孫池濤 鄧亞鵬 張俊鵬 孫景生 毛偉兵 孫玉霞

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院， 泰安 271000； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點實驗室， 新鄉(xiāng) 453002；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所， 新鄉(xiāng) 453002)

0 引言

土壤蒸發(fā)是陸地水文循環(huán)的重要組成部分，也是農(nóng)田土壤水分消耗的重要途經(jīng)，同時還是導(dǎo)致土壤鹽漬化的重要驅(qū)動因素[1-2]。秸稈覆蓋是一種傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，是解決干旱-半干旱地區(qū)土壤缺水問題的重要舉措[3]。研究秸稈覆蓋條件下的鹽漬化土壤蒸發(fā)規(guī)律有助于深入理解蒸發(fā)在水文循環(huán)中的作用，提高土壤蒸發(fā)模型的模擬、預(yù)測精度，以及揭示秸稈覆蓋對土壤水鹽的調(diào)控機制。秸稈覆蓋后，覆蓋層對水汽擴散具有阻滯作用，能夠延緩水分子由土壤向大氣傳輸?shù)乃俾蔥4]；同時，覆蓋層還改變了地表反射率、導(dǎo)熱率及粗糙度等參數(shù)，對近地層土壤熱力學(xué)性質(zhì)及水分傳輸條件產(chǎn)生影響[5]。

與土壤蒸發(fā)計算相關(guān)的理論和經(jīng)驗公式已有諸多報道，如趙鴻雁等[6-7]構(gòu)建了基于落葉覆蓋厚度和土壤含水率估算土壤累計蒸發(fā)量和蒸發(fā)強度的數(shù)學(xué)模型；孫景生等[8]研究指出，玉米棵間土壤相對蒸發(fā)強度與表層土壤含水率和作物葉面積指數(shù)之間均呈良好的指數(shù)函數(shù)型關(guān)系，灌溉或降雨后2～3 d內(nèi)土壤蒸發(fā)強度較大，受大氣蒸發(fā)力影響明顯；鄭鑫等[9]以Ritchie模型為基礎(chǔ)，結(jié)合微型蒸滲儀測定結(jié)果確定了適宜于東北鹽堿土蒸發(fā)的模型參數(shù)。此外，研究者還對土壤蒸發(fā)過程中的蒸發(fā)阻力項進(jìn)行了計算，指出土壤表面蒸發(fā)阻力主要與土壤表層1～2 cm內(nèi)的土壤含水率有關(guān)[10]，同時還受到土壤質(zhì)地、持水特征、溫度等因素影響[11-14]。然而，上述經(jīng)驗公式大多是在特定的氣候條件下獲得的，其適用條件及模型參數(shù)還有待于驗證。

目前，秸稈覆蓋條件下土壤蒸發(fā)模擬、蒸發(fā)阻力確定等相關(guān)研究已有報道[15-16]，但這些研究多是針對特定覆蓋材料的尺寸、厚度及用量等因素獲得的，不同秸稈覆蓋量條件下的秸稈覆蓋阻力變化規(guī)律及蒸發(fā)模擬研究卻鮮有報道。本文研究不同秸稈覆蓋量條件下土壤蒸發(fā)特性，對現(xiàn)有土壤表面蒸發(fā)阻力模型進(jìn)行模擬篩選，旨在確定適宜的土壤表面蒸發(fā)阻力模型和秸稈覆蓋阻力模型，為覆蓋條件下土壤蒸發(fā)模擬預(yù)測及制定合理的農(nóng)業(yè)水分管理策略提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自濱州市無棣縣“渤海糧倉”科技示范區(qū)(37°17′～38°3′N，117°42′～118°4′E)0～40 cm土層，土壤含鹽量為3g/kg，主要以NaCl為主，占總含鹽量的70%～80%。采樣區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為12.3℃，降雨量為586 mm，蒸發(fā)量為1 800 mm；其中，6—9月降雨量約占全年總降雨量的70%。通過吸管法測定土壤各粒級相對含量(表1)，粘粒(粒徑0～0.002 mm)相對含量為10.75%，粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)相對含量為54.92%，沙粒(粒徑大于0.05 mm)相對含量為34.33%；土壤質(zhì)地為粘質(zhì)壤土(美國制)。本試驗中覆蓋材料為剪碎的0.5～1 cm小麥秸稈。

