西北干旱區農田土壤蒸發量及影響因子分析

吳友杰，杜太生

（1. 湖南農業大學水利與土木工程學院，長沙 410128；2. 中國農業大學中國農業水問題研究中心，北京 100083）

0 引 言

土壤蒸發作為水分循環系統中的關鍵要素，是水量平衡與熱量平衡的重要組成因素，在水文氣象中扮演著十分重要的角色，對土壤-植物-大氣連續體（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）水分循環和水資源評價與管理等具有重要的研究意義[1-2]。土壤蒸發長期以來受到人們的關注。在干旱半干旱地區，水分不斷散失會影響種子的發芽和出苗，往往是作物產量的重要限制因子。為減少土壤蒸發損失，保證種子的發芽和出苗率以及提高作物水分利用率和產量，干旱半干旱地區農田廣泛利用了覆膜技術。目前，農田覆膜已成為廣泛采用的農藝措施[3-4]。作為一種特殊的覆蓋方式，塑料薄膜覆蓋直接影響土壤溫度、土壤水分和土表微氣候環境，通過保溫保墑促進作物播種出苗和生長發育[5-6]。

相對于大型蒸滲儀和水量平衡法等方法，微型蒸滲儀（micro-lysimeter）操作簡單、耗時短且經濟有效，是一種簡單有效的方法，已被廣泛應用于直接測量土壤蒸發量[7-9]。然而，目前微型蒸滲儀在制作和使用過程中仍存在一些爭議，如微型蒸滲儀適用的尺寸大小（口徑和高度）問題[10-11]，底部處理問題（封底與不封底等）[10,12]，底部所用材料（鐵皮和紗網等）問題等。此外，在覆膜條件下，土壤蒸發過程復雜，包括蒸發水汽粘附于膜下形成凝結水，凝結水經二次蒸發后水汽從膜孔和膜縫擴散到大氣中，使用微型蒸滲儀測定膜下土壤蒸發的問題更有待深入探討[3]。雖然在覆膜條件下土壤蒸發遠遠小于蒸騰所占比例，但它是不可忽略的，尤其是相對于一個長時期的累積來說，膜下蒸發更應該引起重視。針對農田土壤蒸發的估算和其運動過程分析已有一些研究，傳統的研究方法有蒸滲儀法[8-9,13-15]，微氣象法[16]，遙感法[17]以及水文模型估算法[6,18]。每種方法都有其局限性，如時空尺度局限性、耗時費力以及設備的誤差和不確定性等。另外，覆膜條件下的土壤蒸發過程復雜，包括了蒸發水汽粘附于膜下形成凝結水，凝結水經二次蒸發后水汽從膜孔和膜縫擴散到大氣中，其水分傳輸和轉化機制難以用傳統的方法定量研究[3]。因此，定量化研究農田裸土、覆膜條件下土壤蒸發具有重要的意義。

本研究嘗試應用多種微型蒸滲儀方法對裸土和覆膜條件下的土壤蒸發進行測定和比較，明晰其適用性，并采用水量平衡原理結合莖流計的方法測算蒸發量對微型蒸滲儀法進行校對和驗證。此外，采用偏最小二乘法研究土壤、氣象等屬性指標對土壤蒸發量的影響進行綜合評估。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2014年4月至2015年10月在中國農業大學石羊河農業與生態節水試驗站進行（37°52'N，102°51'E）。試驗區常年干旱，蒸發量大，水面蒸發量大于2 000 mm，日照時間長，年均日照時數在3 000 h以上，多年平均降雨量僅164.4 mm。試驗區土壤主要為壤土和砂壤土，表層壤土的干容重和田間持水量均值分別為 1.51 g/cm3和0.28 cm3/cm3[19]。

1.2 試驗方法

試驗小區分布于試驗站玉米農田內，為增加地溫，減少棵間蒸發，保證出苗率，試驗區農田采用白色聚乙烯塑料薄膜覆蓋，膜寬140 cm、厚0.005 mm。玉米于4月中旬播種，9月下旬收獲，其生長期可大致劃分為前期（播種至6月下旬），中期（6月下旬至8月上旬）和后期（8月上旬至收獲）。

