秸稈覆蓋條件下濱海土壤蒸發(fā)阻力模型研究

孫池濤 鄧亞鵬 張俊鵬 孫景生 毛偉兵 孫玉霞

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院， 泰安 271000； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新鄉(xiāng) 453002；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所， 新鄉(xiāng) 453002)

0 引言

土壤蒸發(fā)是陸地水文循環(huán)的重要組成部分，也是農(nóng)田土壤水分消耗的重要途經(jīng)，同時(shí)還是導(dǎo)致土壤鹽漬化的重要驅(qū)動(dòng)因素[1-2]。秸稈覆蓋是一種傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，是解決干旱-半干旱地區(qū)土壤缺水問(wèn)題的重要舉措[3]。研究秸稈覆蓋條件下的鹽漬化土壤蒸發(fā)規(guī)律有助于深入理解蒸發(fā)在水文循環(huán)中的作用，提高土壤蒸發(fā)模型的模擬、預(yù)測(cè)精度，以及揭示秸稈覆蓋對(duì)土壤水鹽的調(diào)控機(jī)制。秸稈覆蓋后，覆蓋層對(duì)水汽擴(kuò)散具有阻滯作用，能夠延緩水分子由土壤向大氣傳輸?shù)乃俾蔥4]；同時(shí)，覆蓋層還改變了地表反射率、導(dǎo)熱率及粗糙度等參數(shù)，對(duì)近地層土壤熱力學(xué)性質(zhì)及水分傳輸條件產(chǎn)生影響[5]。

與土壤蒸發(fā)計(jì)算相關(guān)的理論和經(jīng)驗(yàn)公式已有諸多報(bào)道，如趙鴻雁等[6-7]構(gòu)建了基于落葉覆蓋厚度和土壤含水率估算土壤累計(jì)蒸發(fā)量和蒸發(fā)強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型；孫景生等[8]研究指出，玉米棵間土壤相對(duì)蒸發(fā)強(qiáng)度與表層土壤含水率和作物葉面積指數(shù)之間均呈良好的指數(shù)函數(shù)型關(guān)系，灌溉或降雨后2～3 d內(nèi)土壤蒸發(fā)強(qiáng)度較大，受大氣蒸發(fā)力影響明顯；鄭鑫等[9]以Ritchie模型為基礎(chǔ)，結(jié)合微型蒸滲儀測(cè)定結(jié)果確定了適宜于東北鹽堿土蒸發(fā)的模型參數(shù)。此外，研究者還對(duì)土壤蒸發(fā)過(guò)程中的蒸發(fā)阻力項(xiàng)進(jìn)行了計(jì)算，指出土壤表面蒸發(fā)阻力主要與土壤表層1～2 cm內(nèi)的土壤含水率有關(guān)[10]，同時(shí)還受到土壤質(zhì)地、持水特征、溫度等因素影響[11-14]。然而，上述經(jīng)驗(yàn)公式大多是在特定的氣候條件下獲得的，其適用條件及模型參數(shù)還有待于驗(yàn)證。

目前，秸稈覆蓋條件下土壤蒸發(fā)模擬、蒸發(fā)阻力確定等相關(guān)研究已有報(bào)道[15-16]，但這些研究多是針對(duì)特定覆蓋材料的尺寸、厚度及用量等因素獲得的，不同秸稈覆蓋量條件下的秸稈覆蓋阻力變化規(guī)律及蒸發(fā)模擬研究卻鮮有報(bào)道。本文研究不同秸稈覆蓋量條件下土壤蒸發(fā)特性，對(duì)現(xiàn)有土壤表面蒸發(fā)阻力模型進(jìn)行模擬篩選，旨在確定適宜的土壤表面蒸發(fā)阻力模型和秸稈覆蓋阻力模型，為覆蓋條件下土壤蒸發(fā)模擬預(yù)測(cè)及制定合理的農(nóng)業(yè)水分管理策略提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤取自濱州市無(wú)棣縣“渤海糧倉(cāng)”科技示范區(qū)(37°17′～38°3′N，117°42′～118°4′E)0～40 cm土層，土壤含鹽量為3g/kg，主要以NaCl為主，占總含鹽量的70%～80%。采樣區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為12.3℃，降雨量為586 mm，蒸發(fā)量為1 800 mm；其中，6—9月降雨量約占全年總降雨量的70%。通過(guò)吸管法測(cè)定土壤各粒級(jí)相對(duì)含量(表1)，粘粒(粒徑0～0.002 mm)相對(duì)含量為10.75%，粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)相對(duì)含量為54.92%，沙粒(粒徑大于0.05 mm)相對(duì)含量為34.33%；土壤質(zhì)地為粘質(zhì)壤土(美國(guó)制)。本試驗(yàn)中覆蓋材料為剪碎的0.5～1 cm小麥秸稈。

