寧夏中部干旱帶砂土混合覆蓋下土壤蒸發(fā)估算

賈振江，趙廣興，李王成,2,3，安文舉，劉巧玲，李陽陽，徐天淵

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，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；4.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710000)

土壤蒸發(fā)不僅是陸地水文循環(huán)的重要組成部分，也是農(nóng)田土壤水分流失的重要途經(jīng)，尤其在蒸發(fā)強(qiáng)烈、降雨稀少的西北旱區(qū)，這種無益損耗對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無疑是致命的。因此，摸清土壤蒸發(fā)過程并對(duì)其進(jìn)行有效估算對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。完整的土壤蒸發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過程，難以用一個(gè)公式對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的定量表達(dá)，在這種情況下，分階段描述就顯得尤為必要。土壤蒸發(fā)通常被劃分為3個(gè)階段，但在此過程中，蒸發(fā)過程受氣象條件影響較大，無法準(zhǔn)確對(duì)此進(jìn)行有效估算。土水蒸發(fā)比為相同外界條件下土壤蒸發(fā)量與對(duì)應(yīng)水面蒸發(fā)量的比值，在以往對(duì)土壤蒸發(fā)估算研究中，常常引入土水蒸發(fā)比以消除氣象因素對(duì)土壤蒸發(fā)的影響。傅抱璞通過理論分析并依據(jù)實(shí)際蒸發(fā)量和最大蒸發(fā)量之比與土壤濕度之間的變化規(guī)律，將土壤蒸發(fā)過程分為3個(gè)階段，并建立了相關(guān)土壤蒸發(fā)量計(jì)算模型；王積強(qiáng)建立了基于土水蒸發(fā)比與其對(duì)應(yīng)土壤含水量的分階段函數(shù)關(guān)系；李紅星等以水面蒸發(fā)量為參考并結(jié)合相關(guān)微氣象參數(shù)推求了土壤蒸發(fā)量數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了土壤蒸發(fā)量計(jì)算；馬己安等基于水面蒸發(fā)量和土壤含水量對(duì)寧夏中部干旱帶地區(qū)土壤蒸發(fā)過程進(jìn)行了分段擬合，將裸地蒸發(fā)分為3個(gè)階段，壓砂地蒸發(fā)分為2個(gè)階段。

表土覆砂作為我國(guó)西北地區(qū)一種傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，具有保溫增滲、抗旱抑蒸的功效，但在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，伴隨耕犁、風(fēng)化作用及使用年限的增長(zhǎng)，土表覆蓋物常以砂土混合的形式存在，部分學(xué)者對(duì)砂土混合覆蓋下土壤水分和蒸發(fā)特性等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，而針對(duì)壓砂地土壤蒸發(fā)模擬及有效估算卻鮮有成論；此外，現(xiàn)有土壤蒸發(fā)量經(jīng)驗(yàn)公式大多是在特定地區(qū)下獲得的，其適用性差異較大。另一方面，眾多學(xué)者研究表明，土壤蒸發(fā)與表層0—1 cm或0—2cm含水量密切相關(guān)，如Bittelli等研究發(fā)現(xiàn)，0—2 cm土壤水汽通量相比于下層土壤更接近土壤實(shí)際蒸發(fā)量；李艷等通過研究留茬模式下相對(duì)土壤蒸發(fā)量與0—2 cm土壤含水量的關(guān)系，將蒸發(fā)過程劃分為2個(gè)階段；孫池濤等基于0—1 cm土壤含水量建立了土壤蒸發(fā)阻力模型，并取得良好成效?；诖?，本研究擬通過研究6種不同砂土混合比條件下的土水蒸發(fā)比與砂土覆蓋層下0—1 cm土壤含水量的關(guān)系，以此劃分蒸發(fā)過程，并最終建立適用于本地區(qū)的壓砂地土壤蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式，以期為寧夏中部干旱帶砂土混合覆蓋下土壤蒸發(fā)模擬預(yù)測(cè)及壓砂地生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

