楊樹防護林土壤蒸發及其影響因素

李 倫, 劉海軍, 高壯壯, 楊 麗, 馮東雪

(北京師范大學 水科學研究院 城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室, 北京 100875)

楊樹(Populusspp.)作為中國北方地區主要的人工林樹種，被廣泛用于公路、鐵路防護林以及城市綠化等方面[1-3]。其生長對水、光、熱等條件都具有較高的要求[4-5]。中國北方多為干旱、半干旱區，水資源短缺，蒸發作用強烈[2]。蒸發作為缺水地區耗水量的重要組成部分，直接影響著當地的水文循環、土壤水分的變化情況，也影響著楊樹的正常生長發育[6-7]，缺水地區楊樹大面積種植的可持續性引起越來越多的關注。定量計算林間土壤蒸發量，研究土壤蒸發規律及其測量技術對于林間水分管理以及作物耗水規律的研究具有重要的意義。國內外許多學者從水文學、氣象學等不同的角度，對土壤蒸發過程及其影響要素進行研究并建立了定量的計算方法。Fox[8]基于能量平衡方程，利用土壤與理想干土柱表面溫差與日累計風速建立了土壤蒸發的估算公式；Ben-Asher等[9]對Fox的模型進行了改進，引入積分的概念，利用土表溫差與風速建立了相對蒸發量的計算方法；Alvenas等[10]以土壤熱流的計算公式為基礎，建立了土面蒸發的估算公式；張建國等[11]分析了土壤蒸發與水面蒸發的關系，通過一維平差處理對防護林土壤蒸發進行估算；高壯壯等[12]利用不同水分條件下土壤表層溫度的差異，建立了以飽和土壤為參考的不同水分條件下土壤蒸發量的估算公式。目前，對于土壤蒸發量的估算多數都是建立在理論模型的基礎上，模型的準確性、適用性需要根據實際的應用條件進行調整和檢驗；模型計算時所需的參數較為復雜；模型的推廣受到當地氣候、下墊面等條件的影響。林下土壤蒸發不僅受到土壤本身條件的影響，同時受到林木覆蓋等影響，以上公式直接利用會造成較大的誤差。本試驗以河北省邢臺市大曹莊國家級種子試驗站東側道路兩旁的楊樹林為研究對象，利用微型蒸發器和20 cm蒸發皿對林下水面及土壤的實際蒸發量進行測量，分析防護林地的氣候特征，以水面蒸發為參考，建立估算土壤蒸發量的公式，探求估算林下土壤蒸發量的簡便方法。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2019年8—10月在河北省邢臺市寧晉縣大曹莊國家級種子試驗站(37°29′49.25″N，114°55′40.59″E，海拔26 m)進行。試驗站東側為406鄉道，楊樹防護林種植于公路兩側，單側防護林寬15 m。研究區1981—2018年的年平均降水量在218～666 mm，多年平均降水量為430 mm，2019年降水量為499.6 mm；多年氣溫平均值為13.03 ℃，平均值日照時長為2 428 h，無霜期約250 d[1,13]。研究區地勢平坦、土質肥沃。防護林地0—60 cm的土壤均為粉壤土(表1)。楊樹樹種為速生107楊(Popolus×euramericanacv. ‘Neva’ )；樹齡為10 a；平均樹高為15.6 m；平均胸徑17.3 cm；平均冠幅為2.25 m；防護林內楊樹的株距約為3.0 m，行間距約為3.5 m；林區無灌溉條件，春秋季節進行修剪。

表1 研究區土壤性質

1.2 試驗設計

1.2.1 蒸發量和溫度測量 在防護林行間中心處布置3個20 cm蒸發皿和自制的6套微型蒸發器(micro-lysimeter， ML)，測量水面的蒸發量及林下原狀土的蒸發量。微型蒸發器由PVC管加工而成，其中內管高度為150 mm，壁厚為3 mm，內徑為104 mm；外管內徑為120 mm，固定于行間，方便取出和放回內筒，同時能夠避免更換土壤時對土體的破壞[14-16]。用微型蒸發器取原狀土樣時，將內管垂直壓入土中，帶土整體挖出后用保鮮膜封底，用皮筋及膠帶固定。每日上午7:00用精度為0.01 g的電子天平測量蒸發皿及微型蒸發器的質量，3個蒸發皿與其前1日的質量之差的均值為前1日的林下水面蒸發量，6套微型蒸發器與前一日的質量之差的均值為前1日的土壤蒸發量。為了保證試驗的精度，每次測量后，將20 cm蒸發皿內的水補充到深度為20 mm，并測量蒸發皿質量，每2 d更換微型蒸發器中的土壤，雨后要更換微型蒸發器中的土壤[17-18]。

土壤表層溫度數據及蒸發皿內水體的溫度采用TT-T-24型熱電偶進行測量。在蒸發皿水面下約10 mm處布置3根溫度傳感器，在每個微型蒸發器內土壤表層5—10 mm處埋設3根溫度傳感器，采集器為CR1000(campbell scientifics， USA)，采集頻率為10 s一次，記錄5 min的平均值。