表1 試驗土壤顆粒組成Tab.1 Mechanical composition of experimental soil

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用航空塑料杯(容積230 mL，杯高80 mm，上口直徑70 mm，下口直徑50 mm)，2個塑料杯為一套裝置(圖1a)，上杯底部用電鉆均勻打孔(孔徑1 mm)，下杯完好嵌套上杯。上杯底部均勻鋪設(shè)20 g粒徑為2 mm的石英砂(約5 mm厚)，石英砂上裝230 g風(fēng)干土壤(容重為1.3 g/cm3)，上杯頂部預(yù)留0.5 cm高空間以覆蓋秸稈，秸稈量按照0、0.3、0.6、0.9、1.2 kg/m2(分別表示為CK、S1、S2、S3、S4)鋪設(shè)，每個處理重復(fù)20次。試驗時間為2019年12月28日—2020年1月9日共計14 d。試驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程實驗中心大廳完成，試驗期間室內(nèi)溫度為13～18℃。

圖1 試驗裝置及試驗布置示意圖Fig.1 Schematic of test device and test layout

1.3 試驗流程

為了使每個處理土壤樣品鹽分濃度一致，試驗開始前，向每一套裝置中加預(yù)先配置好的5 g/L NaCl溶液180 mL(灌水前土壤上方鋪設(shè)濾紙，以免加水沖坑)，入滲過程中及時倒掉下杯搜集的液體，靜置24 h后，按設(shè)計用量覆蓋秸稈，秸稈覆蓋后，用手輕輕按壓秸稈，力求各處理間秸稈壓實度保持一致。為避免不同處理間溫濕度相互干擾，用高為50 cm的泡沫板隔開，試驗布置示意圖如圖1b所示。每個處理選擇最后3組裝置稱量，根據(jù)前后兩次稱量值計算蒸發(fā)量；稱量的同時，用紅外測溫儀(Testo型，德國)測定各處理表層溫度，用空氣溫濕度、風(fēng)速儀(Testo-608型，德國)測定每個裝置上方15 cm處溫度、相對濕度和風(fēng)速；此外，通過破壞性取樣測定0～1 cm土壤質(zhì)量含水率θs。上述指標(biāo)均按照先密后疏的原則測定，其中土壤蒸發(fā)量和土壤質(zhì)量含水率θs前期每4～8 h取樣一次，后期每12～24 h取樣一次；溫度、相對濕度和風(fēng)速前期每2 h監(jiān)測一次，后期每4 h監(jiān)測一次。土壤質(zhì)量含水率θs由干燥法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1土壤蒸發(fā)強度

參照YAMANAKA等[17]研究結(jié)果，土壤蒸發(fā)強度計算式為

(1)

(2)

(3)

式中E——土面蒸發(fā)量，mm/min

qvs——土壤表面空氣濕度，kg/m3

qva——空氣濕度，kg/m3

rt——土壤總蒸發(fā)阻力，s/m

ra——空氣動力學(xué)阻力，s/m

rs——土壤表面蒸發(fā)阻力，s/m

rm——秸稈覆蓋阻力，s/m

Ts——土壤表面溫度，℃

R——宇宙氣體常數(shù)，J/(mol·K)

φ——土壤表面水勢，m

g——重力加速度，m/s2

Ta——空氣溫度，℃

RH——空氣相對濕度，%

Z——測定風(fēng)速u的參考高度，m

Z0——地表的粗糙度，m

u——參考高度的平均風(fēng)速，m/s

K——Karman常數(shù)，取0.41

rs的計算公式見表2；覆蓋條件下rm計算見2.6節(jié)，若無覆蓋，則rm=0。參照翁篤鳴等[18]研究結(jié)果，本文中CK、S1、S2、S3、S4粗糙度分別取0.01、0.013、0.015、0.017、0.019 m。

表2 土壤表面蒸發(fā)阻力計算公式Tab.2 Soil surface evaporation resistance calculation formula

1.4.2土壤蒸發(fā)阻力

參考國內(nèi)外與土壤表面蒸發(fā)阻力相關(guān)的公式，當(dāng)前土壤表面蒸發(fā)阻力公式見表2。

1.4.3模擬效果評價

以納什效率系數(shù)(NS)、均方根誤差(RMSE)、平均相對誤差(MAE)評價模擬值與實測值吻合程度，評價模擬效果。NS越大，RMSE、MAE越小，模擬效果越好。采用Excel 和SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層0～1 cm土壤含水率隨時間的變化

各處理表層0～1 cm土壤含水率隨時間的變化趨勢基本一致，均隨時間的延長呈指數(shù)型遞減趨勢(圖2)，達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)水平(p<0.01)。除S3處理擬合曲線的決定系數(shù)R2略低外，其余處理擬合曲線的決定系數(shù)R2均高于0.9。同一時刻，秸稈覆蓋量較大的處理，表層土壤含水率較大。從圖中還可以看出，CK、S1、S2、S3、S4最大含水率依次為39.12%、51.50%、51.64%、47.08%、48.68%。

