基于水面蒸發量的寧夏中部干旱帶土壤蒸發量估算研究

馬己安，馮克鵬, ，李王成, *，郝 璐，李于坤，高海燕

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021；2.西北退化生態系統恢復與重建教育部重點 實驗室，銀川 750021；3.旱區現代農業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，蒸發強烈，水資源短缺是制約當地農業發展的主要因素。土壤蒸發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。在長期的生產實踐過程中，人們采用土壤表面覆蓋的方式減少田間蒸發以達到蓄水保墑的效果[1-6]，砂石覆蓋作為當地一項傳統的覆蓋技術，可以明顯減少田間土壤蒸發[7-12]。【研究進展】土壤蒸發過程可以分為3 個階段，分別為表土蒸發強度保持穩定的階段、表土蒸發強度隨含水率變化的階段和水汽擴散階段[13]。當地表含水率高于某一臨界值θk時，盡管含水率有所變化，但表土蒸發強度不隨含水率降低而降低；當表土含水率低于臨界含水率θk時，土壤供水能力減小，蒸發強度隨之減弱；當表土含水率很低時，土壤輸水能力極弱，蒸發進入第3 階段。在對土壤蒸發量的研究中，傅抱璞[14]通過繪制E/E0（E 為土壤蒸發量，E0為輻射數據和氣象數據計算出的蒸發力）與土壤含水率θ 之間的變化曲線，將南京地區土壤蒸發過程分為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、氣象和含水率數據為自變量的土壤蒸發量計算模型；王積強[15]認為土面與水面蒸發之比可以消去天氣對蒸發的影響，并將德州地區土壤蒸發過程分為3 個階段，對應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據，以土水面蒸發比為自變量建立了阜康地區土壤水分的日蒸發模型；李紅星等[17]建立了以水面蒸發量和溫度、風速推求土壤蒸發量的模型，計算效果較好。在對壓砂地的認識過程中，關紅杰[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差異性進行了對比分析，王興等[18]、劉學智[19]通過設置不同的砂層砂土混合比例對壓砂地土壤蒸發過程進行了研究，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】土壤蒸發作為水資源循環過程中的重要環節，其定量計算具有一定的難度，國內外水文、氣象等諸多領域學者依據各自學科特點建立了不同的土壤蒸發計算模型，鑒于土壤蒸發量計算模型在各地區應用差異性較大，針對壓砂地土壤蒸發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裸地和壓砂地土壤蒸發量與水面蒸發量和含水率之間的關系，依此劃分蒸發過程，最終嘗試建立以水面蒸發量和土壤含水率為自變量的推求土壤蒸發量的經驗公式。【擬解決的關鍵問題】依據該經驗公式，對土壤蒸發量進行定量計算，可為研究區農業用水管理提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于寧夏回族自治區中衛市沙坡頭區紅圈子村，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，北鄰內蒙古自治區阿拉善左旗。試驗區深居內陸，遠離海洋，屬半干旱氣候，春暖遲、秋凉早、夏熱短、冬寒長，風大沙多，干旱少雨。經統計，研究區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，年蒸發量接近2 000 mm，研究區地下水埋深約為180 m，是典型的干旱地區。

1.2 試驗設計

試驗裝置為高度40 cm，直徑50 cm 的鐵桶，桶內取原狀土過2 mm 篩后按當地土壤體積質量1.4 g/cm3分層壓實，試驗所用當地土壤類型為砂土，粒徑分布見表1。設置表面條件為覆砂（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，設置砂層厚度為6～8 cm）和裸地各4 個重復，其中3 個重復用來建立經驗公式，另一個用來檢驗公式的精度。另設3 個規格相同的鐵桶用來測水面蒸發量，水面與土壤表面高度相同，定時補充蒸發消耗水分。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，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，試驗區上層設有遮雨篷布，以避免自然降雨對試驗的影響。

1.3 測定項目

1）蒸發量：每日20:00 采用稱質量法測量土壤和水面的蒸發量，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）補全含水率數據，取土時間為20:30，土樣質量測量采用精度為0.01 g的電子秤。每次取土后采用濕度相似土壤回填，以減小對蒸發表面的破壞，文中含水率均為質量含水率，含水率單位為g/g。

