楊樹(shù)防護(hù)林土壤蒸發(fā)及其影響因素

李 倫, 劉海軍, 高壯壯, 楊 麗, 馮東雪

(北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875)

楊樹(shù)(Populusspp.)作為中國(guó)北方地區(qū)主要的人工林樹(shù)種，被廣泛用于公路、鐵路防護(hù)林以及城市綠化等方面[1-3]。其生長(zhǎng)對(duì)水、光、熱等條件都具有較高的要求[4-5]。中國(guó)北方多為干旱、半干旱區(qū)，水資源短缺，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈[2]。蒸發(fā)作為缺水地區(qū)耗水量的重要組成部分，直接影響著當(dāng)?shù)氐乃难h(huán)、土壤水分的變化情況，也影響著楊樹(shù)的正常生長(zhǎng)發(fā)育[6-7]，缺水地區(qū)楊樹(shù)大面積種植的可持續(xù)性引起越來(lái)越多的關(guān)注。定量計(jì)算林間土壤蒸發(fā)量，研究土壤蒸發(fā)規(guī)律及其測(cè)量技術(shù)對(duì)于林間水分管理以及作物耗水規(guī)律的研究具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從水文學(xué)、氣象學(xué)等不同的角度，對(duì)土壤蒸發(fā)過(guò)程及其影響要素進(jìn)行研究并建立了定量的計(jì)算方法。Fox[8]基于能量平衡方程，利用土壤與理想干土柱表面溫差與日累計(jì)風(fēng)速建立了土壤蒸發(fā)的估算公式；Ben-Asher等[9]對(duì)Fox的模型進(jìn)行了改進(jìn)，引入積分的概念，利用土表溫差與風(fēng)速建立了相對(duì)蒸發(fā)量的計(jì)算方法；Alvenas等[10]以土壤熱流的計(jì)算公式為基礎(chǔ)，建立了土面蒸發(fā)的估算公式；張建國(guó)等[11]分析了土壤蒸發(fā)與水面蒸發(fā)的關(guān)系，通過(guò)一維平差處理對(duì)防護(hù)林土壤蒸發(fā)進(jìn)行估算；高壯壯等[12]利用不同水分條件下土壤表層溫度的差異，建立了以飽和土壤為參考的不同水分條件下土壤蒸發(fā)量的估算公式。目前，對(duì)于土壤蒸發(fā)量的估算多數(shù)都是建立在理論模型的基礎(chǔ)上，模型的準(zhǔn)確性、適用性需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用條件進(jìn)行調(diào)整和檢驗(yàn)；模型計(jì)算時(shí)所需的參數(shù)較為復(fù)雜；模型的推廣受到當(dāng)?shù)貧夂?、下墊面等條件的影響。林下土壤蒸發(fā)不僅受到土壤本身?xiàng)l件的影響，同時(shí)受到林木覆蓋等影響，以上公式直接利用會(huì)造成較大的誤差。本試驗(yàn)以河北省邢臺(tái)市大曹莊國(guó)家級(jí)種子試驗(yàn)站東側(cè)道路兩旁的楊樹(shù)林為研究對(duì)象，利用微型蒸發(fā)器和20 cm蒸發(fā)皿對(duì)林下水面及土壤的實(shí)際蒸發(fā)量進(jìn)行測(cè)量，分析防護(hù)林地的氣候特征，以水面蒸發(fā)為參考，建立估算土壤蒸發(fā)量的公式，探求估算林下土壤蒸發(fā)量的簡(jiǎn)便方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年8—10月在河北省邢臺(tái)市寧晉縣大曹莊國(guó)家級(jí)種子試驗(yàn)站(37°29′49.25″N，114°55′40.59″E，海拔26 m)進(jìn)行。試驗(yàn)站東側(cè)為406鄉(xiāng)道，楊樹(shù)防護(hù)林種植于公路兩側(cè)，單側(cè)防護(hù)林寬15 m。研究區(qū)1981—2018年的年平均降水量在218～666 mm，多年平均降水量為430 mm，2019年降水量為499.6 mm；多年氣溫平均值為13.03 ℃，平均值日照時(shí)長(zhǎng)為2 428 h，無(wú)霜期約250 d[1,13]。研究區(qū)地勢(shì)平坦、土質(zhì)肥沃。防護(hù)林地0—60 cm的土壤均為粉壤土(表1)。楊樹(shù)樹(shù)種為速生107楊(Popolus×euramericanacv. ‘Neva’ )；樹(shù)齡為10 a；平均樹(shù)高為15.6 m；平均胸徑17.3 cm；平均冠幅為2.25 m；防護(hù)林內(nèi)楊樹(shù)的株距約為3.0 m，行間距約為3.5 m；林區(qū)無(wú)灌溉條件，春秋季節(jié)進(jìn)行修剪。

