利用同位素示踪技术揭示土壤水分运动和地下水补给机制

　　自土壤水“可移动”和“不可移动”两种水体理论被提出以来，对水文模型改进、生态水文和水文过程的认识具有重要的推进作用。受土壤非均质性、土壤裂隙、大孔隙等因素影响，土壤水存在“优先流”和“活塞流”两种运动方式，因此土壤中存在两种不同的水库（“可移动”水和“不可移动”水），“可移动水”主要补给地下水和地表径流，“不可移动水”供植被蒸散和土壤蒸发消耗。这一理论在地中海气候区被得到充分的验证，然而，由于土壤水储量和水分运动具有很高的非均质特征，同时对气象要素时空变化的响应较为复杂，因此研究不同气候区和土壤条件下土壤水分运动和水资源分配机制及其影响因素非常重要。

　　太行山低山丘陵区是华北平原地表水和地下水的重要补给区，近年来受人类活动的影响，植被恢复、耕地面积增加，水分蒸散发损失增加，从而使得降水对地下水补给量减少，山区产流和来水量减少。包气带是连接大气层和地下水的中间圈层，理解气候和土地利用变化条件下土壤水分运动机制和地下水补给过程对上游水源涵养、平原区水资源管理和水环境保护具有重要意义。

　　中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心王仕琴课题组郑文波利用稳定同位素示踪技术揭示了极端降水和土地利用对太行山低山丘陵区典型流域土壤水分运动方式和地下水补给机制的影响。通过对比分析平水年份和丰水年（极端降水）降水补给地下水过程中同位素分布，研究发现，平水年连续降水后，降水仅影响自然植被和农田包气带表层土壤（0～30cm），深层土壤水和地下水对降水响应不显著，平水年无大暴雨时降水主要以“活塞流”的方式补给地下水；水文条件的改变是土壤水分运动方式改变的主要因素，丰水年极端降水后，降水补给地下水过程从“活塞流”转变为“活塞流”和“bypass flow”（优先流）方式，农田耕作、土石“二元结构”等条件促进了“优先流”的发生，研究表明丰水年极端降水后降水以“bypass flow”形式补给地下水比例达到42%。

　　由水文条件的变化引起的“bypass flow”，对半干旱半湿润地区的地下水补给具有重要意义，也增加了土壤表层累积污染物通过优先流进入地下水的风险。

　　该研究野外试验在太行山山地生态试验站完成，研究得到国家自然科学面上基金（41471028，41530859）、国家重点研发计划（2016YFD0800100）和中科院“百人计划”项目资助，该论文发表于水文学期刊Journal of Hydrology。

自然植被和农田土壤水运动方式及地下水补给机制概念模型