松針覆蓋土壤的水分動(dòng)態(tài)及其HYDRUS 模擬

羅皓峰，楊啟良

(昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500)

松針覆蓋處理是中藥材種植中常用的一種土壤保濕方式，與塑料薄膜覆蓋等手段相比，松針覆蓋層能為土壤提供良好的保溫和透氣效果，緩解天然降雨和灌溉對(duì)土壤表面的打擊能力，增加土壤入滲能力，減少土壤表面的蒸發(fā)損失，具有很好的保水、保肥效果[1–3]。松針覆蓋處理還能提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)微生物活性[4–5]。此外，松針覆蓋處理能顯著減少坡地土壤的侵蝕量和徑流量[6]，具有保持坡地水土的作用。目前，針對(duì)松針覆蓋層的研究主要聚焦于松針覆蓋對(duì)樹木、藥材育苗效果等的對(duì)比試驗(yàn)，較少有人關(guān)注松針覆蓋層作為土壤覆蓋物的保墑性能、作用機(jī)理等，松針覆蓋層的施用方法也僅僅停留在經(jīng)驗(yàn)層面。此外，現(xiàn)有的土壤水分模型不能夠完全模擬松針覆蓋層對(duì)土壤的影響。

MOURA 等[7]在熱帶氣象條件下研究了豆科秸稈覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)通量和玉米氮素吸收的影響，發(fā)現(xiàn)覆蓋處理降低了土壤滲透阻力，并且提高了玉米抽穗期的氮素吸收率。李艷等[8]提出了留茬覆蓋模式下的蒸發(fā)阻力和土面蒸發(fā)模型，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了公式參數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)秸稈覆蓋量小于0.05 g/cm2時(shí)，覆蓋層的蒸發(fā)阻力隨秸稈覆蓋量的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。但以上研究都沒有考慮水分在覆蓋層內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，當(dāng)水分通過(guò)覆蓋層時(shí)，部分水量會(huì)截留在覆蓋層內(nèi)部，對(duì)松針覆蓋層而言，截留在覆蓋層內(nèi)部的水分質(zhì)量可達(dá)覆蓋層總質(zhì)量的60%。KADER 等[9]利用HYDRUS–1D 模型，通過(guò)設(shè)置秸稈覆蓋層的水力參數(shù)和熱參數(shù)模擬了稻草覆蓋和裸土處理在日本中部岐阜縣的雨養(yǎng)大豆栽培中的水熱運(yùn)移，證明了HYDRUS 模型能夠用于秸稈等有機(jī)覆蓋條件下土壤層和覆蓋層內(nèi)部的水分動(dòng)態(tài)模擬。

秸稈覆蓋物是一種典型的有機(jī)覆蓋物，松針覆蓋層和秸稈覆蓋層具有相似的物理結(jié)構(gòu)和物質(zhì)構(gòu)成，松針覆蓋對(duì)土壤產(chǎn)生影響的研究可參考秸稈覆蓋的研究。本研究中，結(jié)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)和HYDRUS–1D 軟件模擬，探索松針覆蓋條件下影響土壤蒸發(fā)量和土壤含水量的因素，并結(jié)合實(shí)際情況率定松針覆蓋層在van Genuchten-Mualem 模型下的水力參數(shù)，從而研究不同松針覆蓋量條件下的土壤在單次降水下的土壤水分動(dòng)態(tài)，旨在為實(shí)現(xiàn)松針覆蓋農(nóng)田的土壤水分動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)確模擬和實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)用土樣按土壤質(zhì)地國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分類為壤質(zhì)黏土，風(fēng)干后用2 mm 孔徑的篩子過(guò)篩，測(cè)量其殘余含水量為7.87%。填入有機(jī)玻璃管后擊實(shí)，其干密度為1.202 g/cm3。利用吸管法測(cè)得其土壤物理性質(zhì)(表1)。

表1 試驗(yàn)用土壤的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of experimental soil