1.2.1 微型蒸滲儀方法

土壤蒸發采用微型蒸滲儀測定。微型蒸滲儀由 PVC管材料制成，由內筒和外筒組成，內筒直徑和高度為 10和20 cm，外筒直徑和高度為11和20 cm。外筒被固定在裸土中，表面與土壤齊平，內筒取原狀土。

布置田間覆膜試驗前，選擇一塊裸地對微型蒸滲儀展開裸土試驗，采用4種處理方式：1）用濾紙和紗網處理蒸滲儀底部，確保水分和熱量均可以自由傳輸，記為“不封底微型蒸滲儀”；2）采用鐵片和塑料薄膜封底，阻止桶內和桶外土壤水分的相互交換，同時可以確保熱量的傳遞，記為“封底微型蒸滲儀”；3）選取一部分蒸滲儀進行5 d一次的更換新土，記為“換土微型蒸滲儀”；4）另外選取一部分蒸滲儀不換土，記為“不換土微型蒸滲儀”，但在每次降雨和灌溉后對所有微型蒸滲儀進行換土，如表1所示。各種處理的微型蒸滲儀設3個重復，隨機分布于玉米農田內，每天19:00用精度0.1 g的天平秤量一次以計算每日蒸發量。對蒸發日變化進行測定，日間每小時對微型土壤蒸滲儀稱量一次。灌溉和降雨時段內無測量數據。每日（或小時）土壤蒸發量根據下式計算

式中E為土壤每日（或小時）蒸發量，mm/d或mm/h；S為微型蒸滲儀蒸發面積，cm2；ΔMi為蒸滲儀每日（或小時）質量變化量，g；N為微型蒸滲儀總個數。

裸土試驗結束后，選取最優的微型蒸滲儀對農田覆膜條件下的土壤蒸發測定展開試驗，嘗試使用 3種處理微型蒸滲儀的方法對進行測定。第一種為蒸滲儀表面不覆膜（E（LB）），即表面為裸土；第二種為蒸滲儀表面覆膜（E（LM））并開小孔，其開孔率（Hole Rate，HR）亦即塑料薄膜的破損率，其值為裸露土體的表面積與總面積的比值，與試驗田的覆膜破損率保持一致；第三種為蒸滲儀表面不覆膜但將其測量結果乘以開孔率（E（LB×HR））。試驗初期，玉米農田放苗孔的開孔率較為穩定，因為播種時所采用的播種機口徑為 3.0 cm，株距和行距分別為18和50 cm，HR約為0.5%。試驗過程中，由于人為活動和其他一些因素（如風和雜草等）的影響，試驗區覆膜會受到不同程度的破損，因此本研究每隔約兩周時間對覆膜的破損率進行一次估算，用相機采集照片后應用Photoshop軟件對照片進行處理并估算。此外，為驗證Photoshop計算的準確性，采用網格法進行局部采樣校正。田間試驗的具體方法描述見表1。

表1 試驗設計和方法描述Table 1 Experimental design and method description

1.2.2 莖流計結合水量平衡方法E（F-B）

大量研究表明采用常規的水量平衡法計算蒸發蒸騰量（ET）結合莖流計測定植物蒸騰量（T）的方法估算土壤蒸發量（E=ET-T）是相對準確可行的[19-22]。本研究采用莖流計結合水量平衡方法E（F-B）對微型蒸滲儀法進行對比驗證分析（E=ET-T），需采用Flow32-1K包裹式莖流系統（Dynamax，Houston，TX，USA）對玉米莖液流進行監測，其原理是利用熱量平衡法，通過測量莖內水分運輸過程中產生的熱量變化，確定植物莖液流和植物的水分消耗[23]。每套Flow32-1K系統有8個包裹式傳感器，隨玉米莖粗的增大選用的傳 感器型號也隨之改變，一般選用SGB16、SGB19和SGB25這3種規格。安裝包裹式莖流系統均在玉米拔節后期或抽穗前期進行，在試驗區隨機選取 8株玉米進行測定（根據實際情況可適當地更換植株）。莖流數據采集間隔為1 min，每15 min計算一次平均值并存儲。為防止連續加熱對植株造成傷害，每隔10 d左右將傳感器卸下，并進行相應維護。

