基于不同階段稻田潛水蒸發量的試驗分析

張 威

(遼寧省水利事務服務中心，沈陽 110003)

0 引 言

潛水蒸發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、土壤質量以及作物生長期等構成了影響潛水蒸發的主要因素，通過分析其變化規則是潛水蒸發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，潛水蒸發量也隨之增大。

1 影響潛水蒸發的因素

1.1 地下水埋深

地下水埋深決定了潛水蒸發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]，潛水蒸發量也將越來越小。不同地下水埋深與潛水蒸發系數變化過程線，見圖1-2。

圖1 地下水埋深與潛水蒸發系數變化過程線

圖2 地下水埋深與潛水蒸發系數變化過程線

從圖1和圖2可以看出，當地下水埋深從0.5m逐漸增大到2.0m時，潛水蒸發會隨著地下水埋深的增大反而會迅速減小[4]，當地下水埋深從2.0m增大到3.5m時，潛水蒸發量逐漸趨近于零。在相同的埋深下，砂土的潛水蒸發系數明顯>黏土的潛水蒸發系數，即砂的潛水蒸發量>黏土的潛水蒸發量， 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[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]，試驗結果表明(圖1和圖2)，砂土的潛水蒸發系數非常大，表明砂土是最適合淹沒蒸發的巖性[7]，結果表明，砂土是潛水蒸發最適合的巖性，潛水蒸發與土壤的粒徑及結構有關。

1.3 作物生長期

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

圖3 同土壤的月平均潛水蒸發系數

1.4 降水的影響

當地下水深度<1.0m時，受降水影響的潛水蒸發更明顯，潛水蒸發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，潛水蒸發已大大減少，

在降水持續一段過程之后，受降水影響的水面蒸由于在降水之后迅速減少[9]，所形成潛水蒸發的時間不會滯后。

圖4 潛水蒸發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，該站的潛水動態實驗室主要用于觀測潛水蒸發，并已有1991-2019年的近29a的觀測資料。它的主要設備是地面蒸滲儀，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組成。利用該設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實驗。站內設有E601蒸發器，用于觀測水面蒸發量。另外，站內設有雨量計、百葉箱、露天蒸發皿等氣象設備。

2.1 稻田蒸發原理

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，潛水蒸發實驗示意圖，見圖4。

當試驗土樣⑴中的水分開始蒸發時，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管⑸補充到試驗土樣⑴中，其結果是小管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，導致管兩側的壓力處于平衡狀態，如遇降水入滲時，其入滲量便會通過蒸發管⑸進入小管⑺中，由于小管⑺中的水位穩定時與入浸管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現象，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。

根據稻田蒸發試驗的安排，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。當地下水埋深比較淺時[8]，淺層地下水將從土壤毛細管轉移到上層土壤，連根系也吸收地下水，地下水埋深不同，相應的蒸發量也不盡相同，稻田地下水不同埋深的潛水蒸發，見表3-4，從稻田地下水不同埋深的潛水蒸發，不難看出，地下水埋深的不斷加大，其潛水蒸發量便會持續減少。

表3 稻田地下水不同埋深的潛水蒸發

表4 稻田地下水不同埋深的潛水蒸發

由于受測試條件所限，這4種土壤的試驗研究設置在2個地下水埋深，稻田不同地下水埋深與潛水蒸發的過程線，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量，這與潛水蒸發的相對減少是一致的[9]。稻田地下水不同埋深的潛水蒸發，見表5。

表5 稻田地下水不同埋深的潛水蒸發

圖6 稻田不同地下水埋深與潛水蒸發的過程線

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的變化過程，即從上午10時開始，直到第2天上午8時結束。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，還可以發現一天中的波動非常大，經過4h后即大約在14時，潛水蒸發強度達到最高，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，并出現在大約18:00，但該值<0.25m的埋深。

2.2.2 土壤質量

從表3、4可知，土壤不同其潛水蒸發也是不相同的，但對于0.5m的埋深深度，最大的潛水蒸發是黏土，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過程線，見圖7。從圖7可以看出，每個埋藏深度的潛水蒸發量與水面蒸發量一致，當水面蒸發發生變化時，各個埋深雖對應的潛水蒸發同樣具有相同的趨勢，同時，埋深越大，潛水蒸發滯后就越大，而地表蒸發對潛水蒸發的影響相對較小[10]。而當水面蒸發量達到峰值時，各埋藏深度的每日潛水蒸發量也將增加，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，說明當地下水埋深較小時，大氣蒸發對潛水蒸發有一定影響[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過程線

從圖7可以看出，潛水蒸發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，潛水蒸發蒸發非常小。并且與水面蒸發的差異很大，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引起的。分蘗后期與分蘗初期的潛水蒸發量相比，分蘗后期的潛水蒸發量較大，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。

生長期包括拔節孕穗期，抽穗開花期和乳熟期[12]，在拔節階段，由于植物生長，其蒸發量相對較大，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也非常接近潛水蒸發，潛水蒸發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[13]，開花和乳熟階段與拔節孕育階段基本類似，潛水蒸發和水面蒸發之間的關系與拔節孕育階段大致相同。生育期末即是在黃熟期，水面蒸發和潛水蒸發的變化相對穩定且較大[14]，由于在此生長期缺少降雨又沒有進行灌溉[，潛水蒸發并沒有受到抑制，導致平均日蒸發量大。水稻不同生長階段的平均每日潛水蒸發量，見表6。

表6 水稻不同生長階段的平均每日潛水蒸發量 mm

3 結 語

通過以上分析可以看出，潛水蒸發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，其相應的潛水蒸發卻是在逐漸減少[14]，潛水蒸發因土壤不同而不同，當埋深在0.5-1.0m，潛水蒸發量最大的是砂土，最小是亞砂土，結果表明，潛水蒸發與大氣蒸發基本一致，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。