松針覆蓋層選用自然風(fēng)干的云南松松針制備，通過(guò)20 次隨機(jī)抽樣測(cè)得松針的平均長(zhǎng)度為13.22 cm。將松針均勻散落在篩子中，當(dāng)篩子中的松針厚度達(dá)到比預(yù)定的厚度稍厚的程度后，使用平底的鎮(zhèn)子鎮(zhèn)壓幾次，壓實(shí)厚度約為原厚度的30%；隨后使用水管均勻澆水直至篩子中的松針濕透，瀝干水分后在通風(fēng)處晾曬5 d，使覆蓋層徹底風(fēng)干。此方法制得的松針覆蓋層在物理性質(zhì)上與田間取樣獲得的松針覆蓋層較為接近[10]。用烘干法測(cè)得其殘余含水量為0.271%，干物質(zhì)密度為0.617 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

模擬松針覆蓋條件下的一維土柱垂直入滲的試驗(yàn)裝置如圖1 所示。垂直土柱的制作采用內(nèi)徑81 mm，管長(zhǎng)750 mm 的有機(jī)玻璃土柱管，底部設(shè)有網(wǎng)格，方便管內(nèi)土壤中的空氣和水分排出。網(wǎng)格上方鋪有一層濾紙，以防止試驗(yàn)土樣流失。管壁一側(cè)每隔50 mm 設(shè)有一個(gè)取樣孔，最底部的取樣孔距離有機(jī)玻璃管底部網(wǎng)格的距離為25 mm。將有機(jī)玻璃管從底部開始每隔50 mm 劃分為一層，以控制有機(jī)玻璃管內(nèi)的土壤干密度。土壤填充高度為500 mm，高于該高度的取樣孔用塑料薄膜封死，以容納覆蓋層并防止灌水時(shí)產(chǎn)生的積水外流。每根土柱上方均懸掛有一盞200 W 白熾燈，為土柱上表面提供穩(wěn)定的熱能。為了使土壤表面所受的熱輻射量與太陽(yáng)常數(shù)相等[11]，將燈絲與土柱頂端表面的距離設(shè)置為10.06 cm。

圖1 模擬松針覆蓋條件下的一維土柱垂直入滲試驗(yàn)裝置Fig.1 One-dimensional s oil c olumn ve rtical infil tration sim ulated experiment device under pine needle mulch

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室內(nèi)試驗(yàn)于2019 年11 月在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。為模擬不同覆蓋程度下一維土柱垂直入滲的過(guò)程，設(shè)置3 種松針覆蓋量處理，分別為0.29，0.58，0.87 g/cm2，記為F1、F2、F3；同時(shí)設(shè)置空白(裸土)對(duì)照組(F0)，共4 組模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置均置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)遮陰避風(fēng)處，避免日光照射和風(fēng)的影響。

試驗(yàn)開始時(shí)，使用噴壺以恒定的速率均勻噴入200 mL 蒸餾水，隨后打開白熾燈。試驗(yàn)共持續(xù)96 h，0～12 h(前期)，每隔1 h 將土柱整體放置于最小量程0.5 g 的臺(tái)秤上稱質(zhì)量并記錄；>12～48 h，每隔2 h稱質(zhì)量并記錄；>48～96 h，每隔4 h 稱質(zhì)量并記錄?？紤]到試驗(yàn)全程無(wú)底部滲水，每次稱質(zhì)量測(cè)得的質(zhì)量差值即為該時(shí)段內(nèi)蒸發(fā)的水的質(zhì)量。

試驗(yàn)開始后，每隔24 h 從土柱側(cè)面設(shè)置的取樣孔取得土柱不同深度的土壤樣本，以監(jiān)測(cè)土柱不同深度下的含水量變化?？紤]到取樣會(huì)對(duì)取樣點(diǎn)附近的土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響，每次取樣的土壤均采集自土柱內(nèi)結(jié)構(gòu)較為完整的部分，且每次取樣的土壤控制在5～10 g。取出的土樣用烘箱在105 ℃下歷經(jīng)12 h烘干，以準(zhǔn)確測(cè)量土樣的含水量。每次取樣前后稱土柱質(zhì)量，以消除取樣對(duì)質(zhì)量平衡計(jì)算的影響。