采用水量平衡法計算玉米作物蒸發蒸騰量（ET，mm），方程如下[8,20]：

式中P為計算周期內的總降水量；I為總的灌水量；Q為地下水補給量；R為地表徑流量；D為滲漏量；Wt0和Wt1分別代表在t0和t1時刻0～100 cm的土壤水存儲量，由水分監測系統ECH2O（Decagon Devices，Inc.，Pullman，WA，USA）測定計算獲得。以上各分量的單位均為mm。

由于試驗區降雨強度一般很小，試驗期間最大次降雨量為23.2 mm，最大的灌水量為56 mm。試驗區地勢平坦，下雨和灌溉會有積水但不會存在徑流；經分析土壤水分動態變化情況，灌水后水分入滲最大深度 75～80 cm，灌水前后埋設于90 cm深度的水分傳感器未見明顯變化，因此，在計算深度100 cm（根系活動層內）內不存在滲漏。此外，地下水埋藏深度較深（約30 m），前人通過長期監測土壤水分動態變化規律發現該地地下水補給量約為 0，可忽略[22-23]。因此，水量平衡方程可以簡化為：

1.2.3 影響因子分析

為深入分析影響土壤蒸發的主要影響因子，試驗測定了土壤表層土壤含水量（Soil Water Content，SWC）、土壤溫度（Temperature，Temp）、玉米葉面積指數（Leaf Area Index，LAI）、太陽輻射（Solar Radiation, SR）、空氣相對濕度（Relative Humidity, RH）等。其中SWC和Temp采用ECH2O土壤水分測定系統（Decagon Devices，Inc.，Pullman，WA，USA）進行測定；采用卷尺測量玉米葉面積，測量每片葉完全展開的長和寬，單葉葉面積=長×寬×0.74[22]，葉面積指數=單株葉面積/該植株所占地表面積；采用自動氣象站（Hobo，Onset Computer Crop，USA）連續監測SR、RH等相關氣象因子。

利用 XLSTAT 軟件（version 2010.3.06，Addinsoft2010，New York，USA）進行偏最小二乘法建模，記為Full_PLS模型。在Full_PLS模型中，根據各個自變量的變量投影重要性（Variable Importance in the Projection，VIP）值[24]，對VIP值小于0.80的自變量進行篩選移除,再進行回歸，直至回歸模型中自變量的 VIP值均為0.8以上，得到基于VIP值逐步篩選自變量PLS模型（based on VIP for stepwise selection of independent variable PLS model，BSVIP_PLS）。模型的具體數學推導過程及介紹詳見文獻[25]。采用該模型綜合評估以上土壤屬性和氣象指標對土壤蒸發量的影響。

根據不同自變量 VIP值計算各個自變量對土壤蒸發的影響貢獻率，由以下公式計算[26]：

ET ( )

PIWW

t t

1 0

式中Ci為自變量i對土壤蒸發的影響貢獻率，%；VIPi為BSVIP_PLS模型中的自變量i對土壤蒸發影響的VIP值；n為BSVIP_PLS模型中自變量的個數；r為模型的復相關系數。

2 結果與分析

2.1 不同微型蒸滲儀測量的裸土蒸發

大量研究表明，采用微型蒸滲儀直接測量土壤蒸發量是相對精確有效的[7-9]，但微型蒸滲儀的底部處理問題仍存在一定的爭議。本研究發現，封底和不封底微型蒸滲儀的測量結果相近（圖 1），兩者擬合的線性關系為E(不封底)=1.008E(封底)（R2=0.876）。在第 3 天和第 20 天后 2種方法測定的蒸發存在一定的差異，主要原因可能是灌溉和降雨的影響，使封底蒸滲儀底部存在積水。在不受降雨和灌溉影響的情況下，微型蒸滲儀內外土壤水分交換較少，對測量的土壤蒸發影響較小；同時亦可說明微型蒸滲儀高度 20 cm是合理的設計高度，在表層土壤20 cm以下的土壤水分向上傳輸較少。前人對微型蒸滲儀研究中，通過對比分析10、15、20和25 cm高度的蒸滲儀測量結果后，推薦使用高度為20 cm的微型蒸滲儀[12,15]，與本研究結論相似。

