在黄土塬区，地下水资源是居民生活和农业灌溉的重要水源，然而降水如何穿过
深厚黄土层补给地下水的过程在学术上不确定；赋藏在黄土中的土壤水是该区水资源
的重要组成部分，但是深层土壤水资源的研究还不够充分。本文以探明黄土塬区深剖
面土壤水分特征（包括垂直分布及干燥化、时间动态、土壤水资源数量及水量平衡等）
及其补给地下水过程为目的，以长期定位监测和野外调查测定相结合测定不同土地利
用方式下深剖面土壤水分含量，以同位素示踪技术为手段研究黄土塬区降水—土壤水
—地下水之间的转换关系，主要研究结果如下：
1 土壤水分垂直分布规律
长武塬区 0~20 m 黄土剖面土质大多数为中壤，部分土层为重壤，剖面田间持水
量和萎蔫湿度分别为(21.39±0.13)%和（8.06±0.45）%。古土壤层物理粘粒含量较黄
土层高约 2%~6%，黏土化较强，同时古土壤层孔洞、孔隙发育较差。因此，与黄土
层相比，古土壤层具有较强的持水能力。
黄土深剖面水分垂直分布特征与黄土-古土壤序列有关，通常情况下黄土层内土
壤湿度向下递增，至古土壤层出现最大值，古土壤层内湿度向下递减，至下一层黄土
层出现最低值。这样一层黄土和一层古土壤构成一次湿度起伏，并有随剖面深度增加
湿度变大的趋势。
2 土壤水资源及干燥化
长期定位监测表明，土地利用方式能显著影响深层土壤含水量，且影响深度可达
10 m 深度以下。2009 年 10 月荒草地、18 年苹果园地、8 年和 23 年苜蓿草地 0~20 m
土层平均湿度分别为 18.89%、15.45%、14.77%和 10.59%，休闲地、高产农田、低产
农田和 4 年苜蓿草地 0~15 m土层平均湿度分别为 21.59%、18.67%、19.65%和 16.52%。
不同土地利用方式下，黄土深剖面土壤水资源量、土壤水分有效性不同，大小依次为
休闲地>低产农田>荒草地>高产农田>4 年苜蓿草地>18 年苹果林地>8 年苜蓿草地>23
年苜蓿草地。黄土塬区土壤干层可划分为两类：一类为发生在一年生作物地的暂时性干层，一
类为发生在多年生人工林草地的持久性干层。暂时性土壤干层土壤水分在丰水年可恢
复；持久性土壤干层的发展是一个由浅及深、由轻度到重度的渐进化过程，其土壤水
分只有在林草被移除后才能恢复。
3 土壤水分动态特征
研究区降水入渗深度与雨季降水量有显著的线性关系：D = a · P – b，不同土地
利用方式之间，系数 a、b 不同。一般情况下，不同土地利用方式之间降水入渗深度
大小依次为休闲地>低产农田> 苹果林地>高产农田>苜蓿草地。
土壤剖面上，浅层土壤含水量随时间变化剧烈，随深度增加，土壤水分随时间变
化逐渐减小。休闲地在 4 m 以上、低产农田在 5 m 以上、高产农田在 4 m 以上、苹果
林地在 4 m 以上、苜蓿草地在 2 m 以上土层含水量具有明显的时间变化，属土壤水分
可变层；但在这些深度以下土层土壤含水量动态变化较小，属土壤水分相对稳定层。
研究区土壤储水量季节变化分为 3 个阶段：土壤水分消耗期（3~7 月），土壤水
分恢复期（7~10 月）和土壤水分相对稳定期（10~翌年 3 月）。
与实验初期相比，休闲地 0~15 m 土层和低产农地下 0~8 m 土层土壤储水量均显
著增加，高产农地下土壤储水量无显著变化，苜蓿草地下土壤储水量显著减少。表明
四种土地利用方式下，只有休闲地和低产农地条件下深层土壤水分能够得到降水的补
给，而高产农地和苜蓿草地深层土壤水分将不能得到降水的补给。
4 土壤水量平衡中土体深度选择
土壤水量平衡计算中土层深度的确定非常重要，这不仅与土地利用方式相关，也
与林草植被的生长阶段相联。对于农田，土层深度选择不宜小于 4 m；对于苜蓿草地
和苹果林地，在其生长旺盛期土层深度选择不宜小于 15 m；因深层取样困难，一般
可取至 10 m 计算。苹果林地（1993 年栽植）取 10 m 深度时 ET 计算结果分别为取
15 m 计算结果的 94.9%（2010 年）和 99.0%（2011 年），苜蓿草地（2006 年种植）
取10 m深度时ET计算结果分别为取15 m计算结果的93.2%（2010年）和95.2%（2011
年）。对于休闲地，土层深度也应选取降水入渗深度。长武塬区降水入渗深度可由其
与雨季降水量关系式估算得出。
5 长武塬区大气降水、土壤水、地下水同位素组成特征
大气降水 δD 和 δ 18 O 的范围分别为−142.01 ‰ ~ −1.98 ‰和−19.62 ‰ ~ −1.17 ‰，
其平均值分别为−55.45 ‰和−8.09 ‰。大气降水线方程为 δD=7.39δ 18 O+4.34（R 2 =0.94，
n=71），研究区降水稳定同位素组成具有冬春高、夏秋低的季节变化特征，降水量较大或持续时间较长的降水事件的雨量效应显著，降水同位素值明显偏负。
土壤水中 δD 值变化范围为−126.47 ‰~−46.66 ‰，平均值为−75.13 ‰；δ 18 O 值变
化范围为−16.63 ‰~−4.30 ‰，平均值为−9.56 ‰。土壤水氢氧同位素值落于大气降水
线右下侧，表明降水在补给土壤水过程中，经历了强烈的非平衡蒸发过程，分馏明显。
土壤水同位素组成在浅层土层随时间变化剧烈，随深度增加，土壤水同位素组成
随时间变化逐渐减小，甚至无变化。
井水 δD 和 δ 18 O 的范围分别为−72.31 ‰ ~ −69.08 ‰和−10.53 ‰ ~ −10.08 ‰，其
平均值分别为−71.31 ‰和−10.31‰；泉水 δD 和 δ 18 O 的范围分别为−72.36 ‰ ~ −68.41
‰和−10.51 ‰ ~ −9.98 ‰，其平均值分别为−70.68 ‰和−10.24 ‰。井水和泉水氢氧同
位素组成变化范围较降水和土壤水明显都小，且无明显季节变化。
6 地下水补给
通过研究降水、土壤水、地下水氢氧同位素组成变化特征，土壤水同位素组成剖
面发现，降水入渗土壤过程中，具有自上而下活塞式下渗的特征，同时部分雨水可能
通过一些“快速通道”以优先流的方式快速到达深层土壤。地下水补给过程中，存在
着活塞流与优先流两种形式，其中优先流形式在补给过程中占据主导地位；地下水补
给具有季节性特点，7~10 月份地下水补给量大于年内其它时段。但是优先流在空间
上并不普遍发生，与土地利用方式下土壤剖面水分状况有关。在苹果林地、苜蓿草地
等土地利用方式下，土壤干层将减小优先流发生的可能性；而在荒草地、农田等土地
利用方式下土壤剖面水分含量较高，则容易发生优先流，从而对地下水形成补给。
本文研究结果表明，在黄土塬区大面积的农田转换为果园将减小地下水的补给
量，对区域水文循环产生深刻影响。
关键词：土壤水分；氧-18；氘；土地利用；土壤干层；水量平衡；地下水；深剖面；
黄土塬区