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2016 進行分析計算和作圖。

2 結果與分析

2.1 蒸發的日變化過程

2.1.1 蒸發量的日變化過程

水面蒸發量的變化在一定程度上可以反映蒸發過程中外界條件的變化，圖1 為裸地、壓砂地土壤日蒸發量和水面日蒸發量隨時間的變化曲線。在蒸發前期，土壤中水分充足，裸地和壓砂地土壤蒸發受外界條件影響較大，變化趨勢同水面蒸發變化趨勢相同。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量逐漸變小，在此過程中，日蒸發量的變化依然會受到天氣條件影響，無法依據日蒸發量的變化過程準確確定土壤蒸發過程中各個階段的臨界含水率。

圖1 蒸發量日變化規律 Fig.1 Evaporation variation of water surface,soil

2.1.2 土水面蒸發比的日變化過程

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

依據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，土壤日蒸發量與水面日蒸發量接近；第4 日到第21 日（CD 段）為第2 階段，隨著蒸發過程的持續，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 內從0.21 降低到0.15。

圖2 裸地土水面蒸發比日變化規律 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比隨時間變化曲線，依據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 內從0.95 下降到0.35。從第6 天開始直到試驗結束為第2 階段（IJ 段），變化速率較慢，試驗結束時Eg/E0比值為0.15。

圖3 壓砂地土水面蒸發比日變化規律 Fig.3 Variation of the ratio of gravel-mulched soil evaporation and water surface evaporation

在不同季節相同含水率的土壤蒸發持續時間差異性較大，土壤蒸發強度不同，僅依據土壤蒸發過程中蒸發量的日變化規律來劃分土壤蒸發過程受外界條件影響較大，而土壤蒸發量與水面蒸發量的比值Eg/E0隨時間呈現出較好的分段規律，根據Eg/E0隨時間的變化規律可以將裸地土壤蒸發過程分為3 個階段，將壓砂地土壤蒸發過程分為2 個階段。

2.2 土水面蒸發比隨土壤含水率的變化

2.2.1 裸地土水面蒸發比隨土壤含水率變化規律

雖然裸地和壓砂地土水面蒸發比隨時間呈出較好的分段規律，但外界條件不同時，蒸發持續過程時間也不同。當外界條件有利于土壤蒸發時，蒸發過程持續時間較短；當外界條件不利于土壤蒸發時，蒸發過程持續時間較長，所以并不能依據土水面蒸發比隨時間的變化規律準確定量描述土壤蒸發量和水面蒸發量之間的關系。而土壤蒸發過程與含水率密切相關，含水率與蒸發量之間的關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比隨土壤含水率的變化規律。

裸地土壤蒸發量與水面蒸發量之比Eb/E0隨含水率θb變化規律如圖4 所示，根據其變化規律，通過對各臨近散布點進行組合，求取擬合度最高的經驗公式如式（1）所示，式（1）中，Eb為裸地土壤蒸發量，E0為水面蒸發量，θb為裸地土壤質量含水率（g/g）。

圖4 裸地土水面蒸發比隨含水率變化規律 Fig.4 Variation of the relationship between the ratio of bare soil evaporation and water surface evaporation and soil water content

依據土壤蒸發量與水面蒸發量之比Eb/E0隨含水率θb變化規律將裸地土壤蒸發過程劃分為3 個階段，A′點和B′點之間為第1 階段，累積蒸發量11.16 mm，與同時期水面蒸發量相同；C′點和D′點之間為第2 階段，累積蒸發量40.00 mm，占同時期水面蒸發量的52.90%；E′點和F′點之間為第3 階段，累積蒸發量為3.36 mm，占同時期水面蒸發量的17.28%，裸地蒸發過程中累積蒸發量為54.52 mm，占同時期水面蒸發量的51.34%。此次試驗所測含水率臨界值為范圍值，如圖4 所示，在試驗設置的裸地蒸發過程中，第1 臨界含水率θb1介于B′點和C′點對應的含水率之間，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 壓砂地土水面蒸發比隨土壤含水率變化規律

