馬己安,馮克鵬, ,李王成, *,郝 璐,李于坤,高海燕
(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,銀川 750021;2.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021;3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心,銀川 750021)
【研究意義】寧夏中部干旱帶降雨量少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,水資源短缺是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。土壤蒸發(fā)量作為田間耗水量的重要組成部分,對(duì)其進(jìn)行定量計(jì)算對(duì)田間水分管理具有重要意義。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中,人們采用土壤表面覆蓋的方式減少田間蒸發(fā)以達(dá)到蓄水保墑的效果[1-6],砂石覆蓋作為當(dāng)?shù)匾豁?xiàng)傳統(tǒng)的覆蓋技術(shù),可以明顯減少田間土壤蒸發(fā)[7-12]?!狙芯窟M(jìn)展】土壤蒸發(fā)過(guò)程可以分為3 個(gè)階段,分別為表土蒸發(fā)強(qiáng)度保持穩(wěn)定的階段、表土蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率變化的階段和水汽擴(kuò)散階段[13]。當(dāng)?shù)乇砗矢哂谀骋慌R界值θk時(shí),盡管含水率有所變化,但表土蒸發(fā)強(qiáng)度不隨含水率降低而降低;當(dāng)表土含水率低于臨界含水率θk時(shí),土壤供水能力減小,蒸發(fā)強(qiáng)度隨之減弱;當(dāng)表土含水率很低時(shí),土壤輸水能力極弱,蒸發(fā)進(jìn)入第3 階段。在對(duì)土壤蒸發(fā)量的研究中,傅抱璞[14]通過(guò)繪制E/E0(E 為土壤蒸發(fā)量,E0為輻射數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)計(jì)算出的蒸發(fā)力)與土壤含水率θ 之間的變化曲線(xiàn),將南京地區(qū)土壤蒸發(fā)過(guò)程分為3 個(gè)階段,各階段臨界濕度分別為22.0%和15.2%,并建立了以輻射、氣象和含水率數(shù)據(jù)為自變量的土壤蒸發(fā)量計(jì)算模型;王積強(qiáng)[15]認(rèn)為土面與水面蒸發(fā)之比可以消去天氣對(duì)蒸發(fā)的影響,并將德州地區(qū)土壤蒸發(fā)過(guò)程分為3 個(gè)階段,對(duì)應(yīng)各階段的土壤含水率分別為14.3%~31.4%、8.4%~14.3%、6.9%~8.4%;劉培君等[16]借助王積強(qiáng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),以土水面蒸發(fā)比為自變量建立了阜康地區(qū)土壤水分的日蒸發(fā)模型;李紅星等[17]建立了以水面蒸發(fā)量和溫度、風(fēng)速推求土壤蒸發(fā)量的模型,計(jì)算效果較好。在對(duì)壓砂地的認(rèn)識(shí)過(guò)程中,關(guān)紅杰[9]、原翠萍等[11]從砂層粒徑組成和砂層厚度的角度對(duì)壓砂地和裸地蒸發(fā)差異性進(jìn)行了對(duì)比分析,王興等[18]、劉學(xué)智[19]通過(guò)設(shè)置不同的砂層砂土混合比例對(duì)壓砂地土壤蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了研究,這些研究對(duì)壓砂地的保墑機(jī)理作出了詳細(xì)的說(shuō)明?!厩腥朦c(diǎn)】土壤蒸發(fā)作為水資源循環(huán)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié),其定量計(jì)算具有一定的難度,國(guó)內(nèi)外水文、氣象等諸多領(lǐng)域?qū)W者依據(jù)各自學(xué)科特點(diǎn)建立了不同的土壤蒸發(fā)計(jì)算模型,鑒于土壤蒸發(fā)量計(jì)算模型在各地區(qū)應(yīng)用差異性較大,針對(duì)壓砂地土壤蒸發(fā)量計(jì)算的研究相對(duì)較少,本文擬通過(guò)研究寧夏中部干旱地區(qū)裸地和壓砂地土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量和含水率之間的關(guān)系,依此劃分蒸發(fā)過(guò)程,最終嘗試建立以水面蒸發(fā)量和土壤含水率為自變量的推求土壤蒸發(fā)量的經(jīng)驗(yàn)公式。