圖1 封底和不封底微型蒸滲儀測定的土壤蒸發量比較Fig.1 Comparison of soil evaporation determined by micro-lysimeters with and without back cover

相關研究表明[9,27-28]，在一般情況下，微型蒸滲儀需要3～5 d換一次土以確保測量精度。然而，試驗區覆膜條件下，若常換土則會帶來膜的大量破壞，為減少試驗區覆膜的破壞，本研究對微型蒸滲儀進行一定的改進并盡量減少換土次數。由圖 2可知，換土和不換土微型蒸滲儀測量的結果相似，兩者測定的蒸發量在第4天和第5天的結果差異較大，可能的原因是在換土后的土壤空間差異較大，蒸滲儀內土壤水分含量與不換土相比存在較大差異。兩者所擬合的線性關系的R2為0.890（圖2b）。不換土的微型蒸滲儀測量裸土的土壤蒸發是可行的，表明本次裸土試驗改進的“不封底不換土”的微型蒸滲儀測量裸土蒸發量是可行的。可見，在西北干旱地區，降雨量小而蒸發量大的條件下測量裸土的土壤蒸發，采用不封底（底部紗網）且不換土微型蒸滲儀測量結果誤差較小，基于其制作簡單、經濟且壞破性小，因此建議采用。

圖2 換土和不換土微型蒸滲儀測定的土壤蒸發量比較Fig.2 Comparison of soil evaporation determined by micro-lysimeters with and without soil replacement

2.2 覆膜條件下農田的土壤蒸發量測定

為驗證 Photoshop計算農田覆膜開孔率（HR）的準確性，采用網格法進行局部采樣校正，該方法采用的均一材質紗網其面積和質量具非常良好的線性關系，如圖3a所示，通過在試驗區隨機采樣后剪取網格，用分析天平（精度為0.0001g）進行稱重，通過質量-面積關系進行換算，即可求得膜的破損度（開孔率）。計算結果發現，網格法和Photoshop方法所估算的覆膜開孔率基本一致，如圖3b所示，兩者的線性方程為y=1.008x（R2=0.9405）。表明，采集照片并用 Photoshop處理分析的方法是可行的。最后結果顯示，生長過程中，膜的開孔率變化范圍為0.5%～5.0%。

圖3 網格法和Photoshop方法估算覆膜開孔率的比較Fig.3 Comparison of mesh method and Photoshop method in estimating the hole rate

農田覆膜條件下采用3種微型蒸滲儀方法（見表1）測定的土壤蒸發量如圖 4所示。方法 E（LB×HR）估算的膜下蒸發量均值為0.06 mm/d，顯著低于由覆膜的微型蒸滲儀E（LM）直接測量的土壤蒸發量0.96 mm/d，此外，盡管E（LM）方法中覆膜比例為95.0%～99.5%（相應的開孔率僅為0.5%～5.0%），但覆膜的微型蒸滲儀直接測量的土壤蒸發量仍然較大，未見明顯小于由裸土微型蒸滲儀E（LB）直接測量的土壤蒸發量1.24 mm/d。因此說明，覆膜條件下盡管膜的覆蓋率很大，但膜下土壤蒸發水汽經膜孔擴散到外界的量仍然較大。而傳統的研究方法采用裸土蒸發量乘以農田覆膜開孔率（HR）的方法 E（LB×HR）估算的膜下蒸發量嚴重偏低。

Li等[8]的研究表明利用覆膜微型蒸滲儀的方法（本研究的E（LB×HR）方法）測定膜下的土壤蒸發是可行的，與模型估算和能量平衡方法估算的結果相似。該研究中，膜的覆蓋比例約為 71%，膜寬 1.1 m，膜與膜之間是0.45 cm寬的裸土，考慮放苗孔在內，農田的裸土比例約為 30%，所以用微型蒸滲儀測量的蒸發量乘以裸土比例即為農田土壤蒸發量，結果約為0.2～0.8 mm/d，小于本研究E（LM）方法所估算的結果0.6～1.3 mm/d，而大于E（LB×HR）方法所估算的結果0.05～0.08 mm/d。造成這些差異的原因可能主要來源于薄膜的覆蓋方式不同，本研究采用地表全覆蓋模式，而 Li等[8]采用間隔性覆蓋模式，此外，按覆膜比例的折算方法（E（LB×HR）估算膜孔蒸發量可能很大程度低于真實值。

