基于不同階段稻田潛水蒸發(fā)量的試驗分析

張 威

(遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，沈陽 110003)

0 引 言

潛水蒸發(fā)是指在淺層的地下水埋深的情況下通過地下水補充給土壤水的過程[1]，它是四水轉(zhuǎn)化的重要組成部分，也是地下水消耗的重要途徑，而地下水埋藏深度、土壤質(zhì)量以及作物生長期等構(gòu)成了影響潛水蒸發(fā)的主要因素，通過分析其變化規(guī)則是潛水蒸發(fā)隨著地下水埋藏深度的增加而減少，當埋藏深度不大時，隨著土壤顆粒逐漸增大，潛水蒸發(fā)量也隨之增大。

1 影響潛水蒸發(fā)的因素

1.1 地下水埋深

地下水埋深決定了潛水蒸發(fā)過程中的水分輸送距離[2]，但隨著埋深的增加，輸送距離同時相應增大，而作物根系吸收地下水的能力也越來越差[3]，潛水蒸發(fā)量也將越來越小。不同地下水埋深與潛水蒸發(fā)系數(shù)變化過程線，見圖1-2。

圖1 地下水埋深與潛水蒸發(fā)系數(shù)變化過程線

圖2 地下水埋深與潛水蒸發(fā)系數(shù)變化過程線

從圖1和圖2可以看出，當?shù)叵滤裆顝?.5m逐漸增大到2.0m時，潛水蒸發(fā)會隨著地下水埋深的增大反而會迅速減小[4]，當?shù)叵滤裆顝?.0m增大到3.5m時，潛水蒸發(fā)量逐漸趨近于零。在相同的埋深下，砂土的潛水蒸發(fā)系數(shù)明顯>黏土的潛水蒸發(fā)系數(shù)，即砂的潛水蒸發(fā)量>黏土的潛水蒸發(fā)量， 這是因為黏土的黏度大于沙子的黏度，并且土壤的黏度越大，其水容量越大，從而抑制潛水蒸發(fā)[5]。

1.2 非飽和帶巖性

理論分析表明，較粗的毛細管具有很強的輸水能力，但水分上升高度卻很小，細的毛細管的水分上升高度較大[6]，但是受到薄膜的水阻塞的影響，其輸水能力較弱。從這個意義上說，過粗或過細的巖性顆粒都不利于毛細管水的移動和運輸[6]，試驗結(jié)果表明(圖1和圖2)，砂土的潛水蒸發(fā)系數(shù)非常大，表明砂土是最適合淹沒蒸發(fā)的巖性[7]，結(jié)果表明，砂土是潛水蒸發(fā)最適合的巖性，潛水蒸發(fā)與土壤的粒徑及結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1.3 作物生長期

作物潛水蒸發(fā)與裸土的區(qū)別主要就是作物具有蒸騰作用，不同埋深下沙土的月蒸發(fā)系數(shù)，見圖3。從圖3中不難看出，在峰值需水期間，潛水蒸發(fā)系數(shù)最高[8]，此外，隨著地下水埋藏深度越大，反而潛水蒸發(fā)系數(shù)也相對較小。

圖3 同土壤的月平均潛水蒸發(fā)系數(shù)

1.4 降水的影響

當?shù)叵滤疃?1.0m時，受降水影響的潛水蒸發(fā)更明顯，潛水蒸發(fā)與降水的變化過程線，見圖4。從圖4可以看出，C值的變化與降水的變化通常具有相反的特征，且降水期間的C值相對較小，潛水蒸發(fā)已大大減少，

在降水持續(xù)一段過程之后，受降水影響的水面蒸由于在降水之后迅速減少[9]，所形成潛水蒸發(fā)的時間不會滯后。

圖4 潛水蒸發(fā)與降水的變化過程線

2 實驗分析

臺安徑流實驗站建于1963年，占地面積7500m2，該站的潛水動態(tài)實驗室主要用于觀測潛水蒸發(fā)，并已有1991-2019年的近29a的觀測資料。它的主要設(shè)備是地面蒸滲儀，由26個量筒和一個地下室組成，而地下室的作用用于觀測地表徑流和潛水蒸發(fā)組成。利用該設(shè)施對不同土壤不同地下水埋深有無作物生長條件下的潛水蒸發(fā)實驗。站內(nèi)設(shè)有E601蒸發(fā)器，用于觀測水面蒸發(fā)量。另外，站內(nèi)設(shè)有雨量計、百葉箱、露天蒸發(fā)皿等氣象設(shè)備。