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】依據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)土壤蒸發(fā)量進(jìn)行定量計(jì)算,可為研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水管理提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)紅圈子村,地處寧夏中部干旱帶,東鄰中寧縣,南與同心縣、海原縣及甘肅省靖遠(yuǎn)縣交匯,西接甘肅省景泰縣,北鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗。試驗(yàn)區(qū)深居內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,屬半干旱氣候,春暖遲、秋凉早、夏熱短、冬寒長(zhǎng),風(fēng)大沙多,干旱少雨。經(jīng)統(tǒng)計(jì),研究區(qū)1960—2016年平均降水量為183.1 mm,年降雨量較少,且主要集中在6—8 月,年蒸發(fā)量接近2 000 mm,研究區(qū)地下水埋深約為180 m,是典型的干旱地區(qū)。
試驗(yàn)裝置為高度40 cm,直徑50 cm 的鐵桶,桶內(nèi)取原狀土過(guò)2 mm 篩后按當(dāng)?shù)赝寥荔w積質(zhì)量1.4 g/cm3分層壓實(shí),試驗(yàn)所用當(dāng)?shù)赝寥李?lèi)型為砂土,粒徑分布見(jiàn)表1。設(shè)置表面條件為覆砂(所覆砂石先過(guò)1 cm 篩,挑選出粒徑大于1 cm 的砂石后過(guò)3 cm 篩,挑選出粒徑小于3 cm 的砂石,故所覆砂層砂石粒徑范圍為1~3 cm,設(shè)置砂層厚度為6~8 cm)和裸地各4 個(gè)重復(fù),其中3 個(gè)重復(fù)用來(lái)建立經(jīng)驗(yàn)公式,另一個(gè)用來(lái)檢驗(yàn)公式的精度。另設(shè)3 個(gè)規(guī)格相同的鐵桶用來(lái)測(cè)水面蒸發(fā)量,水面與土壤表面高度相同,定時(shí)補(bǔ)充蒸發(fā)消耗水分。試驗(yàn)前灌水至淹沒(méi)土壤和砂層表面,待桶中土壤充分濕潤(rùn)后覆膜防止土壤蒸發(fā),在桶底均勻鉆孔后靜置12 h,排出桶中重力水。試驗(yàn)在室外進(jìn)行,試驗(yàn)區(qū)上層設(shè)有遮雨篷布,以避免自然降雨對(duì)試驗(yàn)的影響。
1)蒸發(fā)量:每日20:00 采用稱(chēng)質(zhì)量法測(cè)量土壤和水面的蒸發(fā)量,測(cè)量?jī)x器為精度0.01 kg 的電子秤。
2)土壤含水率:土鉆分層(每5 cm 為1 層)取土,采用烘干法測(cè)量含水率,最終求取各層平均值作為桶內(nèi)土壤含水率,每2 d 測(cè)1 次,采用插值法(此處插值為前后2 天含水率的平均值)補(bǔ)全含水率數(shù)據(jù),取土?xí)r間為20:30,土樣質(zhì)量測(cè)量采用精度為0.01 g的電子秤。每次取土后采用濕度相似土壤回填,以減小對(duì)蒸發(fā)表面的破壞,文中含水率均為質(zhì)量含水率,含水率單位為g/g。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行分析計(jì)算和作圖。
2.1.1 蒸發(fā)量的日變化過(guò)程
水面蒸發(fā)量的變化在一定程度上可以反映蒸發(fā)過(guò)程中外界條件的變化,圖1 為裸地、壓砂地土壤日蒸發(fā)量和水面日蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。在蒸發(fā)前期,土壤中水分充足,裸地和壓砂地土壤蒸發(fā)受外界條件影響較大,變化趨勢(shì)同水面蒸發(fā)變化趨勢(shì)相同。隨著時(shí)間延長(zhǎng),土壤中水分逐漸減少,裸地和壓砂地土壤日蒸發(fā)量逐漸變小,在此過(guò)程中,日蒸發(fā)量的變化依然會(huì)受到天氣條件影響,無(wú)法依據(jù)日蒸發(fā)量的變化過(guò)程準(zhǔn)確確定土壤蒸發(fā)過(guò)程中各個(gè)階段的臨界含水率。
圖1 蒸發(fā)量日變化規(guī)律 Fig.1 Evaporation variation of water surface,soil
2.1.2 土水面蒸發(fā)比的日變化過(guò)程
圖2是裸地土水面蒸發(fā)比Eb/E0隨時(shí)間變化曲線(xiàn), Eb/E0隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)。
依據(jù)Eb/E0的變化趨勢(shì)可將其劃分為3 個(gè)階段:前3 天(AB 段)Eb/E0從1.04 降低到0.98,變化幅度較小,該階段土壤水分充足,土壤日蒸發(fā)量與水面日蒸發(fā)量接近;第4 日到第21 日(CD 段)為第2 階段,隨著蒸發(fā)過(guò)程的持續(xù),土壤中含水量不斷降低,Eb/E0值大幅下降,從0.79 降低到0.31;第3 階段(EF 段)Eb/E0變化幅度較小,8 d 內(nèi)從0.21 降低到0.15。