表1 研究區(qū)土壤性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 蒸發(fā)量和溫度測(cè)量 在防護(hù)林行間中心處布置3個(gè)20 cm蒸發(fā)皿和自制的6套微型蒸發(fā)器(micro-lysimeter， ML)，測(cè)量水面的蒸發(fā)量及林下原狀土的蒸發(fā)量。微型蒸發(fā)器由PVC管加工而成，其中內(nèi)管高度為150 mm，壁厚為3 mm，內(nèi)徑為104 mm；外管內(nèi)徑為120 mm，固定于行間，方便取出和放回內(nèi)筒，同時(shí)能夠避免更換土壤時(shí)對(duì)土體的破壞[14-16]。用微型蒸發(fā)器取原狀土樣時(shí)，將內(nèi)管垂直壓入土中，帶土整體挖出后用保鮮膜封底，用皮筋及膠帶固定。每日上午7:00用精度為0.01 g的電子天平測(cè)量蒸發(fā)皿及微型蒸發(fā)器的質(zhì)量，3個(gè)蒸發(fā)皿與其前1日的質(zhì)量之差的均值為前1日的林下水面蒸發(fā)量，6套微型蒸發(fā)器與前一日的質(zhì)量之差的均值為前1日的土壤蒸發(fā)量。為了保證試驗(yàn)的精度，每次測(cè)量后，將20 cm蒸發(fā)皿內(nèi)的水補(bǔ)充到深度為20 mm，并測(cè)量蒸發(fā)皿質(zhì)量，每2 d更換微型蒸發(fā)器中的土壤，雨后要更換微型蒸發(fā)器中的土壤[17-18]。

土壤表層溫度數(shù)據(jù)及蒸發(fā)皿內(nèi)水體的溫度采用TT-T-24型熱電偶進(jìn)行測(cè)量。在蒸發(fā)皿水面下約10 mm處布置3根溫度傳感器，在每個(gè)微型蒸發(fā)器內(nèi)土壤表層5—10 mm處埋設(shè)3根溫度傳感器，采集器為CR1000(campbell scientifics， USA)，采集頻率為10 s一次，記錄5 min的平均值。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)的采集 氣象數(shù)據(jù)使用試驗(yàn)站自動(dòng)氣象站進(jìn)行采集，包括溫度、輻射、風(fēng)速、降水等，采集器為CR1000x(campbell scientifics， USA)，采集頻率為10 s一次，記錄10 min的平均值。由于飽和水汽壓差(VPD)與蒸發(fā)關(guān)系緊密，計(jì)算了日均VPD，計(jì)算公式為[1]：

(1)

式中：VPD為日均飽和水汽壓差(kPa)；Hr為日均相對(duì)濕度(%)；t為日均氣溫(℃)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 林下土壤相對(duì)蒸發(fā)量(RE) 水面蒸發(fā)量反映了試驗(yàn)環(huán)境下大氣的蒸發(fā)能力。為了消除每日蒸發(fā)能力變化的影響，計(jì)算了土壤相對(duì)蒸發(fā)量RE(relative soil evaporation)，其值為時(shí)段內(nèi)林地土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值，即：

(2)