對于蒸發日變化（圖4a），在早上和晚上E（LM）方法估算的蒸發量比 E（LB）大。很可能是因為在覆膜情況下膜下凝結水補給到表層土壤，使早晨表層土壤保持較高的含水量，午后，膜下的土壤表層溫度大于裸土溫度，蒸發強度較大。此結果與Zhao等[9]采用微型蒸滲儀測定葡萄園裸土蒸發日變化分布趨勢相似。對于蒸發的生長期變化（圖4b），由E（LM）和E（LB）方法估算的蒸發量可知，生長前期，日均蒸發量為 1.33～1.45 mm/d，是因為玉米生長前期葉面積指數小，太陽直射地表導致蒸發較大；到生長中期，隨葉面積指數增大，蒸發減小，平均值為0.69～1.12 mm/d，E（LM）與E（LB）方法估算的蒸發量出現了較大差異，可能的原因是葉面積指數增大使蒸滲儀接收到的太陽輻射減少，表面覆膜開孔的微型蒸滲儀中，由蒸發拉力作用而提升到膜下形成凝結水減少，進而從膜孔擴散到外界的水分減少，導致與 E（LB）的蒸發量差異變大。到生長后期，蒸發量略大，平均值為0.85～1.13 mm/d。應用E（LM）與E（LB）方法估算玉米生長前期的覆膜和裸土蒸發量差距不大，可能原因是盡管E（LM）方法所用的微型蒸滲儀表面覆膜開孔，但玉米生長期內較多的膜下凝結水返回到土壤表層，使其土壤含水量較裸土含水量大，從而蒸發量大。

圖4 3種微型蒸滲儀測定土壤蒸發日變化和生長期變化Fig.4 Daily and growth period variations of soil evaporation determined by three micro-lysimeter methods

圖5為覆膜條件下3種微型蒸滲儀和基于莖流計-水量平衡方法測定的覆膜條件下的土壤蒸發量變化情況，總體上 E（LB）方法測定的土壤蒸發較高，生長期平均值為1.24 mm/d；而E（LB×HR）估算的膜下土壤蒸發量最小，每日蒸發趨近于0，不能反映實際情況，也說明以往認為農田覆膜條件下蒸發量可忽略的觀點是錯誤的。如圖5中基于莖流計-水量平衡方法E（F-B）所測量的蒸發量，可知覆膜條件下蒸發量依然較大，均值為1.02 mm/d。介于E（LB）和E（LM）方法所測定的蒸發之間，E（LM）所測定的蒸發均值為0.96 mm/d。說明了雖然農田覆膜，但土壤蒸量依然較大，不可忽略，而采用各種微型蒸滲儀直接測定的蒸發量存在一定偏差。Wu等[19]2017年采用穩定同位素方法結合瑞利（Rayleigh）分餾原理估算農田覆膜條件下的土壤蒸發，量化分析了膜下土壤水分發生蒸發并形成水汽過程，發現72.6%蒸發水汽在膜下冷凝形成凝結水，其中70.0%發生二次蒸發再次形成水汽擴散到外界，平均蒸發量約為0.80 mm/d，蒸發比例約為21.2%。覆膜條件下，裸土面積占的比例雖然很小，但土壤蒸發比例依然較大。

從蒸發變化情況可以看出，各方法測量的土壤蒸發隨時間變化不十分明顯，在6月下旬至7月中旬期間蒸發較小，主要原因是該時期玉米葉面積指數較大，使地表接收到的太陽輻射減少；7月下旬至8月下旬蒸發量較高，可能主要原因是該時期溫度較高，同時由于該時段農田灌溉水量較大使土壤表層水分含量較大，導致蒸發量大。

圖5 不同方法測定的土壤蒸發量隨時間變化Fig.5 Variations of soil evaporation determined by different micro-lysimeters with time