圖2 裸地土水面蒸發(fā)比日變化規(guī)律 Fig.2 Variation of the ratio of bare soil evaporation and water surface evaporation
圖3 為壓砂地土水面蒸發(fā)比隨時(shí)間變化曲線(xiàn),依據(jù)Eg/E0的變化趨勢(shì)可將其劃分為2 個(gè)階段,前5 天(GH 段)為第1 階段,Eg/E0下降速率隨時(shí)間變化較快,5 d 內(nèi)從0.95 下降到0.35。從第6 天開(kāi)始直到試驗(yàn)結(jié)束為第2 階段(IJ 段),變化速率較慢,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)Eg/E0比值為0.15。
圖3 壓砂地土水面蒸發(fā)比日變化規(guī)律 Fig.3 Variation of the ratio of gravel-mulched soil evaporation and water surface evaporation
在不同季節(jié)相同含水率的土壤蒸發(fā)持續(xù)時(shí)間差異性較大,土壤蒸發(fā)強(qiáng)度不同,僅依據(jù)土壤蒸發(fā)過(guò)程中蒸發(fā)量的日變化規(guī)律來(lái)劃分土壤蒸發(fā)過(guò)程受外界條件影響較大,而土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值Eg/E0隨時(shí)間呈現(xiàn)出較好的分段規(guī)律,根據(jù)Eg/E0隨時(shí)間的變化規(guī)律可以將裸地土壤蒸發(fā)過(guò)程分為3 個(gè)階段,將壓砂地土壤蒸發(fā)過(guò)程分為2 個(gè)階段。
2.2.1 裸地土水面蒸發(fā)比隨土壤含水率變化規(guī)律
雖然裸地和壓砂地土水面蒸發(fā)比隨時(shí)間呈出較好的分段規(guī)律,但外界條件不同時(shí),蒸發(fā)持續(xù)過(guò)程時(shí)間也不同。當(dāng)外界條件有利于土壤蒸發(fā)時(shí),蒸發(fā)過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短;當(dāng)外界條件不利于土壤蒸發(fā)時(shí),蒸發(fā)過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),所以并不能依據(jù)土水面蒸發(fā)比隨時(shí)間的變化規(guī)律準(zhǔn)確定量描述土壤蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量之間的關(guān)系。而土壤蒸發(fā)過(guò)程與含水率密切相關(guān),含水率與蒸發(fā)量之間的關(guān)系不易受外界條件變化的干擾,故此處嘗試分析土水面蒸發(fā)比隨土壤含水率的變化規(guī)律。
裸地土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量之比Eb/E0隨含水率θb變化規(guī)律如圖4 所示,根據(jù)其變化規(guī)律,通過(guò)對(duì)各臨近散布點(diǎn)進(jìn)行組合,求取擬合度最高的經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)所示,式(1)中,Eb為裸地土壤蒸發(fā)量,E0為水面蒸發(fā)量,θb為裸地土壤質(zhì)量含水率(g/g)。
圖4 裸地土水面蒸發(fā)比隨含水率變化規(guī)律 Fig.4 Variation of the relationship between the ratio of bare soil evaporation and water surface evaporation and soil water content
依據(jù)土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量之比Eb/E0隨含水率θb變化規(guī)律將裸地土壤蒸發(fā)過(guò)程劃分為3 個(gè)階段,A′點(diǎn)和B′點(diǎn)之間為第1 階段,累積蒸發(fā)量11.16 mm,與同時(shí)期水面蒸發(fā)量相同;C′點(diǎn)和D′點(diǎn)之間為第2 階段,累積蒸發(fā)量40.00 mm,占同時(shí)期水面蒸發(fā)量的52.90%;E′點(diǎn)和F′點(diǎn)之間為第3 階段,累積蒸發(fā)量為3.36 mm,占同時(shí)期水面蒸發(fā)量的17.28%,裸地蒸發(fā)過(guò)程中累積蒸發(fā)量為54.52 mm,占同時(shí)期水面蒸發(fā)量的51.34%。此次試驗(yàn)所測(cè)含水率臨界值為范圍值,如圖4 所示,在試驗(yàn)設(shè)置的裸地蒸發(fā)過(guò)程中,第1 臨界含水率θb1介于B′點(diǎn)和C′點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率之間,即0.209 6 g/g<θb1<0.214 8 g/g,第2 臨界含水率θb2值介于D′點(diǎn)和E′點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率之間,即0.114 0 g/g<θb2<0.115 4 g/g。