為求解松針覆蓋層的水力特征參數(shù)，還需要對(duì)覆蓋層水分特性進(jìn)行測(cè)試：使用4 個(gè)大孔不銹鋼土篩，高度10 cm，內(nèi)部填滿風(fēng)干的松針覆蓋層，用臺(tái)秤稱質(zhì)量后將土篩堆疊組合為1 個(gè)40 cm 高的松針柱，松針柱頂部與大氣接觸，側(cè)面被土篩的框阻擋而與大氣隔絕，底部允許水分自由滲出；使用水管澆透松針柱，使其含水量達(dá)到飽和，分別稱量每個(gè)土篩的質(zhì)量，即可計(jì)算出每個(gè)土篩內(nèi)松針的平均含水量；隨后將松針柱放入容器中，讓松針柱自由蒸發(fā)/滲流10 h，每隔1 h 計(jì)算其蒸發(fā)量、滲流量和每個(gè)土篩的質(zhì)量，并推算出土篩內(nèi)松針的平均含水量，假定土篩內(nèi)部松針的中心點(diǎn)的含水量等于平均含水量，即可得到松針柱內(nèi)部的含水量變化序列。

2 模型的建立

2.1 基本假定

松針覆蓋處理對(duì)土壤的影響需要綜合考慮土壤的結(jié)構(gòu)性狀、松針覆蓋層的熱能傳遞特性、覆蓋層對(duì)土壤表層大氣條件的影響等多種因素，針對(duì)松針覆蓋土壤水分運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬十分復(fù)雜，必須對(duì)試驗(yàn)的影響因素進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化：①將松針覆蓋層視為具有穩(wěn)定性狀的均勻多孔導(dǎo)水介質(zhì)，覆蓋層中的水分運(yùn)動(dòng)以垂向運(yùn)動(dòng)為主，故松針覆蓋條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)可作為垂向一維流問(wèn)題進(jìn)行模擬；②忽略土壤溫度變化對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響。

2.2 計(jì)算模型

運(yùn)用HYDRUS–1D(4.16.0110)進(jìn)行土壤水的入滲和蒸發(fā)模擬。松針覆蓋層中的含水量及蒸發(fā)量同樣納入計(jì)算范圍，以模擬松針覆蓋處理對(duì)土壤水動(dòng)態(tài)的影響。非飽和條件下的土壤的水力函數(shù)用van Genuchten–Mualem 模型進(jìn)行計(jì)算，具體公式參見HYDRUS–1D 軟件說(shuō)明。

2.3 邊界條件與參數(shù)的率定

2.3.1 初始條件與邊界條件的確定

根據(jù)試驗(yàn)情況設(shè)置一維蒸發(fā)入滲模型的邊界條件。上邊界條件設(shè)置為表層大氣邊界條件，允許水積聚在表面上，地表水層高度受沉積、滲透和蒸發(fā)的影響而變化。土壤表面的最大水頭高度設(shè)置為10 cm。下邊界條件設(shè)置為自由滲流條件，允許土壤自由水通過(guò)下邊界。土壤和覆蓋層的初始含水量均由試驗(yàn)測(cè)量獲得；潛在蒸發(fā)量則由相同條件下的水面時(shí)段蒸發(fā)量推求。

2.3.2 參數(shù)率定

土壤水力參數(shù)的確定：首先運(yùn)用軟件內(nèi)置的Rosetta 工具，采用土壤顆粒組成和容重參數(shù)計(jì)算模型的土壤水力參數(shù)，并結(jié)合模擬結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終根據(jù)精度較高的結(jié)果確定試驗(yàn)土壤的水分特征參數(shù)。

參考KADER 等[9]的方法確定土壤表面的松針覆蓋層水力參數(shù)：根據(jù)剖面的大小劃分為多個(gè)計(jì)算域，用土篩法測(cè)得的松針含水量變化序列作為HYDRUS 的反解數(shù)據(jù)，利用HYDRUS 的反解功能計(jì)算松針對(duì)應(yīng)的van Genuchten-Mualem(VG)模型參數(shù)。飽和含水量(θs)和殘余含水量(θr)的值根據(jù)烘干法測(cè)得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置。VG 模型中參數(shù)α的大小與土壤含水量(θ(h)，h為壓力水頭)大小呈負(fù)相關(guān)，其他參數(shù)不變時(shí)，α越大，水分特征曲線的中間部分對(duì)應(yīng)的負(fù)壓值越小。從物理含義來(lái)說(shuō)，α越大，等含水量下的負(fù)壓水頭越低，介質(zhì)持水能力越弱[12–13]。設(shè)定覆蓋層參數(shù)α的取值區(qū)間為0.05～0.30。