2.1 稻田蒸發(fā)原理

以臺安徑流試驗站為例，應用地面滲透儀觀察臺安徑流實驗站的潛水蒸發(fā)，潛水蒸發(fā)實驗示意圖，見圖4。

當試驗土樣⑴中的水分開始蒸發(fā)時，試驗土樣逐漸變得開始脫水，此時，小管⑺中的水開始通過蒸發(fā)管⑸補充到試驗土樣⑴中，其結(jié)果是小管⑺中的水位逐漸開始下降。大筒⑼和小管⑺通過連通管連接，因此，大筒⑼比小管⑺的側(cè)壓力大，大筒⑼中的水會逐漸流入小管⑺當中，大筒⑼中的壓力將會逐漸減弱，其氣壓小于外部氣壓，外部空氣將會排到大筒⑼中，導致管兩側(cè)的壓力處于平衡狀態(tài)，如遇降水入滲時，其入滲量便會通過蒸發(fā)管⑸進入小管⑺中，由于小管⑺中的水位穩(wěn)定時與入浸管⑻的水位相同，因此，在滲透量進入小管⑺之后，小管⑺中的水將通過入滲管到達下面的量杯中。由于滲透后的水量存在蒸發(fā)現(xiàn)象，則小筒⑺中的水進入測試土壤樣品⑴中，重復上述過程便可以確定潛水蒸發(fā)。

根據(jù)稻田蒸發(fā)試驗的安排，水稻在不同生育階段每個測筒中的地下水埋藏深度分別見表1和表2。

1.試驗土樣；2.定水位；3.濾層；4.試筒；5.蒸發(fā)管；6.徑流管；7.小筒；8.入滲管；9.大筒；10.支架；11.潛水面

表1 水稻不同生育階段每個測筒地下水埋深 m

表2 水稻不同生育階段每個測筒地下水埋深 m

2.2 影響稻田潛水蒸發(fā)因素

2.2.1 地下水埋深

由于目前使用淺濕灌溉方式，間隔幾天就會灌溉，使得稻田表面的水層在逐漸消失后[9-10]，稻田土壤中的水分便開始蒸發(fā)。當?shù)叵滤裆畋容^淺時[8]，淺層地下水將從土壤毛細管轉(zhuǎn)移到上層土壤，連根系也吸收地下水，地下水埋深不同，相應的蒸發(fā)量也不盡相同，稻田地下水不同埋深的潛水蒸發(fā)，見表3-4，從稻田地下水不同埋深的潛水蒸發(fā)，不難看出，地下水埋深的不斷加大，其潛水蒸發(fā)量便會持續(xù)減少。

表3 稻田地下水不同埋深的潛水蒸發(fā)

表4 稻田地下水不同埋深的潛水蒸發(fā)

由于受測試條件所限，這4種土壤的試驗研究設(shè)置在2個地下水埋深，稻田不同地下水埋深與潛水蒸發(fā)的過程線，見圖6。從圖6可知，各種土壤的0.5m地下水埋深對應的潛水蒸散量均>1.0m地下水埋深所對應的潛水蒸發(fā)量，這與潛水蒸發(fā)的相對減少是一致的[9]。稻田地下水不同埋深的潛水蒸發(fā)，見表5。

表5 稻田地下水不同埋深的潛水蒸發(fā)

圖6 稻田不同地下水埋深與潛水蒸發(fā)的過程線

上述表5和圖6是2019年8月8日是稻田地下水埋深與潛水蒸發(fā)的變化過程，即從上午10時開始，直到第2天上午8時結(jié)束。從圖6不難看出，在0.75m和0.5m地下水埋深對應的潛水蒸發(fā)過程線比較相似，并且整天過程線的波動很小，與其他埋藏深度為0.25m的埋藏深度相比，還可以發(fā)現(xiàn)一天中的波動非常大，經(jīng)過4h后即大約在14時，潛水蒸發(fā)強度達到最高，并且是一天中的高峰，在0.5m和0.75m處也有一個峰值，但是它滯后了大約4h，并出現(xiàn)在大約18:00，但該值<0.25m的埋深。