于2021年7—8月在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)香山鄉(xiāng)紅圈子村尹東自然隊(duì)寧夏大學(xué)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)環(huán)香山試驗(yàn)基地(36°56′24″N，105°13′44″E)開展大田試驗(yàn)，該地平均海拔1 760 m。試驗(yàn)區(qū)地處寧夏中部干旱地帶核心區(qū)(36°56′—38°23′N，104°17′—107°39′E)，降雨稀少，多年平均降水量為180～200 mm，且主要集中于6—9月，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均蒸發(fā)量可達(dá)2 100～2 400 mm，約為多年平均降水量的10倍。該地區(qū)主要地形地貌為平原及山地，獨(dú)特的地理位置和豐富的砂礫石資源使得砂石覆蓋成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特有耕作模式。

1.2 試驗(yàn)材料

砂土混合物中砂石與土壤的體積之比稱為砂土混合比，其中，供試土壤取自研究區(qū)自然覆砂的耕作地，試驗(yàn)前在采樣區(qū)采用“S”形取樣法，分別選取10個(gè)樣點(diǎn)剔除表面20 cm覆層，采集覆層下0—20 cm原狀土經(jīng)自然風(fēng)干后碾壓、磨碎并過1 mm篩。土壤容重為1.37 g/cm，土壤風(fēng)干含水量(質(zhì)量)為2.00%，田間持水量(質(zhì)量)為22.70%，飽和含水量(質(zhì)量)為34.15%，經(jīng)Bettersize-2003型激光粒度分析儀測(cè)得土壤顆粒粒徑為砂粒(1～0.05 mm)占11.80%，粉粒(0.01～0.05 mm)占35.10%，黏粒(0.001～0.01 mm)占31.90%，膠粒(<0.001 mm)占21.10%，采用中國(guó)土壤質(zhì)地分類為壤土。

試驗(yàn)所用砂石取自研究區(qū)田間礫石，均為灰綠深灰色板巖，砂石粒徑為1～3 cm，試驗(yàn)前分別過1，2，3 cm不銹鋼砂石篩，其中，粒徑分布在1～2 cm占比約63%，2～3 cm占比約37%，不同粒徑砂石在試驗(yàn)前用自來水清洗3遍并晾干備用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取地形平整、四周無作物遮擋的荒砂地作為試驗(yàn)場(chǎng)地，采用自制微型蒸滲儀進(jìn)行大田模擬試驗(yàn)，微型蒸滲儀采用PVC管及其配套構(gòu)件制成，底部嵌有環(huán)套，見圖1(a)。其中，內(nèi)桶內(nèi)徑20 cm，高25 cm，壁厚0.4 cm，外桶內(nèi)徑25 cm，壁厚0.4 cm。外桶以0.5 m間隔等距埋設(shè)于地下且高于地面1 cm左右，以防止回漏，且為避免不同處理溫濕度的相互干擾，各處理間用厚度為1 cm，高為40 cm的泡沫隔板隔開，同時(shí)，在試驗(yàn)區(qū)上部安裝支架，避免降雨進(jìn)入蒸滲儀中，布置示意圖見圖1(b)。

圖1 試驗(yàn)裝置及布置示意

試驗(yàn)開始前，在蒸滲儀內(nèi)桶內(nèi)壁均勻涂抹凡士林以減少邊壁效應(yīng)，然后將篩分好的土樣按當(dāng)?shù)赝寥廊葜?.37 g/cm分層壓實(shí)裝入桶中，每層5 cm，共4層，層間進(jìn)行打毛，裝填完成后靜置24 h使桶內(nèi)土壤達(dá)到平衡，之后隨即按照砂石和土的體積與容重之積分別計(jì)算相應(yīng)質(zhì)量，混合均勻后放入桶內(nèi)并壓實(shí)，覆蓋厚度為4 cm。灌水前在覆蓋層表面鋪設(shè)濾紙，(裸土以土面為基準(zhǔn)面，覆砂以砂層表面為基準(zhǔn)面)，先后向每個(gè)桶中緩慢均勻灌水至覆蓋層表面明顯有水滲出。同時(shí)，在試驗(yàn)場(chǎng)地空曠處同等位置另設(shè)內(nèi)徑為20 cm的E601B型標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿，水面與各處理基準(zhǔn)面齊平，定時(shí)補(bǔ)充水分蒸發(fā)消耗且與土壤蒸發(fā)量同步測(cè)量。