參數(shù)n的變化會(huì)影響到θ(h)和土壤導(dǎo)水率的值。根據(jù)霍思遠(yuǎn)等[14]的研究，參數(shù)n的變化會(huì)對(duì)水分特征曲線中含水量較高的部分產(chǎn)生較為明顯的影響。當(dāng)n值增大時(shí)，水分特征曲線中含水量較高的部分負(fù)壓值減小，且曲線拐點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值增大，曲線變得更加曲折，n值減少時(shí)，曲線高含水量部分負(fù)壓值增大，曲線變得更加平滑。根據(jù)松針覆蓋層的性質(zhì)，設(shè)定初始參數(shù)時(shí)n值同樣高于土壤層相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，敏感性分析表明，n的變化對(duì)入滲和蒸發(fā)的影響都較為劇烈，故n的取值過(guò)大，將極易導(dǎo)致模型無(wú)法擬合，因此，反向求解中設(shè)置n的取值區(qū)間為1.5～2.1。

根據(jù)陳衛(wèi)金等[15]的研究結(jié)果，VG 模型中參數(shù)α和n的大小還與水分特征曲線拐點(diǎn)處的負(fù)壓(pi)相關(guān)聯(lián)，更大的n值會(huì)使pi更趨近于α的倒數(shù)，而較高導(dǎo)水率和較低持水能力的介質(zhì)符合這些條件。

參數(shù)Ks為飽和導(dǎo)水率。由于松針覆蓋層質(zhì)地疏松，飽和導(dǎo)水率相比土壤更高，故Ks取值較大。

參數(shù)l的取值與介質(zhì)的孔隙連通性相關(guān)，其值可正可負(fù)。l的大小與K(h)呈負(fù)相關(guān)。l的值越小，介質(zhì)中的孔隙連通性就越高，介質(zhì)在非飽和條件下的導(dǎo)水率就越高[16]。在對(duì)土壤類介質(zhì)的計(jì)算中，l的值通常取0.5，但由于覆蓋層的水力特性與土壤不同，其內(nèi)部幾乎沒有毛細(xì)管效應(yīng)，且含水量不受土壤補(bǔ)給影響，因此，將參數(shù)l的值設(shè)置為–0.5。

反解獲得的土壤水力參數(shù)和覆蓋物水力參數(shù)列于表2。

表2 van Genuchten-Mualem 模型參數(shù)Table 2 Parameters of van Genuchten-Mualem model

2.4 模擬結(jié)果的評(píng)估

使用均方根誤差和相關(guān)系數(shù)評(píng)估每種處理的土壤水分模擬值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 松針覆蓋處理對(duì)土壤蒸發(fā)量的影響

由圖2 可知，與無(wú)覆蓋土壤相比，松針覆蓋土壤的累計(jì)蒸發(fā)量隨覆蓋層厚度增加而減少，這表明松針覆蓋處理能降低土壤蒸發(fā)量，促進(jìn)土壤保墑。隨覆蓋量的增加，覆蓋層對(duì)土壤蒸發(fā)的減弱能力的增長(zhǎng)速度逐漸放緩，這可能是由于到達(dá)土壤表層的熱輻射隨覆蓋厚度的增加呈指數(shù)形式遞減造成的。

圖2 松針覆蓋處理后土壤累計(jì)蒸發(fā)量與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship cu rve b etween cu mulative s oil eva poration and time after pine needle mulching treatment