2.2.2 土壤質(zhì)量

從表3、4可知，土壤不同其潛水蒸發(fā)也是不相同的，但對于0.5m的埋深深度，最大的潛水蒸發(fā)是黏土，其次是亞沙、然后是沙土，最小是亞黏土，當淺水埋藏深度為1.0m時，沙土的潛水蒸發(fā)量最大，其次是黏土，亞黏及亞砂土。

2.3 水稻生育期

水稻分蘗前期逐日潛水蒸發(fā)過程線，見圖7。從圖7可以看出，每個埋藏深度的潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量一致，當水面蒸發(fā)發(fā)生變化時，各個埋深雖對應的潛水蒸發(fā)同樣具有相同的趨勢，同時，埋深越大，潛水蒸發(fā)滯后就越大，而地表蒸發(fā)對潛水蒸發(fā)的影響相對較小[10]。而當水面蒸發(fā)量達到峰值時，各埋藏深度的每日潛水蒸發(fā)量也將增加，但是，不同地下水埋深的增加速度和時間是不同的[11]，淺層埋深變化快，增幅較大，埋深變化較為緩慢，變化幅度較小，說明當?shù)叵滤裆钶^小時，大氣蒸發(fā)對潛水蒸發(fā)有一定影響[11]，但隨著深度的增加而減小。

圖7 水稻分蘗前期逐日潛水蒸發(fā)過程線

從圖7可以看出，潛水蒸發(fā)的性能在不同的生長期是不同的，早期生長處于分蘗初期和分蘗后期，在地下水埋深0.25m到0.75m時，潛水蒸發(fā)蒸發(fā)非常小。并且與水面蒸發(fā)的差異很大，此時，單株植物很小，而植物的蒸騰作用也相對很小，是由于植物相互之間的蒸發(fā)引起的。分蘗后期與分蘗初期的潛水蒸發(fā)量相比，分蘗后期的潛水蒸發(fā)量較大，這是由于每周大約要灌溉1次，水在分蘗后期吸水量大所致。

生長期包括拔節(jié)孕穗期，抽穗開花期和乳熟期[12]，在拔節(jié)階段，由于植物生長，其蒸發(fā)量相對較大，根系可以吸收土壤中更多的水，不同埋深的蒸散量也在逐漸增加，它們之間的差異減小了，甚至在0.25m深度處均勻的水面蒸發(fā)也非常接近潛水蒸發(fā)，潛水蒸發(fā)的突然減少通常說明處在灌溉或降雨，這同樣會增加土壤水分同時抑制潛水蒸發(fā)[13]，開花和乳熟階段與拔節(jié)孕育階段基本類似，潛水蒸發(fā)和水面蒸發(fā)之間的關(guān)系與拔節(jié)孕育階段大致相同。生育期末即是在黃熟期，水面蒸發(fā)和潛水蒸發(fā)的變化相對穩(wěn)定且較大[14]，由于在此生長期缺少降雨又沒有進行灌溉[，潛水蒸發(fā)并沒有受到抑制，導致平均日蒸發(fā)量大。水稻不同生長階段的平均每日潛水蒸發(fā)量，見表6。

表6 水稻不同生長階段的平均每日潛水蒸發(fā)量 mm

3 結(jié) 語

通過以上分析可以看出，潛水蒸發(fā)在水稻整個生育階段，其強度達到峰值，而隨著地下水埋深的增加，其相應的潛水蒸發(fā)卻是在逐漸減少[14]，潛水蒸發(fā)因土壤不同而不同，當埋深在0.5-1.0m，潛水蒸發(fā)量最大的是砂土，最小是亞砂土，結(jié)果表明，潛水蒸發(fā)與大氣蒸發(fā)基本一致，埋藏深度越淺，一致性越強。在稻田的不同生長階段，它也會影響潛水蒸發(fā)。