2.2.2 壓砂地土水面蒸發(fā)比隨土壤含水率變化規(guī)律
依據(jù)圖5 所示壓砂地土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量之比Eg/E0與含水率θg之間的變化曲線(xiàn)可將其分為2個(gè)階段,G′H′為第1 階段,累積蒸發(fā)量12.84 mm,占同時(shí)期水面蒸發(fā)量的68.85%;I′J′為第2 階段,累積蒸發(fā)量 20.97 mm,占同時(shí)期水面蒸發(fā)量的23.95%,壓砂地蒸發(fā)過(guò)程中累積蒸發(fā)量為33.81 mm,占同時(shí)期水面蒸發(fā)量的31.84%。依據(jù)Eg/E0隨含水率θg的變化規(guī)律,對(duì)相鄰散布點(diǎn)進(jìn)行組合,求取擬合度最高的經(jīng)驗(yàn)公式如式(2)所示。式中:Eg為壓砂地土壤蒸發(fā)量,E0為水面蒸發(fā)量,θg為壓砂地土壤質(zhì)量含水率(g/g)。
壓砂地蒸發(fā)過(guò)程中,存在1 個(gè)含水率臨界值,如圖5 所示,該值介于H′點(diǎn)和I′點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率之間,即0.214 8 g/g<θg<0.208 1 g/g。
圖5 壓砂地土水面蒸發(fā)比隨含水率變化規(guī)律 Fig.5 Variation of the relationship between the ratio of gravel-mulched soil evaporation and water surface evaporation and soil water content
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別建立水面蒸發(fā)量和土壤蒸發(fā)量與含水率之間的經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)、式(2)所示,依據(jù)該式可得裸地和壓砂地土壤蒸發(fā)量的計(jì)算公式分別如式(3)和式(4)所示。
以水面蒸發(fā)量和含水率為自變量計(jì)算土壤日蒸發(fā)量,與實(shí)測(cè)蒸發(fā)量進(jìn)行比較,采用相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差、平均相對(duì)誤差MRE 和均方根誤差RMSE 對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),其中:
式中:N 為樣本總數(shù);i,j 為樣本次序;yi為計(jì)算值;yj為實(shí)測(cè)值。相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差、MRE 和RMSE 值越小,相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果誤差越小,精度越高。
土壤蒸發(fā)量計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖6 和圖7,誤差分析結(jié)果見(jiàn)表2 和表3。裸地蒸發(fā)過(guò)程平均絕對(duì)誤差為0.26 mm/d,第1 階段為0.32 mm/d,第2 階段為0.33 mm/d,第3階段為0.07 mm/d。MRE為13.54%,其中第1 階段為9.19%,第2 階段為13.85%,第3 階段為14.48%,裸地日蒸發(fā)量隨時(shí)間逐漸減小,中后期日蒸發(fā)量微弱,觀(guān)測(cè)誤差會(huì)增加,但其依舊可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。壓砂地蒸發(fā)量計(jì)算值平均絕對(duì)誤差為0.18 mm/d,第1 階段為0.32 mm/d,第2 階段為0.15 mm/d;MRE 為11.56%,第1 階段為6.24%,第2 階段為19.78%,說(shuō)明該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算試驗(yàn)區(qū)土壤蒸發(fā)量是可靠的。
圖6 裸地土壤蒸發(fā)量計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖 Fig.6 Comparison of calculated and measured values of bare soil evaporation
圖7 壓砂地土壤蒸發(fā)量計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖 Fig.7 Comparison of calculated and measured values of gravel-mulched soil evaporation