依據圖5 所示壓砂地土壤蒸發量與水面蒸發量之比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，累積蒸發量12.84 mm，占同時期水面蒸發量的68.85%；I′J′為第2 階段，累積蒸發量 20.97 mm，占同時期水面蒸發量的23.95%，壓砂地蒸發過程中累積蒸發量為33.81 mm，占同時期水面蒸發量的31.84%。依據Eg/E0隨含水率θg的變化規律，對相鄰散布點進行組合，求取擬合度最高的經驗公式如式（2）所示。式中：Eg為壓砂地土壤蒸發量，E0為水面蒸發量，θg為壓砂地土壤質量含水率（g/g）。

壓砂地蒸發過程中，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 壓砂地土水面蒸發比隨含水率變化規律 Fig.5 Variation of the relationship between the ratio of gravel-mulched soil evaporation and water surface evaporation and soil water content

2.3 計算蒸發量與實測蒸發量的比較

根據試驗數據分別建立水面蒸發量和土壤蒸發量與含水率之間的經驗公式如式（1）、式（2）所示，依據該式可得裸地和壓砂地土壤蒸發量的計算公式分別如式（3）和式（4）所示。

以水面蒸發量和含水率為自變量計算土壤日蒸發量，與實測蒸發量進行比較，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；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，相應的計算結果誤差越小，精度越高。

土壤蒸發量計算值和實測值對比見圖6 和圖7，誤差分析結果見表2 和表3。裸地蒸發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%，裸地日蒸發量隨時間逐漸減小，中后期日蒸發量微弱，觀測誤差會增加，但其依舊可以滿足生產需求。壓砂地蒸發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%，說明該經驗公式計算試驗區土壤蒸發量是可靠的。

圖6 裸地土壤蒸發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 裸地計算蒸發量誤差分析統計值 Table 2 Error statistic value analysis of calculated value on bare ground

表3 壓砂地計算蒸發量誤差分析統計值 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律來對壓砂地蒸發過程進行分析時，根據Eg/E0的變化趨勢將其蒸發過程劃分為2 個階段，而不是裸地蒸發過程中的3 個階段，且其蒸發過程中相同時間含水率高于裸地，對該現象做出以下討論：在試驗設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的土壤表面面積，增加了覆蓋層內水蒸氣傳輸阻力。Xie 等[21]在研究不同粒徑礫石覆蓋西瓜地蒸發量與蒸散量的關系時認為礫石覆蓋增加了土壤表面的蒸發阻力，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。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，水分不能及時傳輸到空氣中，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的抑制效果不同，本文只設置了一種砂層組成，條件比較單一，對壓砂地蒸發與含水率之間關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圓桶，金屬材料與外界熱量交換密切，但因土壤蒸發量隨含水率變化關系緊密，鐵質桶在增加土壤日蒸發量的同時也會增加含水率的減少量，土壤蒸發量的變化量和土壤含水率的變化量之間的對應關系比較明確，在研究含水率與蒸發量的關系時，此影響相對較小，本次試驗嘗試研究土壤蒸發量與含水率之間的關系，且最終以經驗公式的形式作以歸納，故作者認為，此處可忽略材質對本次試驗建立經驗公式的影響。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過程，會對研究土壤蒸發隨時間變化規律產生影響，使文中涉及蒸發量隨時間變化部分產生一定誤差，故今后對土壤蒸發過程的研究中，應將此納入考慮范圍。

4 結 論

1）蒸發前期，土壤日蒸發量受外界條件影響較大，依據土壤蒸發量的日變化規律劃分蒸發過程誤差較大，土壤蒸發量與水面蒸發量的比值隨時間和土壤含水率的變化規律比較明顯，可以依此來劃分土壤蒸發過程。

2）壓砂地土壤蒸發速率緩慢，土壤表層覆砂抑制蒸發效果顯著，相同時間內，裸地累積蒸發量為54.52 mm，占同時期水面蒸發量的51.34%，壓砂地累積蒸發量為33.81 mm，占同時期水面蒸發量的31.84%。在西北干旱地區，壓砂地可以更好地保存降雨產生的水分，供給作物生長。

3）依據土壤蒸發量與水面蒸發量之比隨時間和土壤含水率的變化規律將裸地土壤蒸發劃分為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。