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 實驗室，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）

0 引 言

【研究意義】寧夏中部干旱帶降雨量少，蒸發(fā)強烈，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，對其進行定量計算對田間水分管理具有重要意義。在長期的生產(chǎn)實踐過程中，人們采用土壤表面覆蓋的方式減少田間蒸發(fā)以達到蓄水保墑的效果[1-6]，砂石覆蓋作為當(dāng)?shù)匾豁梻鹘y(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展】土壤蒸發(fā)過程可以分為3 個階段，分別為表土蒸發(fā)強度保持穩(wěn)定的階段、表土蒸發(fā)強度隨含水率變化的階段和水汽擴散階段[13]。當(dāng)?shù)乇砗矢哂谀骋慌R界值θk時，盡管含水率有所變化，但表土蒸發(fā)強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，土壤供水能力減小，蒸發(fā)強度隨之減弱；當(dāng)表土含水率很低時，土壤輸水能力極弱，蒸發(fā)進入第3 階段。在對土壤蒸發(fā)量的研究中，傅抱璞[14]通過繪制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)計算出的蒸發(fā)力）與土壤含水率θ 之間的變化曲線，將南京地區(qū)土壤蒸發(fā)過程分為3 個階段，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)量計算模型；王積強[15]認為土面與水面蒸發(fā)之比可以消去天氣對蒸發(fā)的影響，并將德州地區(qū)土壤蒸發(fā)過程分為3 個階段，對應(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]借助王積強的試驗數(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，計算效果較好。在對壓砂地的認識過程中，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壓砂地和裸地蒸發(fā)差異性進行了對比分析，王興等[18]、劉學(xué)智[19]通過設(shè)置不同的砂層砂土混合比例對壓砂地土壤蒸發(fā)過程進行了研究，這些研究對壓砂地的保墑機理作出了詳細的說明?！厩腥朦c】土壤蒸發(fā)作為水資源循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，其定量計算具有一定的難度，國內(nèi)外水文、氣象等諸多領(lǐng)域?qū)W者依據(jù)各自學(xué)科特點建立了不同的土壤蒸發(fā)計算模型，鑒于土壤蒸發(fā)量計算模型在各地區(qū)應(yīng)用差異性較大，針對壓砂地土壤蒸發(fā)量計算的研究相對較少，本文擬通過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)驗公式?！緮M解決的關(guān)鍵問題】依據(jù)該經(jīng)驗公式，對土壤蒸發(fā)量進行定量計算，可為研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水管理提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(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。試驗區(qū)深居內(nèi)陸，遠離海洋，屬半干旱氣候，春暖遲、秋凉早、夏熱短、冬寒長，風(fēng)大沙多，干旱少雨。經(jīng)統(tǒng)計，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)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗裝置為高度40 cm，直徑50 cm 的鐵桶，桶內(nèi)取原狀土過2 mm 篩后按當(dāng)?shù)赝寥荔w積質(zhì)量1.4 g/cm3分層壓實，試驗所用當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑樯巴?，粒徑分布見?。設(shè)置表面條件為覆砂（所覆砂石先過1 cm 篩，挑選出粒徑大于1 cm 的砂石后過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 個重復(fù)，其中3 個重復(fù)用來建立經(jīng)驗公式，另一個用來檢驗公式的精度。另設(shè)3 個規(guī)格相同的鐵桶用來測水面蒸發(fā)量，水面與土壤表面高度相同，定時補充蒸發(fā)消耗水分。試驗前灌水至淹沒土壤和砂層表面，待桶中土壤充分濕潤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。試驗在室外進行，試驗區(qū)上層設(shè)有遮雨篷布，以避免自然降雨對試驗的影響。

1.3 測定項目

1）蒸發(fā)量：每日20:00 采用稱質(zhì)量法測量土壤和水面的蒸發(fā)量，測量儀器為精度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1 次，采用插值法（此處插值為前后2 天含水率的平均值）補全含水率數(shù)據(jù)，取土?xí)r間為20:30，土樣質(zhì)量測量采用精度為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。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 進行分析計算和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸發(fā)的日變化過程

2.1.1 蒸發(fā)量的日變化過程

水面蒸發(fā)量的變化在一定程度上可以反映蒸發(fā)過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)量隨時間的變化曲線。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，變化趨勢同水面蒸發(fā)變化趨勢相同。隨著時間延長，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，在此過程中，日蒸發(fā)量的變化依然會受到天氣條件影響，無法依據(jù)日蒸發(fā)量的變化過程準(zhǔn)確確定土壤蒸發(fā)過程中各個階段的臨界含水率。

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)比的日變化過程

圖2是裸地土水面蒸發(fā)比Eb/E0隨時間變化曲線， Eb/E0隨時間呈下降趨勢。

依據(jù)Eb/E0的變化趨勢可將其劃分為3 個階段：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)比隨時間變化曲線，依據(jù)Eg/E0的變化趨勢可將其劃分為2 個階段，前5 天（GH 段）為第1 階段，Eg/E0下降速率隨時間變化較快，5 d 內(nèi)從0.95 下降到0.35。從第6 天開始直到試驗結(jié)束為第2 階段（IJ 段），變化速率較慢，試驗結(jié)束時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)時間差異性較大，土壤蒸發(fā)強度不同，僅依據(jù)土壤蒸發(fā)過程中蒸發(fā)量的日變化規(guī)律來劃分土壤蒸發(fā)過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隨時間呈現(xiàn)出較好的分段規(guī)律，根據(jù)Eg/E0隨時間的變化規(guī)律可以將裸地土壤蒸發(fā)過程分為3 個階段，將壓砂地土壤蒸發(fā)過程分為2 個階段。