從表3 可以看出，F(xiàn)0由于沒有覆蓋處理，在420 min 之前均保持了較高的時(shí)段蒸發(fā)量，平均時(shí)段蒸發(fā)量為0.729 mm/h。可見，420 min 之前的時(shí)段內(nèi)F0的土壤蒸發(fā)較為穩(wěn)定，處于第一蒸發(fā)階段；隨后土壤開始進(jìn)入第二蒸發(fā)階段，時(shí)段蒸發(fā)量開始下降，截至720 min，水分蒸發(fā)的速度已經(jīng)降至0.252 mm/h。F1在60 min 內(nèi)的時(shí)段蒸發(fā)量?jī)H為0.272 mm，之后隨時(shí)間緩慢下降，截至720 min，F(xiàn)1的時(shí)段蒸發(fā)量已經(jīng)下降至0.078 mm。F2和F3在60 min 內(nèi)的時(shí)段蒸發(fā)量均為0.485 mm；在>60～120 min，F(xiàn)2的時(shí)段蒸發(fā)量降低至0.194 mm，低于F1的。F3在0～300 min 時(shí)段內(nèi)始終保持著3 種覆蓋處理中最高的時(shí)段蒸發(fā)量和累計(jì)蒸發(fā)量，時(shí)段蒸發(fā)量也同樣呈現(xiàn)出隨時(shí)間逐漸減小的趨勢(shì)；但F3的時(shí)段蒸發(fā)量從>300～360 min 開始低于F1的，且>360～420、>420～480、>600～660 min 3 個(gè)時(shí)段低于F2的，得益于360 min前較高的時(shí)段蒸發(fā)量，F(xiàn)3在整個(gè)蒸發(fā)前期均保持了3 組覆蓋處理組中最高的累計(jì)蒸發(fā)量。

表3 松針覆蓋處理后12 h 土壤的時(shí)段蒸發(fā)量Table 3 Interval soil evaporation in 12 h ours after pine needle mulching treatment

3.2 松針覆蓋處理對(duì)土壤含水量時(shí)空分布的影響

試驗(yàn)實(shí)測(cè)和模型模擬的不同時(shí)間土壤含水量的空間分布如表4 所示。試驗(yàn)中，含水量發(fā)生明顯變化的土壤層主要位于0～30 cm 深度，此處主要分析該深度范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)土壤含水量的變化規(guī)律。

表4 松針覆蓋處理后不同時(shí)間土壤含水量的空間分布Table 4 Spatial distribution of soil water contents at different times after pine needle mulching treatment %

表4(續(xù)) %

24 h 時(shí)，F(xiàn)0的地表土壤含水量已經(jīng)降低至11%，2.5 cm 淺層土壤的土壤含水量為18.9%；F1、F2、F3的地表土壤含水量為25.1%～26.7%，2.5 cm 淺層土壤含水量為25.7%～30.1%?？梢钥闯?，F(xiàn)1、F2、F3由于受到松針覆蓋的影響，土壤蒸發(fā)量大幅減少，土壤含水量在各個(gè)深度上都高于F0的。96 h 時(shí)，F(xiàn)0的地表土壤含水量為9.8%，2.5 cm 淺層土壤含水量為13.1%；F1、F2、F3的地表土壤含水量分別為16.4%、19.1%、20.6%，相較于F0的提升比例分別為67.3%、94.9%、110.2%；2.5 cm 淺層土壤含水量分別為22.0%、23.2%、23.5%，相較于F0提高了67.9%、77.1%、79.4%。

7.5～17.5 cm 深度下，F(xiàn)0的含水量受到蒸發(fā)和入滲的影響持續(xù)減少，土壤含水量由 24 h 時(shí)的19.7%～21.2%減少至96 h 時(shí)的18.0%～18.6%；F1、F2、F3在該深度下的土壤含水量相比F0均有提升，但F1、F2、F3之間的土壤含水量差距并不明顯。

>20 cm 深度下，4 種處理的土壤含水量差距較小，這是由于深層土壤受蒸發(fā)的影響較小，其含水量變化主要取決于初期入滲的水量。但透過(guò)有機(jī)玻璃管觀察土壤剖面，發(fā)現(xiàn)土壤含水量產(chǎn)生明顯變化的深度，即濕潤(rùn)鋒的深度，4 種處理間仍有區(qū)別，96 h 時(shí)，F(xiàn)0、F1、F2、F3的濕潤(rùn)鋒深度分別為29.5、31.8、32.3、32.5 cm，總體呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。

