利用同位素示蹤技術揭示土壤水分運動和地下水補給機制

　　自土壤水“可移動”和“不可移動”兩種水體理論被提出以來，對水文模型改進、生態水文和水文過程的認識具有重要的推進作用。受土壤非均質性、土壤裂隙、大孔隙等因素影響，土壤水存在“優先流”和“活塞流”兩種運動方式，因此土壤中存在兩種不同的水庫（“可移動”水和“不可移動”水），“可移動水”主要補給地下水和地表徑流，“不可移動水”供植被蒸散和土壤蒸發消耗。這一理論在地中海氣候區被得到充分的驗證，然而，由于土壤水儲量和水分運動具有很高的非均質特征，同時對氣象要素時空變化的響應較為復雜，因此研究不同氣候區和土壤條件下土壤水分運動和水資源分配機制及其影響因素非常重要。

　　太行山低山丘陵區是華北平原地表水和地下水的重要補給區，近年來受人類活動的影響，植被恢復、耕地面積增加，水分蒸散發損失增加，從而使得降水對地下水補給量減少，山區產流和來水量減少。包氣帶是連接大氣層和地下水的中間圈層，理解氣候和土地利用變化條件下土壤水分運動機制和地下水補給過程對上游水源涵養、平原區水資源管理和水環境保護具有重要意義。

　　中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心王仕琴課題組鄭文波利用穩定同位素示蹤技術揭示了極端降水和土地利用對太行山低山丘陵區典型流域土壤水分運動方式和地下水補給機制的影響。通過對比分析平水年份和豐水年（極端降水）降水補給地下水過程中同位素分布，研究發現，平水年連續降水后，降水僅影響自然植被和農田包氣帶表層土壤（0～30cm），深層土壤水和地下水對降水響應不顯著，平水年無大暴雨時降水主要以“活塞流”的方式補給地下水；水文條件的改變是土壤水分運動方式改變的主要因素，豐水年極端降水后，降水補給地下水過程從“活塞流”轉變為“活塞流”和“bypass flow”（優先流）方式，農田耕作、土石“二元結構”等條件促進了“優先流”的發生，研究表明豐水年極端降水后降水以“bypass flow”形式補給地下水比例達到42%。

　　由水文條件的變化引起的“bypass flow”，對半干旱半濕潤地區的地下水補給具有重要意義，也增加了土壤表層累積污染物通過優先流進入地下水的風險。

　　該研究野外試驗在太行山山地生態試驗站完成，研究得到國家自然科學面上基金（41471028，41530859）、國家重點研發計劃（2016YFD0800100）和中科院“百人計劃”項目資助，該論文發表于水文學期刊Journal of Hydrology。

自然植被和農田土壤水運動方式及地下水補給機制概念模型