 根据野外原位试验观测数据，用HYDRUS-1D软件对2013、2014年观测期内的中卫、中宁两个试验点的包气带水分运移进行模拟，根据Nash效率系数(NSE)和确定系数(R2)两个评价指标显示拟合效果较好。

(2) 通过对不同作物影响因子的分析得出，试验点单次灌溉量的大小对地下水垂向入渗补给量的影响最为显著，其次是生长期天数和最大根系埋深，叶面积指数对地下水垂向入渗补给量的影响最小。随着地下水位埋深的增加，农作物种植因子对地下水入渗补给的影响也会增大。

(3) 种植玉米情况下的地下水垂向入渗补给强度最大，枸杞次之，种植茄子情况下的地下水入渗补给强度最小。根据单次灌溉量大小对灌溉入渗系数的影响最为显著，并综合考虑作物灌溉模式和地下水位埋深117～267 cm，给出了研究区农田区域在单次灌溉量为50～150 mm情况下对应的灌溉入渗系数参考值。