土壤含水量的空間分布受到蒸發(fā)能力和土壤入滲能力2 種因素的影響。深度5 cm 以上的淺層土壤受蒸發(fā)的影響較大，含水量相對(duì)較低；20 cm以下的深層土壤受到入滲能力的限制，土壤含水量也較??；5～20 cm 深度的土壤受蒸發(fā)和入滲能力的影響都較小，含水量較高。F0由于沒有松針覆蓋，蒸發(fā)量較高，淺層土壤的含水量較低，而F1、F2、F3由于受到松針覆蓋的影響，土壤蒸發(fā)量大幅減少，土壤含水量在各個(gè)深度上都高于F0組。24 h 時(shí)，F(xiàn)2和F3的土壤含水量在各深度上均較為接近，這是由于土柱前期的蒸發(fā)量主要來(lái)自覆蓋層，土壤內(nèi)的水分蒸發(fā)量很?。籉1的松針覆蓋層在24 h 時(shí)已經(jīng)較為干燥，土壤蒸發(fā)的速度相對(duì)更高，土壤表面的含水量相比F2和F3更低；F2、F3覆蓋層內(nèi)部仍比較濕潤(rùn)，土壤蒸發(fā)速度較慢，土壤內(nèi)部的水分空間分布幾乎相同。96 h 時(shí)，由于土壤表面已經(jīng)比較干燥，含水量變化較小，F(xiàn)0土壤表面的含水量為9.8%，隨著松針覆蓋層內(nèi)部水量的逐漸減少，F(xiàn)1、F2、F3的土壤含水量分布開始產(chǎn)生差別，受水分蒸發(fā)影響最劇烈的F1、F2、F3的土壤表面含水量依次減少；深層土壤受蒸發(fā)的影響較小，其含水量變化主要取決于初期入滲的水量，F(xiàn)1、F2、F3的深層土壤含水量較為接近，濕潤(rùn)鋒深度均處于32.0～32.5 cm 內(nèi)，其中，F(xiàn)2和F3由于前期的土壤含水量變化幾乎一致，后期深層土壤中的土壤含水量也較為接近。

從表5 可知，模擬值與實(shí)測(cè)值間的均方根誤差均低于0.025，相關(guān)系數(shù)均高于0.6，表明模擬土壤含水量與實(shí)測(cè)值較接近，該模型能較好地預(yù)測(cè)松針覆蓋條件下的土壤含水量的變化趨勢(shì)，具有較好的模擬效果。

表5 不同位置土壤含水量模擬值與實(shí)測(cè)值間的均方根誤差和相關(guān)系數(shù)Table 5 Theroot mean s quared er rors a nd co rrelation coefficients between s imulated an d measured s oil water contents at different locations

4 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)條件下，松針覆蓋層對(duì)土壤蒸發(fā)量的影響主要源于以下2 種效應(yīng)：①覆蓋層阻隔了到達(dá)下墊面土壤表面的熱能，對(duì)土壤造成類似遮陰的影響，降低了下墊面土壤所受到的熱輻射，減少了土壤的潛熱變化；②覆蓋層會(huì)截留一部分降水，這些水分在覆蓋層內(nèi)部蒸發(fā)，且蒸發(fā)量相對(duì)于下墊面土壤更大，從而提高了整個(gè)土柱的蒸發(fā)量。由于相同厚度的覆蓋層對(duì)熱輻射的透射率相同[14]，隨著覆蓋量的逐漸增大，到達(dá)土壤表層的熱能會(huì)呈指數(shù)形式逐漸減少，F(xiàn)0、F1、F2、F3的累計(jì)蒸發(fā)量依次減小。同時(shí)，雖然松針覆蓋層質(zhì)地疏松，但也不能完全阻隔下墊面土壤與大氣的氣體交換。在蒸發(fā)初期，較厚的覆蓋層仍然有效抑制了下墊面土壤的水分蒸發(fā)。這可能是由于覆蓋層內(nèi)部的水分蒸發(fā)增大了覆蓋層內(nèi)部空氣的濕度，從而減小了土壤表層和覆蓋層內(nèi)部的水汽壓差，使得土壤中的水蒸氣更難以擴(kuò)散，從而在蒸發(fā)初期對(duì)下墊面土壤產(chǎn)生進(jìn)一步的抑制作用。在試驗(yàn)前期，F(xiàn)1、F2、F3的土壤含水量空間分布較為接近；試驗(yàn)后期，各處理組的土壤含水量空間分布也僅在5 cm 以上的土壤表現(xiàn)出較大的差別。