2.2 土壤蒸發(fā)強度隨土壤含水率的變化

結(jié)合2.1節(jié)分析結(jié)果，計算了各處理不同時間實測蒸發(fā)強度下對應(yīng)的土壤含水率，并建立不同處理土壤蒸發(fā)強度與含水率的關(guān)系(圖3)，可見，各處理土壤蒸發(fā)強度隨土壤含水率的增加呈指數(shù)型遞增趨勢(p<0.01)，CK、S1、S3處理擬合曲線決定系數(shù)R2分別為0.897 4、0.806 3、0.723 9；S2和S4處理擬合曲線決定系數(shù)相對較低，分別為0.281 7和0.424 7。

2.3 土壤累計蒸發(fā)量隨含水率的變化

試驗期間，各處理土壤累計蒸發(fā)量隨含水率的

變化均呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系，累計蒸發(fā)量隨土壤含水率的降低呈線性遞增的趨勢(圖4)，各處理擬合直線的決定系數(shù)均大于0.9。試驗期間，CK、S1、S2、S3、S4土壤累計蒸發(fā)量分別為17.79、20.30、14.22、14.57、10.27 mm。

2.4 土壤平均含水率、蒸發(fā)強度、累計蒸發(fā)量隨秸稈覆蓋量的變化

圖5反映了試驗期間秸稈覆蓋量與平均土壤含水率、平均土壤蒸發(fā)強度及累計蒸發(fā)量的關(guān)系。由圖可知，平均土壤含水率隨秸稈覆蓋量的增加呈線性遞增趨勢，擬合方程為y=10.776x+26.333，達(dá)極顯著水平(R2=0.742 3，p<0.01)；平均土壤蒸發(fā)強度隨秸稈覆蓋量的增加呈線性遞減趨勢，擬合方程為y=-0.737 8x+1.732 6，未達(dá)到顯著性水平(R2=0.678 1，p=0.146 9)；土壤累計蒸發(fā)量隨秸稈覆蓋量的增加亦呈線性遞減趨勢，擬合方程為y=-6.920 9x+19.582，達(dá)極顯著水平(R2=0.742 2，p<0.01)。

圖3 土壤蒸發(fā)強度與表層 0～1 cm土壤含水率關(guān)系Fig.3 Relationships between soil evaporation rate and surface moisture of 0～1 cm depth

圖4 土壤累計蒸發(fā)量與表層 0～1 cm土壤含水率關(guān)系Fig.4 Relationships between cumulative soil evaporation and surface moisture of 0～1 cm depth

圖5 秸稈覆蓋量與平均土壤含水率、土壤蒸發(fā)強度及累計蒸發(fā)量的關(guān)系Fig.5 Relationships between straw coverage amount and soil moisture, soil evaporation rate and cumulative evaporation

2.5 無覆蓋條件下土壤表面蒸發(fā)阻力公式確定

利用表2的6個土壤蒸發(fā)阻力公式，分別計算了無覆蓋模式下土壤蒸發(fā)量，并統(tǒng)計分析了不同計算公式下土壤蒸發(fā)量計算值與實際值的關(guān)系，結(jié)果見表3。根據(jù)計算蒸發(fā)量與實測蒸發(fā)量擬合直線的斜率k及決定系數(shù)R2可知，公式1、3、5、6的計算蒸發(fā)結(jié)果與實測蒸發(fā)結(jié)果基本吻合，綜合考慮NS系數(shù)、RMSE和MAE等指標(biāo)可知，公式3計算蒸發(fā)量與實測蒸發(fā)量的NS系數(shù)最大，MAE最低，總體模擬效果較好。因此，推薦使用公式3作為無覆蓋條件下土壤表面蒸發(fā)阻力計算公式。

表3 無覆蓋條件下不同土壤表面蒸發(fā)阻力公式計算蒸發(fā)量與實測蒸發(fā)量結(jié)果Tab.3 Statistics of different soil surface evaporation resistance formulas for calculated evaporation and measured evaporation results under uncovered conditions

2.6 秸稈覆蓋條件下覆蓋阻力計算

2.7 秸稈覆蓋條件下計算土壤蒸發(fā)量與實測土壤蒸發(fā)量對比

圖8為秸稈覆蓋條件下計算土壤蒸發(fā)量與實測土壤蒸發(fā)量，計算土壤蒸發(fā)量與實測土壤蒸發(fā)量的RMSE為4.18×10-4mm/min、MAE為3.85×10-5mm/min、NS為0.90，擬合直線斜率k為0.926，接近1，計算的土壤蒸發(fā)量與實際測量的土壤蒸發(fā)量數(shù)值相接近，表明所建立的秸稈覆蓋阻力計算公式可用于秸稈覆蓋條件下土壤蒸發(fā)量的計算。

圖6 不同處理蒸發(fā)阻力隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curves of evaporation resistance during experimental time for different treatments