表1 試驗(yàn)土壤顆粒組成Tab.1 Mechanical composition of experimental soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用航空塑料杯(容積230 mL，杯高80 mm，上口直徑70 mm，下口直徑50 mm)，2個(gè)塑料杯為一套裝置(圖1a)，上杯底部用電鉆均勻打孔(孔徑1 mm)，下杯完好嵌套上杯。上杯底部均勻鋪設(shè)20 g粒徑為2 mm的石英砂(約5 mm厚)，石英砂上裝230 g風(fēng)干土壤(容重為1.3 g/cm3)，上杯頂部預(yù)留0.5 cm高空間以覆蓋秸稈，秸稈量按照0、0.3、0.6、0.9、1.2 kg/m2(分別表示為CK、S1、S2、S3、S4)鋪設(shè)，每個(gè)處理重復(fù)20次。試驗(yàn)時(shí)間為2019年12月28日—2020年1月9日共計(jì)14 d。試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程實(shí)驗(yàn)中心大廳完成，試驗(yàn)期間室內(nèi)溫度為13～18℃。

圖1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Schematic of test device and test layout

1.3 試驗(yàn)流程

為了使每個(gè)處理土壤樣品鹽分濃度一致，試驗(yàn)開(kāi)始前，向每一套裝置中加預(yù)先配置好的5 g/L NaCl溶液180 mL(灌水前土壤上方鋪設(shè)濾紙，以免加水沖坑)，入滲過(guò)程中及時(shí)倒掉下杯搜集的液體，靜置24 h后，按設(shè)計(jì)用量覆蓋秸稈，秸稈覆蓋后，用手輕輕按壓秸稈，力求各處理間秸稈壓實(shí)度保持一致。為避免不同處理間溫濕度相互干擾，用高為50 cm的泡沫板隔開(kāi)，試驗(yàn)布置示意圖如圖1b所示。每個(gè)處理選擇最后3組裝置稱量，根據(jù)前后兩次稱量值計(jì)算蒸發(fā)量；稱量的同時(shí)，用紅外測(cè)溫儀(Testo型，德國(guó))測(cè)定各處理表層溫度，用空氣溫濕度、風(fēng)速儀(Testo-608型，德國(guó))測(cè)定每個(gè)裝置上方15 cm處溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速；此外，通過(guò)破壞性取樣測(cè)定0～1 cm土壤質(zhì)量含水率θs。上述指標(biāo)均按照先密后疏的原則測(cè)定，其中土壤蒸發(fā)量和土壤質(zhì)量含水率θs前期每4～8 h取樣一次，后期每12～24 h取樣一次；溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速前期每2 h監(jiān)測(cè)一次，后期每4 h監(jiān)測(cè)一次。土壤質(zhì)量含水率θs由干燥法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1土壤蒸發(fā)強(qiáng)度

參照YAMANAKA等[17]研究結(jié)果，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

式中E——土面蒸發(fā)量，mm/min

qvs——土壤表面空氣濕度，kg/m3

qva——空氣濕度，kg/m3

rt——土壤總蒸發(fā)阻力，s/m

ra——空氣動(dòng)力學(xué)阻力，s/m

rs——土壤表面蒸發(fā)阻力，s/m

rm——秸稈覆蓋阻力，s/m

Ts——土壤表面溫度，℃

R——宇宙氣體常數(shù)，J/(mol·K)