松針覆蓋條件下的土壤水時(shí)段蒸發(fā)量E為覆蓋層時(shí)段蒸發(fā)量(Emulch)和土壤層時(shí)段蒸發(fā)量(Es)之和。其中，Es的變化取決于土壤上方的蒸發(fā)阻力和土壤自身因素的變化，即同時(shí)受到熱輻射量、風(fēng)速、空氣濕度、土壤含水量等因素的影響[17–18]，其變化在規(guī)則上遵循土壤蒸發(fā)的3 個(gè)典型階段[19]，即：①常速率階段，蒸發(fā)量主要由土壤表層到土壤層表面大氣的水汽壓差決定；②減速率階段，土壤性質(zhì)因素逐漸成為決定蒸發(fā)速率的主要因素；③殘余階段，發(fā)生在蒸發(fā)的后期，土體毛細(xì)水作用逐漸減弱，蒸發(fā)量較小。Emulch的大小則受覆蓋層的含水量和外界環(huán)境控制，覆蓋層含水量較高時(shí)，Emulch較大，同時(shí)隨著覆蓋層中的水分逐漸蒸發(fā)，Emulch也逐漸減小。結(jié)合松針覆蓋層對(duì)土壤蒸發(fā)量產(chǎn)生影響的作用機(jī)制，松針覆蓋條件下的土壤水分蒸發(fā)過(guò)程可以分為以下4 個(gè)階段：①蒸發(fā)初期，土壤和松針覆蓋層都具有較高的濕度，Emulch較高，由于覆蓋層內(nèi)部濕度較大，土壤表層與覆蓋層內(nèi)部的水汽壓梯度較小，Es受到較強(qiáng)的抑制；②覆蓋層內(nèi)部的液態(tài)水逐漸被消耗且不受土壤補(bǔ)給，Emulch開始減少，同時(shí)由于覆蓋層濕度減小，水汽壓梯度增大，Es開始逐漸增大；③覆蓋層內(nèi)部的液態(tài)水基本蒸發(fā)殆盡，Emulch接近于0，Es達(dá)到極大值；④隨著土壤表層水分逐漸蒸發(fā)，Es遵循土壤蒸發(fā)的3 個(gè)典型階段，且受覆蓋層的影響，E值低于同條件無(wú)覆蓋處理的土壤蒸發(fā)量。

綜上所述，松針覆蓋層厚度的增加除了能夠?qū)ο聣|面土壤的水分蒸發(fā)產(chǎn)生數(shù)值上的變化，還能夠改變水分蒸發(fā)的發(fā)生過(guò)程。覆蓋層截留一部分降水并優(yōu)先蒸發(fā)，使得下墊面土壤內(nèi)部的蒸發(fā)速度極慢，表層土壤有更充足的水分向下滲透，從而增加了土壤的入滲量。同時(shí)，覆蓋層厚度越大，截留的水分就越多，覆蓋層變得干燥的時(shí)間就越晚，這也減緩了下墊面土壤蒸發(fā)速度的提升，使高覆蓋量下土壤蒸發(fā)量上升的時(shí)刻比低覆蓋量下的更晚。從理論和實(shí)踐上來(lái)看，松針覆蓋處理是一種行之有效的保水保墑措施，為淺根類中藥材的種植管理創(chuàng)造了有利的根區(qū)微環(huán)境，也是提高農(nóng)田水分利用效率的一項(xiàng)切實(shí)可行的農(nóng)藝措施。