1.2.2 氣象數據的采集 氣象數據使用試驗站自動氣象站進行采集，包括溫度、輻射、風速、降水等，采集器為CR1000x(campbell scientifics， USA)，采集頻率為10 s一次，記錄10 min的平均值。由于飽和水汽壓差(VPD)與蒸發關系緊密，計算了日均VPD，計算公式為[1]：

(1)

式中：VPD為日均飽和水汽壓差(kPa)；Hr為日均相對濕度(%)；t為日均氣溫(℃)。

1.3 數據處理

1.3.1 林下土壤相對蒸發量(RE) 水面蒸發量反映了試驗環境下大氣的蒸發能力。為了消除每日蒸發能力變化的影響，計算了土壤相對蒸發量RE(relative soil evaporation)，其值為時段內林地土壤蒸發量與水面蒸發量的比值，即：

(2)

式中：Ea為林地土壤日蒸發量(mm);E0為日水面蒸發量(mm)。

1.3.2 林下土壤與水面溫度差相對值(RT) 土壤蒸發會影響表層溫度，因此基于土壤表層溫度的變化來估算土壤蒸發量。將某一時段內的林地土壤表層溫度與該時段內水的溫度相減，得到該時段內土壤與水的溫度差值ΔT。為了消除絕對溫度的影響，采用溫度差的相對值，計算公式為溫度差除以該時段上水的平均溫度。

(3)

(4)

1.3.3 干擾性數據篩選 本試驗為露天試驗，降雨會對試驗結果造成影響，數據分析時剔除了9月9—13日及10月4日降水量較大日期的數據(圖1)，除此之外還剔除了儀器出現故障的9月20—25日的數據。

圖1 試驗期間降雨及風速的變化過程

1.3.4 數據分析 試驗數據采用Microsoft Excel 2019和Origin 2021軟件進行處理、作圖和曲線擬合，利用SPSS 25.0對各氣象要素與蒸發量進行相關性分析。為了評估所建立的模型的精度，采用均方根誤差(RMSE)、平均相對誤差(MRE)和納什效率系數(NSE)進行評估[19]。

(5)

(6)

(7)

式中：Pi為第i個擬合值;Oi為第i個實測值;Oave為實測平均值;n為擬合值或實測值個數。

2 結果與分析

2.1 林下土壤和水面蒸發量及溫度的日變化過程

圖2為試驗期間林下土壤及水面的日蒸發量和兩者日均溫度隨時間的變化曲線。由圖2可知，試驗期間防護林內土壤及水面總的蒸發量分別為31.37和87.84 mm。和土壤蒸發相比，水面的日蒸發量變化更為劇烈，最大蒸發量為4.21 mm/d，日最小值不足0.5 mm/d；而土壤的日蒸發量較為穩定，在1 mm/d左右波動。土壤和水面溫度在試驗期間變化趨勢一致，隨著時間推移，溫度呈現逐漸降低的趨勢。

圖2 試驗期間土壤、水面的日蒸發量及日均溫度的變化過程

2.2 蒸發量與氣象要素的關系

對氣象要素與林下土壤及水面的日蒸發量分別進行相關性分析，結果詳見表2。由表2可以看出，林下水面蒸發與日總輻射及當日最高氣溫均呈現極為顯著的正相關關系，相關系數分別為0.761，0.575；水面蒸發與日均氣溫呈現出較為顯著的正相關關系，相關系數為0.373；土壤蒸發僅與日總輻射存在顯著的相關關系，相關系數為0.331。輻射和空氣溫度為熱力因子，為蒸發過程提供能量，可以通過控制水體能量的變化來影響蒸發。試驗期間的土壤及水面的蒸發量與日均風速的相關關系均不顯著。風速為動力因子，主要通過影響水汽分子的擴散速度影響蒸發，日均風速較低時，蒸發量受風速影響較小，但是當日均風速較大時，兩者的蒸發量有明顯提高(如8月29日、9月15日和9月30日)。水面蒸發與日均飽和水汽壓差呈現顯著的正相關關系，與日均相對濕度呈現顯著的負相關關系，相關系數分別為0.579和-0.397，土壤蒸發與兩者相關關系不顯著。空氣濕度和飽和水汽壓差為水分因子，可以通過影響大氣及物體表面的水汽壓差來影響蒸發。

表2 氣象要素與土壤及水面蒸發量相關分析結果

2.3 相對蒸發量RE與溫度差相對值RT的關系

充分供水條件下，水體的溫度主要受到氣象條件的影響。但是當土壤中的水分逐漸消耗、含水量逐漸下降時，土壤蒸發量也逐漸下降，這時由于蒸發量的下降造成土壤溫度比充分供水條件下的溫度高，土壤蒸發條件下的溫度和充分供水條件下的溫度差與土壤蒸發量是相關的。為了尋求能最大程度反映土壤蒸發量的溫度差，本研究分別分析了8月25日至10月7日數據測量期間數據較好的26 d的日均相對溫度、白天8：00—18:00，10：00—16:00時與12：00—14:00平均相對溫度差值RT與日相對蒸發量RE的關系(見圖3)。由圖3可以看出，基于擬合公式的決定系數(R2)，12：00—14：00時平均的RT與日相對蒸發量RE擬合效果(圖3)要優于其他時段。