φ——土壤表面水勢(shì)，m

g——重力加速度，m/s2

Ta——空氣溫度，℃

RH——空氣相對(duì)濕度，%

Z——測(cè)定風(fēng)速u的參考高度，m

Z0——地表的粗糙度，m

u——參考高度的平均風(fēng)速，m/s

K——Karman常數(shù)，取0.41

rs的計(jì)算公式見(jiàn)表2；覆蓋條件下rm計(jì)算見(jiàn)2.6節(jié)，若無(wú)覆蓋，則rm=0。參照翁篤鳴等[18]研究結(jié)果，本文中CK、S1、S2、S3、S4粗糙度分別取0.01、0.013、0.015、0.017、0.019 m。

表2 土壤表面蒸發(fā)阻力計(jì)算公式Tab.2 Soil surface evaporation resistance calculation formula

1.4.2土壤蒸發(fā)阻力

參考國(guó)內(nèi)外與土壤表面蒸發(fā)阻力相關(guān)的公式，當(dāng)前土壤表面蒸發(fā)阻力公式見(jiàn)表2。

1.4.3模擬效果評(píng)價(jià)

以納什效率系數(shù)(NS)、均方根誤差(RMSE)、平均相對(duì)誤差(MAE)評(píng)價(jià)模擬值與實(shí)測(cè)值吻合程度，評(píng)價(jià)模擬效果。NS越大，RMSE、MAE越小，模擬效果越好。采用Excel 和SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層0～1 cm土壤含水率隨時(shí)間的變化

各處理表層0～1 cm土壤含水率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，均隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈指數(shù)型遞減趨勢(shì)(圖2)，達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)水平(p<0.01)。除S3處理擬合曲線的決定系數(shù)R2略低外，其余處理擬合曲線的決定系數(shù)R2均高于0.9。同一時(shí)刻，秸稈覆蓋量較大的處理，表層土壤含水率較大。從圖中還可以看出，CK、S1、S2、S3、S4最大含水率依次為39.12%、51.50%、51.64%、47.08%、48.68%。

2.2 土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨土壤含水率的變化

結(jié)合2.1節(jié)分析結(jié)果，計(jì)算了各處理不同時(shí)間實(shí)測(cè)蒸發(fā)強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)的土壤含水率，并建立不同處理土壤蒸發(fā)強(qiáng)度與含水率的關(guān)系(圖3)，可見(jiàn)，各處理土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨土壤含水率的增加呈指數(shù)型遞增趨勢(shì)(p<0.01)，CK、S1、S3處理擬合曲線決定系數(shù)R2分別為0.897 4、0.806 3、0.723 9；S2和S4處理擬合曲線決定系數(shù)相對(duì)較低，分別為0.281 7和0.424 7。

2.3 土壤累計(jì)蒸發(fā)量隨含水率的變化

試驗(yàn)期間，各處理土壤累計(jì)蒸發(fā)量隨含水率的

變化均呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系，累計(jì)蒸發(fā)量隨土壤含水率的降低呈線性遞增的趨勢(shì)(圖4)，各處理擬合直線的決定系數(shù)均大于0.9。試驗(yàn)期間，CK、S1、S2、S3、S4土壤累計(jì)蒸發(fā)量分別為17.79、20.30、14.22、14.57、10.27 mm。

2.4 土壤平均含水率、蒸發(fā)強(qiáng)度、累計(jì)蒸發(fā)量隨秸稈覆蓋量的變化

圖5反映了試驗(yàn)期間秸稈覆蓋量與平均土壤含水率、平均土壤蒸發(fā)強(qiáng)度及累計(jì)蒸發(fā)量的關(guān)系。由圖可知，平均土壤含水率隨秸稈覆蓋量的增加呈線性遞增趨勢(shì)，擬合方程為y=10.776x+26.333，達(dá)極顯著水平(R2=0.742 3，p<0.01)；平均土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨秸稈覆蓋量的增加呈線性遞減趨勢(shì)，擬合方程為y=-0.737 8x+1.732 6，未達(dá)到顯著性水平(R2=0.678 1，p=0.146 9)；土壤累計(jì)蒸發(fā)量隨秸稈覆蓋量的增加亦呈線性遞減趨勢(shì)，擬合方程為y=-6.920 9x+19.582，達(dá)極顯著水平(R2=0.742 2，p<0.01)。