圖7 平均秸稈覆蓋阻力與秸稈覆蓋量的關(guān)系Fig.7 Relationship between average coverage resistance and straw amount

圖8 秸稈覆蓋條件下計算土壤蒸發(fā)量與實測土壤蒸發(fā)量的關(guān)系Fig.8 Relationship between calculated soil surface evaporation and measured soil surface evaporation under straw coverage

3 討論

土壤水分蒸發(fā)即土壤水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)脫離土體的過程，通?？捎烧舭l(fā)強度表示，其結(jié)果是降低土壤含水率；土壤蒸發(fā)同時受土壤自身及外部環(huán)境共同作用[1,22]。本研究中，表層土壤含水率隨時間的延長而顯著呈指數(shù)型遞減趨勢，結(jié)果與高鵬程等[23]研究一致；秸稈覆蓋處理(S1～S4)表層初始含水率顯著高于對照處理(CK)，原因可能是加水后各處理靜置24 h，靜置蒸發(fā)過程中水汽在覆蓋的秸稈層內(nèi)凝結(jié)，經(jīng)取土擾動重新回落至地表所致；此外，取土過程中雖已去除表層秸稈，但土壤中仍殘留少量秸稈葉片，殘留葉片含水率較高亦是引起表層土壤含水率高的原因之一。一般而言，土壤蒸發(fā)可分為穩(wěn)定蒸發(fā)和蒸發(fā)強度遞減兩個階段。其中，穩(wěn)定蒸發(fā)階段土壤含水率相對較高，土壤蒸發(fā)強度主要受環(huán)境因素影響；蒸發(fā)強度遞減階段土壤蒸發(fā)強度主要受土壤供水能力(自身含水率)影響[1,8,23]。本研究中，試驗開始前，為了使各處理土壤水分分布一致，所有樣品靜置了24 h，試驗開始后土壤蒸發(fā)強度隨著表層土壤含水率的降低而呈指數(shù)型減小，結(jié)果與高鵬程等[23]研究結(jié)果基本一致。由圖3可以看出，S2和S4處理土壤蒸發(fā)強度整體均低于其余各處理，原因可能是試驗過程中S2和S4處理所處位置風(fēng)速較小，不利于蒸發(fā)。此外，從圖3還可以看出，秸稈覆蓋處理(S1～S4)的蒸發(fā)強度在最大表層土壤含水率附近時變化幅度較大，與土壤含水率無明顯關(guān)系，其原因可能與此階段土壤含水率相對較高，土壤蒸發(fā)主要受環(huán)境因素影響有關(guān)。秸稈覆蓋具有較好的保水、抑蒸效果[16,23]，本研究表明，秸稈覆蓋量較大的處理，表層土壤含水率較大，蒸發(fā)強度和累計蒸發(fā)量則隨秸稈覆蓋量的增加呈線性降低趨勢，這與孫博等[24]研究一致。

本文試驗是在室內(nèi)完成的，試驗期間土壤含水率相對較高，模擬的蒸發(fā)也是在含水率相對較高時的結(jié)果，有關(guān)低土壤含水率條件下的秸稈覆蓋阻力以及土壤鹽分對蒸發(fā)的影響還有待于進(jìn)一步研究。此外，由于試驗儀器材料、規(guī)格及環(huán)境等因素限制，本文測定結(jié)果與模擬結(jié)果有一定差異，但秸稈覆蓋阻力推算方法及思路可為土壤蒸發(fā)模擬和預(yù)測研究提供參考。

4 結(jié)束語

秸稈覆蓋量較大的處理表層土壤含水率較大，且表層土壤含水率隨時間呈極顯著(p<0.01)指數(shù)型遞減趨勢；秸稈覆蓋抑制了土壤蒸發(fā)強度，并降低了土壤累計蒸發(fā)量。隨著含水率的降低，土壤蒸發(fā)強度呈極顯著(p<0.01)指數(shù)型降低趨勢，土壤累計蒸發(fā)量呈極顯著(p<0.01)線性遞增趨勢。結(jié)合試驗結(jié)果，本研究推薦使用表2中的公式3作為無覆蓋條件下土壤表面蒸發(fā)阻力計算公式，以此公式為基礎(chǔ)得出，秸稈覆蓋阻力隨秸稈覆蓋量的增加而增加，且同一秸稈覆蓋量條件下，秸稈覆蓋阻力基本不變。以水汽擴散理論為基礎(chǔ)，結(jié)合土壤表面蒸發(fā)阻力和秸稈覆蓋阻力計算的土壤蒸發(fā)強度與實測蒸發(fā)強度結(jié)果相一致，本研究建立的秸稈覆蓋阻力模型可用于土壤蒸發(fā)強度的模擬和預(yù)測。