本試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)砂土混合比處理，分別為S1(0)、S2(20%)、S3(40%)、S4(60%)、S5(80%)、S6(100%)，每個(gè)處理10個(gè)重復(fù)，其中5個(gè)重復(fù)用來建模，5個(gè)重復(fù)用以驗(yàn)證。

1.4 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)選取蒸發(fā)強(qiáng)烈的7月22日至8月30日進(jìn)行，直至各處理土水比不再發(fā)生變化時(shí)結(jié)束，共計(jì)40天。試驗(yàn)過程中，土壤蒸發(fā)量采用稱重法測(cè)得，所用電子稱量程為300 kg，精度為0.01 kg，根據(jù)土壤蒸發(fā)強(qiáng)度前期每12～24 h測(cè)定1次，后期每48～72 h測(cè)定1次，測(cè)定時(shí)間為每天8:00和20:00，由土樣質(zhì)量的變化計(jì)算實(shí)際蒸發(fā)量。

土壤表層質(zhì)量含水量測(cè)定與土壤蒸發(fā)強(qiáng)度同步，通過取樣孔進(jìn)行破壞性取樣獲取砂土覆蓋層下0—1 cm土壤，并采用烘干法進(jìn)行測(cè)定，且每次取土后立即通過目測(cè)土樣顏色和手感土樣濕潤(rùn)度的方法在備用處理中選擇與土樣相似的土壤進(jìn)行填充，盡量保證每次取土位置保持一定距離以減小采樣的擾動(dòng)影響。

1.5 模擬效果評(píng)估

為驗(yàn)證所建模型的精度及實(shí)用性，分別選用決定系數(shù)()、平均相對(duì)誤差(MRE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)及平均精度()對(duì)模型進(jìn)行模擬效果評(píng)價(jià)。其中，越接近于1，MRE、MAE、RMSE越接近于0，計(jì)算誤差越小，值越大，預(yù)測(cè)精度越高，且一般認(rèn)為當(dāng)>80%時(shí)，模型較符合實(shí)際情況。模型評(píng)價(jià)公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及二維擬合計(jì)算，Origin 2018 C軟件進(jìn)行三維擬合繪圖，Matlab R 2020b軟件對(duì)各處理蒸發(fā)過程進(jìn)行Mann-Kendall法突變檢驗(yàn)，SPSS 24.0軟件對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土水蒸發(fā)比變化規(guī)律

2.1.1 土水蒸發(fā)比隨表層土壤含水量變化階段劃分 Mann-Kendall常用于對(duì)獨(dú)立樣本或類型變量及順序變量的非參數(shù)檢驗(yàn)。本研究中，土水蒸發(fā)比與表層土壤含水量為獨(dú)立樣本分布，故采用Mann-Kendall法對(duì)其變化趨勢(shì)及突變情況進(jìn)行檢驗(yàn)(圖2)。由統(tǒng)計(jì)變量UF及UB變化過程及交點(diǎn)位置可以看出，各處理土水蒸發(fā)比全過程呈下降趨勢(shì)，除S6為整段顯著下降外，其余處理在高含水量到突變值附近為顯著降低，突變值附近到低含水量則下降趨勢(shì)不顯著。各處理在顯著性水平=0.01檢驗(yàn)下均存在下降突變，其中，S1～S5突變位置分別為14.07%，13.13%，13.82%，16.16%，15.84%，S6則存在3個(gè)下降突變，考慮到20.95%及23.47% 2個(gè)突變點(diǎn)處于試驗(yàn)中后期，可能由于試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)較大而不具代表性，此處只選取最明顯突變點(diǎn)30.24%。

圖2 各處理土水蒸發(fā)比隨表層土壤含水量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線

2.1.2 土水蒸發(fā)比隨表層土壤含水量變化規(guī)律 土壤蒸發(fā)受覆蓋度、自身供水條件及天氣條件等多因素綜合作用，在消除氣象條件影響下，抓關(guān)鍵因素，只考慮表層土壤含水量對(duì)土壤蒸發(fā)的影響效果。本研究在馬己安等對(duì)裸土及全覆蓋處理蒸發(fā)階段劃分的基礎(chǔ)上，參考Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果，選取與各處理突變位置相近的實(shí)測(cè)點(diǎn)為臨界點(diǎn)進(jìn)一步將不同砂土混合處理蒸發(fā)過程進(jìn)行劃分，二者對(duì)比關(guān)系見圖3(a)。