式中：Ea為林地土壤日蒸發(fā)量(mm);E0為日水面蒸發(fā)量(mm)。

1.3.2 林下土壤與水面溫度差相對(duì)值(RT) 土壤蒸發(fā)會(huì)影響表層溫度，因此基于土壤表層溫度的變化來(lái)估算土壤蒸發(fā)量。將某一時(shí)段內(nèi)的林地土壤表層溫度與該時(shí)段內(nèi)水的溫度相減，得到該時(shí)段內(nèi)土壤與水的溫度差值ΔT。為了消除絕對(duì)溫度的影響，采用溫度差的相對(duì)值，計(jì)算公式為溫度差除以該時(shí)段上水的平均溫度。

(3)

(4)

1.3.3 干擾性數(shù)據(jù)篩選 本試驗(yàn)為露天試驗(yàn)，降雨會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，數(shù)據(jù)分析時(shí)剔除了9月9—13日及10月4日降水量較大日期的數(shù)據(jù)(圖1)，除此之外還剔除了儀器出現(xiàn)故障的9月20—25日的數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)期間降雨及風(fēng)速的變化過(guò)程

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019和Origin 2021軟件進(jìn)行處理、作圖和曲線擬合，利用SPSS 25.0對(duì)各氣象要素與蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)性分析。為了評(píng)估所建立的模型的精度，采用均方根誤差(RMSE)、平均相對(duì)誤差(MRE)和納什效率系數(shù)(NSE)進(jìn)行評(píng)估[19]。

(5)

(6)

(7)

式中：Pi為第i個(gè)擬合值;Oi為第i個(gè)實(shí)測(cè)值;Oave為實(shí)測(cè)平均值;n為擬合值或?qū)崪y(cè)值個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 林下土壤和水面蒸發(fā)量及溫度的日變化過(guò)程

圖2為試驗(yàn)期間林下土壤及水面的日蒸發(fā)量和兩者日均溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖2可知，試驗(yàn)期間防護(hù)林內(nèi)土壤及水面總的蒸發(fā)量分別為31.37和87.84 mm。和土壤蒸發(fā)相比，水面的日蒸發(fā)量變化更為劇烈，最大蒸發(fā)量為4.21 mm/d，日最小值不足0.5 mm/d；而土壤的日蒸發(fā)量較為穩(wěn)定，在1 mm/d左右波動(dòng)。土壤和水面溫度在試驗(yàn)期間變化趨勢(shì)一致，隨著時(shí)間推移，溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

圖2 試驗(yàn)期間土壤、水面的日蒸發(fā)量及日均溫度的變化過(guò)程

2.2 蒸發(fā)量與氣象要素的關(guān)系

對(duì)氣象要素與林下土壤及水面的日蒸發(fā)量分別進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果詳見(jiàn)表2。由表2可以看出，林下水面蒸發(fā)與日總輻射及當(dāng)日最高氣溫均呈現(xiàn)極為顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.761，0.575；水面蒸發(fā)與日均氣溫呈現(xiàn)出較為顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.373；土壤蒸發(fā)僅與日總輻射存在顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.331。輻射和空氣溫度為熱力因子，為蒸發(fā)過(guò)程提供能量，可以通過(guò)控制水體能量的變化來(lái)影響蒸發(fā)。試驗(yàn)期間的土壤及水面的蒸發(fā)量與日均風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系均不顯著。風(fēng)速為動(dòng)力因子，主要通過(guò)影響水汽分子的擴(kuò)散速度影響蒸發(fā)，日均風(fēng)速較低時(shí)，蒸發(fā)量受風(fēng)速影響較小，但是當(dāng)日均風(fēng)速較大時(shí)，兩者的蒸發(fā)量有明顯提高(如8月29日、9月15日和9月30日)。水面蒸發(fā)與日均飽和水汽壓差呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與日均相對(duì)濕度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.579和-0.397，土壤蒸發(fā)與兩者相關(guān)關(guān)系不顯著?？諝鉂穸群惋柡退麎翰顬樗忠蜃樱梢酝ㄟ^(guò)影響大氣及物體表面的水汽壓差來(lái)影響蒸發(fā)。