圖3 土壤蒸發(fā)強(qiáng)度與表層 0～1 cm土壤含水率關(guān)系Fig.3 Relationships between soil evaporation rate and surface moisture of 0～1 cm depth

圖4 土壤累計(jì)蒸發(fā)量與表層 0～1 cm土壤含水率關(guān)系Fig.4 Relationships between cumulative soil evaporation and surface moisture of 0～1 cm depth

圖5 秸稈覆蓋量與平均土壤含水率、土壤蒸發(fā)強(qiáng)度及累計(jì)蒸發(fā)量的關(guān)系Fig.5 Relationships between straw coverage amount and soil moisture, soil evaporation rate and cumulative evaporation

2.5 無(wú)覆蓋條件下土壤表面蒸發(fā)阻力公式確定

利用表2的6個(gè)土壤蒸發(fā)阻力公式，分別計(jì)算了無(wú)覆蓋模式下土壤蒸發(fā)量，并統(tǒng)計(jì)分析了不同計(jì)算公式下土壤蒸發(fā)量計(jì)算值與實(shí)際值的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)計(jì)算蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)蒸發(fā)量擬合直線的斜率k及決定系數(shù)R2可知，公式1、3、5、6的計(jì)算蒸發(fā)結(jié)果與實(shí)測(cè)蒸發(fā)結(jié)果基本吻合，綜合考慮NS系數(shù)、RMSE和MAE等指標(biāo)可知，公式3計(jì)算蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)蒸發(fā)量的NS系數(shù)最大，MAE最低，總體模擬效果較好。因此，推薦使用公式3作為無(wú)覆蓋條件下土壤表面蒸發(fā)阻力計(jì)算公式。

表3 無(wú)覆蓋條件下不同土壤表面蒸發(fā)阻力公式計(jì)算蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)蒸發(fā)量結(jié)果Tab.3 Statistics of different soil surface evaporation resistance formulas for calculated evaporation and measured evaporation results under uncovered conditions

2.6 秸稈覆蓋條件下覆蓋阻力計(jì)算

2.7 秸稈覆蓋條件下計(jì)算土壤蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)土壤蒸發(fā)量對(duì)比

圖8為秸稈覆蓋條件下計(jì)算土壤蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)土壤蒸發(fā)量，計(jì)算土壤蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)土壤蒸發(fā)量的RMSE為4.18×10-4mm/min、MAE為3.85×10-5mm/min、NS為0.90，擬合直線斜率k為0.926，接近1，計(jì)算的土壤蒸發(fā)量與實(shí)際測(cè)量的土壤蒸發(fā)量數(shù)值相接近，表明所建立的秸稈覆蓋阻力計(jì)算公式可用于秸稈覆蓋條件下土壤蒸發(fā)量的計(jì)算。

圖6 不同處理蒸發(fā)阻力隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Variation curves of evaporation resistance during experimental time for different treatments

圖7 平均秸稈覆蓋阻力與秸稈覆蓋量的關(guān)系Fig.7 Relationship between average coverage resistance and straw amount

圖8 秸稈覆蓋條件下計(jì)算土壤蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)土壤蒸發(fā)量的關(guān)系Fig.8 Relationship between calculated soil surface evaporation and measured soil surface evaporation under straw coverage