賈鵬飛有時(shí)候給范崢崢撥打電話，范崢崢都不接，她無法面對(duì)賈鵬飛，只能暫時(shí)回避，謊稱很忙，然后掛斷電話。他起了疑心，開始尋找、打聽、跟蹤，終于來到這處他賣力移栽金彈子樹的地方。

圖3 各處理突變位置含水量與階段劃分臨界含水量對(duì)比及臨界含水量與砂土混合比關(guān)系

由于試驗(yàn)前期土壤蒸發(fā)受控于外界條件變化，土壤水分充足且蒸發(fā)強(qiáng)烈，S1土水蒸發(fā)比值在較短時(shí)間內(nèi)維持平穩(wěn)狀態(tài)，但由于覆砂土的保墑性差異，S2～S6并未觀察到這一狀態(tài)的存在，而是直接進(jìn)入降速階段，最大降幅可達(dá)86.67%。隨著蒸發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，土壤含水量不斷減小，毛細(xì)水遷移能力減弱，S1降速階段較其余處理滯后出現(xiàn)；而進(jìn)入水汽擴(kuò)散階段，土壤毛細(xì)管供水作用停止，各處理土水蒸發(fā)比變化較為緩慢，最終趨于平穩(wěn)(圖4)。故將裸土蒸發(fā)過程分為3個(gè)階段，其余處理為2個(gè)階段。

圖4 各處理土水蒸發(fā)比與表層土壤含水量分階段關(guān)系

2.2 基于水面蒸發(fā)量和表層土壤含水量的土壤蒸發(fā)估算

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

簡(jiǎn)化得：

當(dāng)=0，20%，40%，60%，80%，100%時(shí)，

(12)

2.2.2 單一模型計(jì)算土壤蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)土壤蒸發(fā)量對(duì)比 由圖5可知，各處理計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本貼合，且其按分段公式擬合后的決定系數(shù)在0.90以上，擬合直線斜率為0.962 3～1.147 1，表明計(jì)算土壤蒸發(fā)量與實(shí)際值相接近。

圖5 各處理土壤蒸發(fā)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比及分階段公式擬合對(duì)比關(guān)系

表1 不同處理計(jì)算蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)蒸發(fā)量誤差分析結(jié)果

其余處理各階段擬合計(jì)算值MAE、RMSE均小于1，且達(dá)到80%以上，表明該經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)不同砂土混合比處理土壤蒸發(fā)量預(yù)測(cè)具有一定準(zhǔn)確性，可進(jìn)行實(shí)際蒸發(fā)量估算。

2.3 綜合水面蒸發(fā)量、表層土壤含水量及砂土混合比的土壤蒸發(fā)估算

2.3.1 復(fù)合模型構(gòu)建 由上述建模過程可知，各單一模型與砂土混合比間存在相似關(guān)聯(lián)，為進(jìn)一步量化單一模型與砂土混合比的函數(shù)關(guān)系，參考其分階段過程，分2階段分別進(jìn)行二次拋物面及多項(xiàng)式擬合，以尋求綜合水面蒸發(fā)量、表層土壤含水量與砂土混合比的回歸模型。其中，階段劃分所使用的S1～S6臨界表層土壤含水量與單一模型相同，即為13.62%，13.69%，13.83%，16.15%，16.25%及29.81%。

由圖6可知，第1階段二次拋物面擬合得公式(13)：

圖6 綜合水面蒸發(fā)量、表層土壤含水量及砂土混合比的分階段模型

=-07838+14700×10+91010×10-41712×10-53106×10-40423×10

(13)

第2階段多項(xiàng)式擬合為公式(14)：

=03551-52300×10+56569×10-21045×10+28718×10-12925×10-01178+14330×10-63118×10+10686×10-44571×10

(14)

當(dāng)≠0，則復(fù)合模型為公式(15)：

(15)

