基于水同位素数据的干旱灌区土壤水分运移过程与灌溉优化研究

本研究针对干旱灌区灌溉水利用效率低下的问题，通过稳定氢氧同位素技术追踪玉米田土壤水分运移与蒸发蒸腾分配（T/ET），揭示了灌溉后24.65%水分下渗至1米以下、13.6%因蒸发损失的规律，并提出夜间灌溉可提升水分利用效率。成果为西北干旱区农业节水提供了关键理论支撑。

　　

在西北干旱区的广袤农田里，每一滴水都显得弥足珍贵。然而传统的大水漫灌方式却让宝贵的水资源大量流失——有的渗入作物根系无法触及的深层土壤，有的则直接蒸发到空气中。这种粗放的灌溉模式与日益严峻的水资源短缺矛盾，成为制约干旱区农业可持续发展的"卡脖子"难题。更令人忧心的是，科学家们对灌溉后水分具体去向的认知仍存在盲区，特别是对土壤蒸发（E）与作物蒸腾（T）的动态分配机制缺乏精准量化手段。

西北师范大学的研究团队选择甘肃民勤县大滩乡玉米田作为天然实验室，通过两年田间观测揭开了灌溉水"消失之谜"。研究人员采用稳定同位素示踪技术，结合土壤水分平衡方程和同位素质量守恒原理，首次在小时尺度上解析了干旱灌区土壤水分运移与蒸发蒸腾分配的动态规律。相关成果发表在土壤科学领域权威期刊《Geoderma》上。

研究团队运用三项关键技术：1）通过真空蒸馏系统提取土壤和植物茎秆水样，采用液态水同位素分析仪（DLT-100）测定δ²H和δ¹⁸O值；2）基于Craig-Gordon模型计算土壤蒸发水汽同位素组成；3）利用同位素稳态假设（ISS）和Keeling曲线法量化小时尺度T/ET比值。

【土壤水分迁移规律】

通过分析2019年三次灌溉事件发现，灌溉后5天内水分呈现"表层锐减-深层递增"的运移特征。首日灌溉水在0-0.2m、0.2-0.6m和0.6-1m土层的入渗量分别占42.6%、28.5%和11.5%，而第五日深层（0.6-1m）入渗比例升至38.3%，表明水分持续向下迁移。同位素示踪显示，整个生长季平均24.65%的灌溉水渗漏至1米以下，13.6%通过土壤蒸发损失。

【蒸发蒸腾分配特征】

小时尺度监测揭示T/ET呈"昼低夜高"的节律性变化：14:00-16:00出现谷值（45.8%），而19:00至次日8:00维持高位（平均68%）。这种动态与太阳辐射强度显著相关，正午高温既促进土壤蒸发又诱发气孔关闭，导致水分利用效率降低。

【灌溉时序调控机制】

研究发现中午灌溉会使T/ET日变幅扩大33%，日均值降低15%，而早晚灌溉则能维持较高T/ET水平。机理在于夜间灌溉既避开了蒸发高峰，又为水分下渗预留了充足时间，使更多水分转化为有效根系储水。

这项研究为干旱区灌溉优化提供了三重启示：首先，"小量高频"的灌溉模式可减少深层渗漏；其次，19:00-8:00的灌溉时间窗口能最大限度抑制蒸发损失；最后，结合滴灌等精准灌溉技术可进一步提升水分利用效率。这些发现不仅破解了传统灌溉中"水去哪了"的科学谜题，更为实现"以水定植"的精准农业管理提供了理论依据。在全球气候变化加剧水资源短缺的背景下，该成果对干旱区农业可持续发展具有重要指导价值。