人工补水和极端降雨对土壤水-地下水相互作用的影响机制研究

《Agricultural Water Management》：Interactions between soil water and groundwater differ during artificial recharge and extreme rainfall periods

本研究针对极端降雨与人工补水事件对水文过程影响模式的差异问题，通过在中国典型区域实施高分辨率同步监测，结合稳定氢氧同位素和氮氧同位素技术，揭示了人工补水与极端降雨对土壤水文过程的差异化影响规律。研究发现人工补水呈现“自下而上”的影响模式，而极端降雨则表现为“自上而下”的模式，同时两种事件均导致硝态氮在土壤中的迁移转化。该研究为理解气候变化和人类活动下的水循环过程提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，水资源短缺问题日益严峻。华北平原作为中国重要的粮食生产基地，长期面临着地下水超采和水资源短缺的双重压力。与此同时，极端降雨事件的频率增加和人工补水工程的实施，正在深刻改变着区域的水文循环过程。然而，关于这两种不同驱动因素对土壤水-地下水相互作用的影响机制，科学界仍缺乏系统认识。

为了揭示这一科学问题，河北农业大学的研究团队在《Agricultural Water Management》期刊上发表了一项创新性研究。该研究以白洋淀流域为典型研究区，通过建立高分辨率同步监测系统，系统探究了人工补水和极端降雨事件对土壤水-地下水相互作用的差异化影响。

研究团队采用了多技术融合的研究方法。首先，在野外布设了包括水位监测传感器和土壤水分计在内的自动化监测设备，实现了对河水、地下水、土壤水和降雨的高频同步监测。监测点覆盖了农田、过渡带和林地等不同土地利用类型，形成了完整的监测网络。其次，研究运用稳定氢氧同位素（δD、δ¹⁸O）和氮氧同位素（δ¹⁵N）技术，通过分析不同水体中同位素组成特征，揭示了水分运移路径和氮素转化过程。此外，还采用了紫外分光光度法测定硝态氮浓度，并结合统计学方法对监测数据进行了系统分析。

3.1 人工补水和极端降雨期间土壤水分运动的变化

研究发现土壤水分在垂直和时间尺度上均表现出显著差异。在人工补水期间，土壤水分呈现出"自下而上"的影响模式，即补水首先引起地下水位上升，进而通过毛细作用影响深层土壤水分。具体表现为100-120厘米土层水分含量显著增加，与地下水位变化呈显著正相关（r=0.891-0.982）。而在极端降雨期间，则出现"自上而下"的湿润模式，降雨水分从表层土壤向下渗透，最终引起地下水位上升。这种差异化的影响模式揭示了不同驱动因素作用下水分运移的独特机制。

3.2 地下水位和土壤水分对人工补水的响应

监测数据显示，人工补水开始后，河水位于5月28日至6月1日期间从0.71米上升至0.79米，地下水响应表现出明显的空间分异特征。距离河流最近的林地（29.55米）在一天内即产生响应，而过渡带（145.12米）和农田（212.9米）的响应存在时间滞后。同位素分析结果进一步证实了地表水与地下水之间存在强烈的交换作用，且这种交换强度随着与河流距离的增加而减弱。

3.3 地下水位和土壤水分对降雨的响应

极端降雨事件（2021年10月4-6日，累计降雨量99毫米）对水文系统产生了显著影响。与常规降雨主要影响表层土壤（20-80厘米）不同，极端降雨使得整个土壤剖面（0-180厘米）水分含量均出现明显增加，其中40-120厘米土层增幅最为显著（7.07%-8.90%）。相关分析显示，极端降雨期间深层土壤（120-200厘米）水分与降水量呈极显著正相关（r=0.970-0.989，p<0.01），表明极端降雨能够有效补给深层土壤水分和地下水。

3.4 降雨和生态补水驱动的地下水硝态氮浓度变化

研究发现不同水文事件对氮素迁移的影响存在显著差异。极端降雨导致农田土壤0-120厘米土层硝态氮含量减少32.29-160.90毫克·千克^-1，累积峰从40-60厘米下移至80-100厘米，表明强烈的淋溶作用。而人工补水主要通过改变地下水位波动来影响硝态氮的重新分布，特别是在80-140厘米土层表现出明显的硝态氮储量变化。值得注意的是，生态补水对硝态氮迁移的影响还表现出明显的季节差异，夏季＞春季＞冬季。

研究结论部分强调，极端降雨作为地下水补给的主要驱动力，通过"自上而下"的快速入渗模式有效补充含水层；而人工补水则以"自下而上"的方式，通过侧向渗流和毛细作用局部影响地下水位。这两种模式在补给效率、影响深度和空间范围上均存在本质差异。

讨论部分进一步阐述了这些发现的重要意义。首先，研究结果为指导农业水肥管理提供了科学依据，例如在预报雨季前减少施肥可有效降低硝态氮淋失风险。其次，明显的河-地下水相互作用提示，控制河岸带的农业活动是改善水质的重要措施。研究还指出，未来需要重点关注不同土地利用模式下浅层和深层地下水区的水文特征及氮素迁移过程，为华北平原等缺水地区的水资源综合管理提供决策支持。

该研究的创新性在于首次系统揭示了人工补水和极端降雨对土壤水-地下水相互作用的不同影响机制，为理解气候变化背景下水文过程的响应规律提供了新的视角。研究成果不仅对白洋淀流域的水资源管理具有直接指导意义，也为类似地区的生态补水工程和极端天气应对策略提供了重要参考。