2.4 土壤蒸發量公式擬合與驗證

從圖3可以看出，利用12：00—14：00時的平均溫度差相對值RT與日相對蒸發量RE所建立的關系估算土壤蒸發量的效果最好(回歸公式的決定系數R2最大)。但是對于圖中建立的三次函數，隨著RT的繼續增大，RE會逐漸降低，甚至會出現小于0的情況，與實際不符。由圖3可知，開始時隨著RT的增大，RE快速減小，當RT大于某一值時，RE逐漸趨近于一個常數，因此本文用分段函數擬合。為了滿足模型建立和驗證使用的數據相互獨立，選擇將試驗期間的蒸發及溫度數據分為A組(9月14日至10月5日，共14日)和B組(8月25日至9月9日，共12日)其中A組數據用于關系擬合，B組數據用于所建立關系的驗證。利用A組數據擬合的公式如式(8)，擬合曲線如圖4所示，利用B組數據驗證結果如圖4所示，模型檢驗指標RMSE，MRE和NSE詳見表3。

表3 A，B組數據的模型檢驗指標

圖3 日相對蒸發量RE與日不同時間段平均相對溫度差值RT的關系

圖4 日相對土壤蒸發量(RE)和溫度差相對值(RT)的擬合曲線(A組)及曲線驗證(B組)

(8)

式中：RE為日土壤相對蒸發量； RT為日12：00—14：00平均溫度差相對值。

通過A組數據建模和B組數據驗證的結果看出，實測和估算的日相對蒸發量RE的R2均達到了0.9，RMSE分別為0.087，0.043，MRE的絕對值小于10%，NSE均大于0.9，表明該擬合公式可用于計算試驗區林下土壤蒸發量。

3 討 論

土壤蒸發對土壤溫度的影響使得利用土壤溫度變化估算土壤蒸發成為可能。馬已安等[6]以一次供水的不同表面條件的土壤與水面進行對比，將裸地的蒸發過程劃分為3個階段，將壓砂地土壤蒸發劃分為2個階段。高壯壯等[12]以一次供水與充分供水條件下的土壤蒸發為研究對象，發現兩者的溫度差相對值隨著蒸發過程的進行逐漸增大，當蒸發進行到水汽擴散階段時，溫度差相對值趨于穩定。本試驗中，基于溫度差變化將RE變化過程分為了兩個階段。在第一階段，初始時，土壤含水量相對較高，土壤水分供水相對充足，蒸發對土壤溫度影響小，土壤與水面溫度差值不大，RT接近于0；隨后土壤含水量的降低，蒸發所利用的輻射能量逐漸減少，部分輻射能量轉化為感熱通量提高了溫度，這時RT逐漸增加，RE也逐漸減小；當RT>0.11后， RE趨近常數0.164，此時土壤中的液態水分含量極低，土壤蒸發進入到水汽擴散階段，土壤溫度已不受土壤含水量的影響，而主要受輻射的影響[28]。

使用微型蒸發器進行土壤蒸發測定簡單實用，但是在應用過程中仍然面臨著一些問題亟待解決。微型蒸發器無法測定植物根系吸收水分造成的土壤水分變化的過程[29]，未來可進一步結合植物蒸騰耗水進行研究，整體分析楊樹防護林蒸散發過程。不同土壤質地條件下，土壤含沙量，土壤孔隙、熱容量等性質的不同會改變土壤水分的運動特征進而影響土壤表層溫度及蒸發量[6,12,26]，本文僅研究了粉壤土條件下的防護林土壤蒸發，條件比較單一，今后可改變土壤質地，研究其對蒸發的影響。含水量是影響土壤蒸發的重要條件，不少學者從含水量的角度研究了蒸發量與含水量間的變化規律[2,6,20-21,26]。本文主要嘗試利用水面及土表溫度差相對值來建立估算土壤蒸發量的經驗公式，但是土壤含水量的測定對土壤蒸發規律的研究以及劃分蒸發階段有十分重要的意義，在今后的土壤蒸發量估算的研究中，將ML內的土壤含水量納入測定范圍。

4 結 論

(1) 林下影響水面蒸發的氣象因素排序為輻射、飽和水汽壓差和溫度；但是林下土壤含水量總體較低，使得土壤蒸發與氣象要素關系較弱。

(2) 林下土壤相對蒸發量RE隨土壤與水體溫度差相對值RT變化過程可以分為兩個階段：RE隨RT的增加逐漸減小，當RT大于0.11時，RE趨近于常數0.164，認為此時蒸發過程已經進入到水汽擴散階段。

(3) 構建了基于土壤—水體溫差的土壤蒸發量公式，經驗證估算的土壤蒸發量與實測的土壤蒸發量接近(R2=0.9)，因此本研究提出的方法為原位測量并估算林下土壤蒸發提供了新思路。