綜上可知，應用微型蒸滲儀測定裸土土壤蒸發是可行的，但在覆膜條件下其測量結果存在一定偏差，尤其是采用E（LB×HR）方法，測量結果偏差較大，E（LM）方法測量結果可近似的（略偏低）反映實際情況。農田覆膜后，膜下土壤蒸發水汽傳輸和轉化是一個相對復雜的過程，其水汽凝結于膜下后經二次蒸發擴散到外界的過程難以用傳統的方法測定，此外覆膜開孔下從膜孔蒸發的水汽也難以量化[29]。

2.3 土壤蒸發的影響因子分析

偏最小二乘法（Partial Least Squares，PLS）被應用于許多學科領域，是解決自變量共線性的有效方法。

本研究采用偏最小二乘法探討了對E（F-B）法所測定蒸發數據進行分析，如圖6所示。可見，根據PLS全模型的 VIP值大小進行各自變量逐步篩選，發現空氣相對濕度RH的VIP值小于0.8，表明RH對土壤蒸發的影響最小；PLS模型的VIP值大于0.8的變量中，其值大小依次為：土壤含水率（SWC）、太陽輻射（SR）、葉面積指數（LAI）、覆膜開孔率（HR）、溫度（Temp）。不同影響因素對土壤蒸發的影響貢獻率分別為：SWC 23.9%、SR 18.3%、LAI 17.0%、HR 14.5%和Temp 13.9%。

前人通過試驗研究冬小麥農田土壤蒸發及其主要影響因素，發現的小麥越冬期，影響土壤蒸發的主要因素是氣象因子；返青期，土壤蒸發的表層土壤含水量的關系最為密切；此外小麥的葉面積指數是影響土壤蒸發的重要因素[15]。一些研究表明，影響土壤蒸發的主要因素可分為內因和外因兩種，內因即土壤特征結構本身，如土壤類型、土壤水分含量等，外因即氣象因素如輻射氣溫等，其中內因影響最大的為表層土壤水分含量，外因為輻射[30-34]。其研究結果與本研究結果相似，本研究通過采用偏最小二乘法量化分析得到了不同影響因素對土壤蒸發的影響貢獻率，更能有效地明晰影響土壤蒸發的主要因素，見表2。

圖6 影響因子對土壤蒸發的重要性值Fig.6 VIP values of influence factors to soil evaporation

表2 影響因子對土壤蒸發的貢獻率Table 2 Contribution rates of influence factors tosoil evaporation

3 結 論

本研究采用微型蒸滲儀方法測定裸土和覆膜條件下玉米農田土壤蒸發量，應用莖流計-水量平衡法（E（F-B））對計算結果進行對比分析，并采用偏最小二乘法探討了影響土壤蒸發的主要因子。具體結論如下：

1）在西北干旱地區，降雨量小而蒸發量大的條件下微型蒸滲儀測定裸土蒸發是可行和準確的，在裸土條件，“封底”微型蒸滲儀和“不封底”微型蒸滲儀以及“換土”蒸滲儀和“不換土”微型蒸滲儀所測定的土壤蒸發結果具有良好的一致性。從制作簡單、經濟且破壞性小角度考慮，建議采用不封底（底部紗網）且不換土微型蒸滲儀。

2）覆膜條件下，采用傳統的“裸土微型蒸滲儀乘以膜孔率”的方法（E（LB×HR））測量蒸發顯著偏低，采用“覆膜開孔”的微型蒸滲儀法（E（LM））和裸土微型蒸滲儀法 E（LB）測定的蒸發量未見顯著差異，但與（E（LB×HR））測定結果均存在顯著差異。通過應用莖流計-水量平衡法（E（F-B））對計算結果進行對比分析發現傳統的微型蒸滲儀方法測定覆膜條件下的土壤蒸發存在一定偏差，E（LM）方法測量結果可近似的（略偏低）反應實際情況，蒸發量約為0.96 mm/d。農田覆膜條件下，盡管裸土面積占的比例很小（0.5%～5%），但土壤蒸發量依然較大，均值為1.02 mm/d。

3）影響農田土壤蒸發的因素主要有土壤含水率、太陽輻射、葉面積指數和覆膜開孔率，而影響最大的為土壤含水率和太陽輻射，相對貢獻率分別為23.9%和18.3%。