表2 氣象要素與土壤及水面蒸發(fā)量相關(guān)分析結(jié)果

2.3 相對(duì)蒸發(fā)量RE與溫度差相對(duì)值RT的關(guān)系

充分供水條件下，水體的溫度主要受到氣象條件的影響。但是當(dāng)土壤中的水分逐漸消耗、含水量逐漸下降時(shí)，土壤蒸發(fā)量也逐漸下降，這時(shí)由于蒸發(fā)量的下降造成土壤溫度比充分供水條件下的溫度高，土壤蒸發(fā)條件下的溫度和充分供水條件下的溫度差與土壤蒸發(fā)量是相關(guān)的。為了尋求能最大程度反映土壤蒸發(fā)量的溫度差，本研究分別分析了8月25日至10月7日數(shù)據(jù)測(cè)量期間數(shù)據(jù)較好的26 d的日均相對(duì)溫度、白天8：00—18:00，10：00—16:00時(shí)與12：00—14:00平均相對(duì)溫度差值RT與日相對(duì)蒸發(fā)量RE的關(guān)系(見(jiàn)圖3)。由圖3可以看出，基于擬合公式的決定系數(shù)(R2)，12：00—14：00時(shí)平均的RT與日相對(duì)蒸發(fā)量RE擬合效果(圖3)要優(yōu)于其他時(shí)段。

2.4 土壤蒸發(fā)量公式擬合與驗(yàn)證

從圖3可以看出，利用12：00—14：00時(shí)的平均溫度差相對(duì)值RT與日相對(duì)蒸發(fā)量RE所建立的關(guān)系估算土壤蒸發(fā)量的效果最好(回歸公式的決定系數(shù)R2最大)。但是對(duì)于圖中建立的三次函數(shù)，隨著RT的繼續(xù)增大，RE會(huì)逐漸降低，甚至?xí)霈F(xiàn)小于0的情況，與實(shí)際不符。由圖3可知，開(kāi)始時(shí)隨著RT的增大，RE快速減小，當(dāng)RT大于某一值時(shí)，RE逐漸趨近于一個(gè)常數(shù)，因此本文用分段函數(shù)擬合。為了滿足模型建立和驗(yàn)證使用的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，選擇將試驗(yàn)期間的蒸發(fā)及溫度數(shù)據(jù)分為A組(9月14日至10月5日，共14日)和B組(8月25日至9月9日，共12日)其中A組數(shù)據(jù)用于關(guān)系擬合，B組數(shù)據(jù)用于所建立關(guān)系的驗(yàn)證。利用A組數(shù)據(jù)擬合的公式如式(8)，擬合曲線如圖4所示，利用B組數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示，模型檢驗(yàn)指標(biāo)RMSE，MRE和NSE詳見(jiàn)表3。

表3 A，B組數(shù)據(jù)的模型檢驗(yàn)指標(biāo)

圖3 日相對(duì)蒸發(fā)量RE與日不同時(shí)間段平均相對(duì)溫度差值RT的關(guān)系

圖4 日相對(duì)土壤蒸發(fā)量(RE)和溫度差相對(duì)值(RT)的擬合曲線(A組)及曲線驗(yàn)證(B組)

(8)

式中：RE為日土壤相對(duì)蒸發(fā)量； RT為日12：00—14：00平均溫度差相對(duì)值。

通過(guò)A組數(shù)據(jù)建模和B組數(shù)據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果看出，實(shí)測(cè)和估算的日相對(duì)蒸發(fā)量RE的R2均達(dá)到了0.9，RMSE分別為0.087，0.043，MRE的絕對(duì)值小于10%，NSE均大于0.9，表明該擬合公式可用于計(jì)算試驗(yàn)區(qū)林下土壤蒸發(fā)量。