表2 裸地計(jì)算蒸發(fā)量誤差分析統(tǒng)計(jì)值 Table 2 Error statistic value analysis of calculated value on bare ground
表3 壓砂地計(jì)算蒸發(fā)量誤差分析統(tǒng)計(jì)值 Table 3 Error statistic value analysis of calculated value on gravel-mulched land
通過(guò)觀(guān)察Eg/E0隨時(shí)間和含水率之間的變化規(guī)律來(lái)對(duì)壓砂地蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行分析時(shí),根據(jù)Eg/E0的變化趨勢(shì)將其蒸發(fā)過(guò)程劃分為2 個(gè)階段,而不是裸地蒸發(fā)過(guò)程中的3 個(gè)階段,且其蒸發(fā)過(guò)程中相同時(shí)間含水率高于裸地,對(duì)該現(xiàn)象做出以下討論:在試驗(yàn)設(shè)置的覆砂條件下砂層存在一定的孔隙,土壤依舊可以在砂層大空隙處通過(guò)毛細(xì)作用快速失水,但這只占土壤表面的很小一部分。筆者認(rèn)為,壓砂地土壤的快速失水階段是存在的,但因砂層的存在,土壤像裸地蒸發(fā)第1階段一樣的快速失水過(guò)程存在時(shí)間很短,在該實(shí)驗(yàn)條件下未能監(jiān)測(cè)到此過(guò)程。Tsutomu 等[20]通過(guò)研究表明,礫石覆蓋更容易形成干燥的表層,使得土壤表面阻力大于裸地,且其減少了可供蒸發(fā)的土壤表面面積,增加了覆蓋層內(nèi)水蒸氣傳輸阻力。Xie 等[21]在研究不同粒徑礫石覆蓋西瓜地蒸發(fā)量與蒸散量的關(guān)系時(shí)認(rèn)為礫石覆蓋增加了土壤表面的蒸發(fā)阻力,水分只能以水蒸氣擴(kuò)散的形勢(shì)通過(guò)礫石向上傳遞,從而減小了蒸發(fā)。由于砂層的存在,盡管土壤含水率較高,但受制于砂層的輸水能力,水分不能及時(shí)傳輸?shù)娇諝庵?,使得相同條件下壓砂地含水率高于裸地。
研究表明,不同粒徑和厚度的砂層組成對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制效果不同,本文只設(shè)置了一種砂層組成,條件比較單一,對(duì)壓砂地蒸發(fā)與含水率之間關(guān)系的研究還有很大的探索空間。同時(shí),本次試驗(yàn)裝置采用鐵質(zhì)圓桶,金屬材料與外界熱量交換密切,但因土壤蒸發(fā)量隨含水率變化關(guān)系緊密,鐵質(zhì)桶在增加土壤日蒸發(fā)量的同時(shí)也會(huì)增加含水率的減少量,土壤蒸發(fā)量的變化量和土壤含水率的變化量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系比較明確,在研究含水率與蒸發(fā)量的關(guān)系時(shí),此影響相對(duì)較小,本次試驗(yàn)嘗試研究土壤蒸發(fā)量與含水率之間的關(guān)系,且最終以經(jīng)驗(yàn)公式的形式作以歸納,故作者認(rèn)為,此處可忽略材質(zhì)對(duì)本次試驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)公式的影響。但由于鐵桶與外界強(qiáng)烈的熱交換,在一定程度上會(huì)加速土壤的蒸發(fā)過(guò)程,會(huì)對(duì)研究土壤蒸發(fā)隨時(shí)間變化規(guī)律產(chǎn)生影響,使文中涉及蒸發(fā)量隨時(shí)間變化部分產(chǎn)生一定誤差,故今后對(duì)土壤蒸發(fā)過(guò)程的研究中,應(yīng)將此納入考慮范圍。
1)蒸發(fā)前期,土壤日蒸發(fā)量受外界條件影響較大,依據(jù)土壤蒸發(fā)量的日變化規(guī)律劃分蒸發(fā)過(guò)程誤差較大,土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值隨時(shí)間和土壤含水率的變化規(guī)律比較明顯,可以依此來(lái)劃分土壤蒸發(fā)過(guò)程。
2)壓砂地土壤蒸發(fā)速率緩慢,土壤表層覆砂抑制蒸發(fā)效果顯著,相同時(shí)間內(nèi),裸地累積蒸發(fā)量為54.52 mm,占同時(shí)期水面蒸發(fā)量的51.34%,壓砂地累積蒸發(fā)量為33.81 mm,占同時(shí)期水面蒸發(fā)量的31.84%。在西北干旱地區(qū),壓砂地可以更好地保存降雨產(chǎn)生的水分,供給作物生長(zhǎng)。
3)依據(jù)土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量之比隨時(shí)間和土壤含水率的變化規(guī)律將裸地土壤蒸發(fā)劃分為3個(gè)階段,本文給出3個(gè)階段的2個(gè)含水率臨界值為范圍值,分別為0.209 6 g/g<θb1<0.214 8 g/g 和0.114 0 g/g<θb2<0.115 4 g/g。將壓砂地土壤蒸發(fā)劃分為2 個(gè)階段,其含水率臨界值為0.208 1 g/g<θg<0.214 7 g/g。