2.3.2 復(fù)合模型計(jì)算土壤蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)土壤蒸發(fā)量對(duì)比 用S1～S6同期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，2階段模型及復(fù)合模型蒸發(fā)量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的MRE、MAE、RMSE及結(jié)果分析見圖7及表2。最大MRE出現(xiàn)在S6第1階段及S4第2階段，對(duì)應(yīng)分別為27.52%，60.81%，可能是因?yàn)樵撎幚碓囼?yàn)前期數(shù)據(jù)樣本較少，易出現(xiàn)過擬合，而后期觀測(cè)誤差較大，導(dǎo)致欠擬合現(xiàn)象發(fā)生，從而降低了預(yù)測(cè)精度。其余驗(yàn)證處理各指標(biāo)均處于允許誤差范圍內(nèi)，表明該復(fù)合模型具有一定適用性，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，當(dāng)灌水或降雨后，若已知土壤表層含水量及對(duì)應(yīng)水面蒸發(fā)量，利用公式(15)便可估算壓砂地實(shí)際土壤蒸發(fā)量，可為寧夏中部干旱帶壓砂地土壤蒸發(fā)量預(yù)測(cè)提供參考，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)田灌溉管理具有現(xiàn)實(shí)意義。

表2 階段模型及復(fù)合模型評(píng)價(jià)指標(biāo)分析結(jié)果

圖7 階段模型及復(fù)合模型土壤蒸發(fā)量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差箱線

3 討 論

土壤蒸發(fā)過程一般分為3個(gè)階段，即蒸發(fā)穩(wěn)定階段、土壤導(dǎo)水率控制階段及水汽擴(kuò)散階段，而土壤含水量是致使土壤處于不同蒸發(fā)階段的根本原因。因此在本研究中，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)各處理土水蒸發(fā)比與表層土壤含水量關(guān)系尋求下降突變點(diǎn)并進(jìn)行階段劃分，對(duì)于揭示壓砂地土壤蒸發(fā)過程具有重要意義。本研究指出，覆砂土處理土水蒸發(fā)比隨表層土壤含水量變化過程均可分為2個(gè)階段，即快速下降階段與緩慢降低階段，而不是裸土處理的3個(gè)階段，且砂土混合比越大，主要失水階段持續(xù)時(shí)間越短，即階段臨界表層含水量越大。分析認(rèn)為，砂土覆蓋層在土壤表面設(shè)置了一道阻滯屏障，能夠改善土壤表面及近地層熱量及能力交換，延緩水分子由土壤向大氣傳輸?shù)乃俾剩瑥亩煌潭葴p少蒸發(fā)；同時(shí)，砂土混合比的增大又改變覆蓋層孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步阻斷砂土層與蒸發(fā)面的毛管聯(lián)系，造成土壤蒸發(fā)量抑制差異。如呂國(guó)安等研究發(fā)現(xiàn)，土壤蒸發(fā)能力與土壤中土壤與礫石的比例有關(guān)；當(dāng)砂田覆砂層的土砂比從0.09增加到0.57時(shí)，土壤含水量由25.30%降低到13.70%，且砂土混合比越大，土壤日蒸發(fā)量和累計(jì)蒸發(fā)量越小，全覆蓋時(shí)抑蒸效果最好。在本研究中，覆砂土處理蒸發(fā)能力低于同期水面蒸發(fā)，前期土水蒸發(fā)比并未出現(xiàn)穩(wěn)定蒸發(fā)階段，而表現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢(shì)，裸土處理第2階段與其相比存在滯后性；直至蒸發(fā)中后期，表土覆砂處理供水能力與裸土相比較強(qiáng)，蒸發(fā)比雖減緩但仍能呈現(xiàn)出較高水平。故在生產(chǎn)實(shí)踐中，壓砂地在多年翻耕后應(yīng)采取再覆砂等相應(yīng)措施以維續(xù)保墑效果，以避免因砂土比例過小引起失水階段持續(xù)發(fā)生，從而造成農(nóng)田水分的非生產(chǎn)性損耗。

4 結(jié) 論

(3)綜合水面蒸發(fā)量、表層土壤含水量及砂土混合比分2階段構(gòu)建了二次拋物面模型及多項(xiàng)式模型，模型整體各評(píng)價(jià)指標(biāo)均處于允許誤差范圍內(nèi)，具有一定適用性。