3 討 論

土壤蒸發(fā)對(duì)土壤溫度的影響使得利用土壤溫度變化估算土壤蒸發(fā)成為可能。馬已安等[6]以一次供水的不同表面條件的土壤與水面進(jìn)行對(duì)比，將裸地的蒸發(fā)過(guò)程劃分為3個(gè)階段，將壓砂地土壤蒸發(fā)劃分為2個(gè)階段。高壯壯等[12]以一次供水與充分供水條件下的土壤蒸發(fā)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)兩者的溫度差相對(duì)值隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行逐漸增大，當(dāng)蒸發(fā)進(jìn)行到水汽擴(kuò)散階段時(shí)，溫度差相對(duì)值趨于穩(wěn)定。本試驗(yàn)中，基于溫度差變化將RE變化過(guò)程分為了兩個(gè)階段。在第一階段，初始時(shí)，土壤含水量相對(duì)較高，土壤水分供水相對(duì)充足，蒸發(fā)對(duì)土壤溫度影響小，土壤與水面溫度差值不大，RT接近于0；隨后土壤含水量的降低，蒸發(fā)所利用的輻射能量逐漸減少，部分輻射能量轉(zhuǎn)化為感熱通量提高了溫度，這時(shí)RT逐漸增加，RE也逐漸減??；當(dāng)RT>0.11后， RE趨近常數(shù)0.164，此時(shí)土壤中的液態(tài)水分含量極低，土壤蒸發(fā)進(jìn)入到水汽擴(kuò)散階段，土壤溫度已不受土壤含水量的影響，而主要受輻射的影響[28]。

使用微型蒸發(fā)器進(jìn)行土壤蒸發(fā)測(cè)定簡(jiǎn)單實(shí)用，但是在應(yīng)用過(guò)程中仍然面臨著一些問(wèn)題亟待解決。微型蒸發(fā)器無(wú)法測(cè)定植物根系吸收水分造成的土壤水分變化的過(guò)程[29]，未來(lái)可進(jìn)一步結(jié)合植物蒸騰耗水進(jìn)行研究，整體分析楊樹(shù)防護(hù)林蒸散發(fā)過(guò)程。不同土壤質(zhì)地條件下，土壤含沙量，土壤孔隙、熱容量等性質(zhì)的不同會(huì)改變土壤水分的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)而影響土壤表層溫度及蒸發(fā)量[6,12,26]，本文僅研究了粉壤土條件下的防護(hù)林土壤蒸發(fā)，條件比較單一，今后可改變土壤質(zhì)地，研究其對(duì)蒸發(fā)的影響。含水量是影響土壤蒸發(fā)的重要條件，不少學(xué)者從含水量的角度研究了蒸發(fā)量與含水量間的變化規(guī)律[2,6,20-21,26]。本文主要嘗試?yán)盟婕巴帘頊囟炔钕鄬?duì)值來(lái)建立估算土壤蒸發(fā)量的經(jīng)驗(yàn)公式，但是土壤含水量的測(cè)定對(duì)土壤蒸發(fā)規(guī)律的研究以及劃分蒸發(fā)階段有十分重要的意義，在今后的土壤蒸發(fā)量估算的研究中，將ML內(nèi)的土壤含水量納入測(cè)定范圍。

4 結(jié) 論

(1) 林下影響水面蒸發(fā)的氣象因素排序?yàn)檩椛?、飽和水汽壓差和溫度；但是林下土壤含水量總體較低，使得土壤蒸發(fā)與氣象要素關(guān)系較弱。

(2) 林下土壤相對(duì)蒸發(fā)量RE隨土壤與水體溫度差相對(duì)值RT變化過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：RE隨RT的增加逐漸減小，當(dāng)RT大于0.11時(shí)，RE趨近于常數(shù)0.164，認(rèn)為此時(shí)蒸發(fā)過(guò)程已經(jīng)進(jìn)入到水汽擴(kuò)散階段。

(3) 構(gòu)建了基于土壤—水體溫差的土壤蒸發(fā)量公式，經(jīng)驗(yàn)證估算的土壤蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)的土壤蒸發(fā)量接近(R2=0.9)，因此本研究提出的方法為原位測(cè)量并估算林下土壤蒸發(fā)提供了新思路。