2.2 土水面蒸發(fā)比隨土壤含水率的變化

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)比隨時間呈出較好的分段規(guī)律，但外界條件不同時，蒸發(fā)持續(xù)過程時間也不同。當(dāng)外界條件有利于土壤蒸發(fā)時，蒸發(fā)過程持續(xù)時間較短；當(dāng)外界條件不利于土壤蒸發(fā)時，蒸發(fā)過程持續(xù)時間較長，所以并不能依據(jù)土水面蒸發(fā)比隨時間的變化規(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，通過對各臨近散布點進行組合，求取擬合度最高的經(jīng)驗公式如式（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)過程劃分為3 個階段，A′點和B′點之間為第1 階段，累積蒸發(fā)量11.16 mm，與同時期水面蒸發(fā)量相同；C′點和D′點之間為第2 階段，累積蒸發(fā)量40.00 mm，占同時期水面蒸發(fā)量的52.90%；E′點和F′點之間為第3 階段，累積蒸發(fā)量為3.36 mm，占同時期水面蒸發(fā)量的17.28%，裸地蒸發(fā)過程中累積蒸發(fā)量為54.52 mm，占同時期水面蒸發(fā)量的51.34%。此次試驗所測含水率臨界值為范圍值，如圖4 所示，在試驗設(shè)置的裸地蒸發(fā)過程中，第1 臨界含水率θb1介于B′點和C′點對應(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′點和E′點對應(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之間的變化曲線可將其分為2個階段，G′H′為第1 階段，累積蒸發(fā)量12.84 mm，占同時期水面蒸發(fā)量的68.85%；I′J′為第2 階段，累積蒸發(fā)量 20.97 mm，占同時期水面蒸發(fā)量的23.95%，壓砂地蒸發(fā)過程中累積蒸發(fā)量為33.81 mm，占同時期水面蒸發(fā)量的31.84%。依據(jù)Eg/E0隨含水率θg的變化規(guī)律，對相鄰散布點進行組合，求取擬合度最高的經(jīng)驗公式如式（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)過程中，存在1 個含水率臨界值，如圖5 所示，該值介于H′點和I′點對應(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

2.3 計算蒸發(fā)量與實測蒸發(fā)量的比較

根據(jù)試驗數(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算土壤日蒸發(fā)量，與實測蒸發(fā)量進行比較，采用相對誤差、絕對誤差、平均相對誤差MRE 和均方根誤差RMSE 對其進行評價,其中：

式中：N 為樣本總數(shù)；i，j 為樣本次序；yi為計算值；yj為實測值。相對誤差、絕對誤差、MRE 和RMSE 值越小，相應(yīng)的計算結(jié)果誤差越小，精度越高。

土壤蒸發(fā)量計算值和實測值對比見圖6 和圖7，誤差分析結(jié)果見表2 和表3。裸地蒸發(fā)過程平均絕對誤差為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)量隨時間逐漸減小，中后期日蒸發(fā)量微弱，觀測誤差會增加，但其依舊可以滿足生產(chǎn)需求。壓砂地蒸發(fā)量計算值平均絕對誤差為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%，說明該經(jīng)驗公式計算試驗區(qū)土壤蒸發(fā)量是可靠的。

圖6 裸地土壤蒸發(fā)量計算與實測值對比圖 Fig.6 Comparison of calculated and measured values of bare soil evaporation

圖7 壓砂地土壤蒸發(fā)量計算與實測值對比圖 Fig.7 Comparison of calculated and measured values of gravel-mulched soil evaporation

表2 裸地計算蒸發(fā)量誤差分析統(tǒng)計值 Table 2 Error statistic value analysis of calculated value on bare ground

表3 壓砂地計算蒸發(fā)量誤差分析統(tǒng)計值 Table 3 Error statistic value analysis of calculated value on gravel-mulched land

3 討 論

通過觀察Eg/E0隨時間和含水率之間的變化規(guī)律來對壓砂地蒸發(fā)過程進行分析時，根據(jù)Eg/E0的變化趨勢將其蒸發(fā)過程劃分為2 個階段，而不是裸地蒸發(fā)過程中的3 個階段，且其蒸發(fā)過程中相同時間含水率高于裸地，對該現(xiàn)象做出以下討論：在試驗設(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毛細作用快速失水，但這只占土壤表面的很小一部分。筆者認為，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程存在時間很短，在該實驗條件下未能監(jiān)測到此過程。Tsutomu 等[20]通過研究表明，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)系時認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散的形勢通過礫石向上傳遞，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，本次試驗裝置采用鐵質(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)量的同時也會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，此影響相對較小，本次試驗嘗試研究土壤蒸發(fā)量與含水率之間的關(guān)系，且最終以經(jīng)驗公式的形式作以歸納，故作者認為，此處可忽略材質(zhì)對本次試驗建立經(jīng)驗公式的影響。但由于鐵桶與外界強烈的熱交換，在一定程度上會加速土壤的蒸發(fā)過程，會對研究土壤蒸發(fā)隨時間變化規(guī)律產(chǎn)生影響，使文中涉及蒸發(fā)量隨時間變化部分產(chǎn)生一定誤差，故今后對土壤蒸發(fā)過程的研究中，應(yīng)將此納入考慮范圍。

4 結(jié) 論

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)過程誤差較大，土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值隨時間和土壤含水率的變化規(guī)律比較明顯，可以依此來劃分土壤蒸發(fā)過程。

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，相同時間內(nèi)，裸地累積蒸發(fā)量為54.52 mm，占同時期水面蒸發(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。

3）依據(jù)土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量之比隨時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個階段，本文給出3個階段的2個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 個階段，其含水率臨界值為0.208 1 g/g＜θg＜0.214 7 g/g。