3 討論

土壤水分蒸發(fā)即土壤水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)脫離土體的過(guò)程，通?？捎烧舭l(fā)強(qiáng)度表示，其結(jié)果是降低土壤含水率；土壤蒸發(fā)同時(shí)受土壤自身及外部環(huán)境共同作用[1,22]。本研究中，表層土壤含水率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著呈指數(shù)型遞減趨勢(shì)，結(jié)果與高鵬程等[23]研究一致；秸稈覆蓋處理(S1～S4)表層初始含水率顯著高于對(duì)照處理(CK)，原因可能是加水后各處理靜置24 h，靜置蒸發(fā)過(guò)程中水汽在覆蓋的秸稈層內(nèi)凝結(jié)，經(jīng)取土擾動(dòng)重新回落至地表所致；此外，取土過(guò)程中雖已去除表層秸稈，但土壤中仍殘留少量秸稈葉片，殘留葉片含水率較高亦是引起表層土壤含水率高的原因之一。一般而言，土壤蒸發(fā)可分為穩(wěn)定蒸發(fā)和蒸發(fā)強(qiáng)度遞減兩個(gè)階段。其中，穩(wěn)定蒸發(fā)階段土壤含水率相對(duì)較高，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度主要受環(huán)境因素影響；蒸發(fā)強(qiáng)度遞減階段土壤蒸發(fā)強(qiáng)度主要受土壤供水能力(自身含水率)影響[1,8,23]。本研究中，試驗(yàn)開(kāi)始前，為了使各處理土壤水分分布一致，所有樣品靜置了24 h，試驗(yàn)開(kāi)始后土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨著表層土壤含水率的降低而呈指數(shù)型減小，結(jié)果與高鵬程等[23]研究結(jié)果基本一致。由圖3可以看出，S2和S4處理土壤蒸發(fā)強(qiáng)度整體均低于其余各處理，原因可能是試驗(yàn)過(guò)程中S2和S4處理所處位置風(fēng)速較小，不利于蒸發(fā)。此外，從圖3還可以看出，秸稈覆蓋處理(S1～S4)的蒸發(fā)強(qiáng)度在最大表層土壤含水率附近時(shí)變化幅度較大，與土壤含水率無(wú)明顯關(guān)系，其原因可能與此階段土壤含水率相對(duì)較高，土壤蒸發(fā)主要受環(huán)境因素影響有關(guān)。秸稈覆蓋具有較好的保水、抑蒸效果[16,23]，本研究表明，秸稈覆蓋量較大的處理，表層土壤含水率較大，蒸發(fā)強(qiáng)度和累計(jì)蒸發(fā)量則隨秸稈覆蓋量的增加呈線性降低趨勢(shì)，這與孫博等[24]研究一致。

本文試驗(yàn)是在室內(nèi)完成的，試驗(yàn)期間土壤含水率相對(duì)較高，模擬的蒸發(fā)也是在含水率相對(duì)較高時(shí)的結(jié)果，有關(guān)低土壤含水率條件下的秸稈覆蓋阻力以及土壤鹽分對(duì)蒸發(fā)的影響還有待于進(jìn)一步研究。此外，由于試驗(yàn)儀器材料、規(guī)格及環(huán)境等因素限制，本文測(cè)定結(jié)果與模擬結(jié)果有一定差異，但秸稈覆蓋阻力推算方法及思路可為土壤蒸發(fā)模擬和預(yù)測(cè)研究提供參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

秸稈覆蓋量較大的處理表層土壤含水率較大，且表層土壤含水率隨時(shí)間呈極顯著(p<0.01)指數(shù)型遞減趨勢(shì)；秸稈覆蓋抑制了土壤蒸發(fā)強(qiáng)度，并降低了土壤累計(jì)蒸發(fā)量。隨著含水率的降低，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度呈極顯著(p<0.01)指數(shù)型降低趨勢(shì)，土壤累計(jì)蒸發(fā)量呈極顯著(p<0.01)線性遞增趨勢(shì)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，本研究推薦使用表2中的公式3作為無(wú)覆蓋條件下土壤表面蒸發(fā)阻力計(jì)算公式，以此公式為基礎(chǔ)得出，秸稈覆蓋阻力隨秸稈覆蓋量的增加而增加，且同一秸稈覆蓋量條件下，秸稈覆蓋阻力基本不變。以水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，結(jié)合土壤表面蒸發(fā)阻力和秸稈覆蓋阻力計(jì)算的土壤蒸發(fā)強(qiáng)度與實(shí)測(cè)蒸發(fā)強(qiáng)度結(jié)果相一致，本研究建立的秸稈覆蓋阻力模型可用于土壤蒸發(fā)強(qiáng)度的模擬和預(yù)測(cè)。