基于原狀土與回填土蒸滲儀的潛水蒸發(fā)差異性研究

胡永勝，胡 勇，王 兵，周 超，王振龍

（1.水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蚌埠233000；2.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽蚌埠233000；3.五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站,安徽蚌埠233000）

0 引 言

潛水蒸發(fā)受到氣候、地下水埋深、植被情況、土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)等因素影響［1-8］。多年來國內(nèi)外學(xué)者主要從氣候、地下水埋深、植被情況等因素對潛水蒸發(fā)影響方面做了大量的研究，而在土壤質(zhì)地對潛水蒸發(fā)影響方面研究相對較少，尤其是回填土體與原狀土體潛水蒸發(fā)差異方面尤為欠缺。前期雖有學(xué)者提出原狀土與回填土土壤水分特征曲線［9］、孔隙度［10］、大孔隙率［11,10］等土壤物理性質(zhì)的差異，但未能進(jìn)一步闡述回填土土體導(dǎo)氣孔隙減少、大孔隙率降低、尤其是改變了連通的大孔隙結(jié)構(gòu)使得土體內(nèi)各向異性減弱對潛水蒸發(fā)影響程度具體如何？因此，本文利用五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站一系列蒸滲儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2017-2018年和2018-2019年冬小麥和夏玉米全生育期潛水蒸發(fā)數(shù)據(jù)，定量評(píng)估及分析回填土與原狀土下墊面條件下作物全生育期內(nèi)潛水蒸發(fā)量的差異性。研究成果為認(rèn)知回填擾動(dòng)對潛水蒸發(fā)影響效應(yīng)及如何利用回填土蒸滲儀潛水蒸發(fā)試驗(yàn)觀測推算原狀土潛水蒸發(fā)量提供參考依據(jù)，同時(shí)為回填擾動(dòng)對農(nóng)田水文影響研究由土壤物理參數(shù)的微觀尺度拓展至宏觀表征尺度提供一種思路及方法。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

淮北平原地下水埋深淺，潛水蒸發(fā)量大。由于人類活動(dòng)頻繁、氣象要素變化顯著及黃河泛濫對古老平原土壤進(jìn)行的覆蓋和沖刷侵蝕，造成土壤類型頗為復(fù)雜，主要為砂姜黑土、黃潮土、潮棕壤土、水稻土等類型土壤，其中砂姜黑土和黃潮土約占總面積的87%左右。區(qū)內(nèi)作物種植結(jié)構(gòu)以旱作為主，多為冬小麥～夏玉米輪種。多年平均降雨量、氣溫、水面蒸發(fā)、積溫和日照時(shí)數(shù)分別為878.2 mm、14.6 ℃，832.4 mm、4 580 ℃和2 330 h，作物生長適宜地下水埋深為0.8～1.2 m。

五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站位于淮河以北27 km 處安徽省蚌埠市境內(nèi)，1953年建站，是淮北平原水文水資源研究代表性站點(diǎn)。站內(nèi)現(xiàn)有非稱重式地中蒸滲儀原狀土測筒60 套，砂姜黑土和黃潮土2種土壤類型（砂姜黑土取自蚌埠市固鎮(zhèn)縣，黃潮土取自蕭縣楊樓，2種土壤能夠較好地代表淮北平原土壤類型）；0.3～4.0 m25 種不同器口面積，0～5 m 不同地下水控制埋深；自動(dòng)稱重式蒸滲儀測筒10套，砂姜黑土8套（4套原狀土、4 套回填土），黃潮土2 套（回填土），器口面積為2 m2和4 m2，地下水埋深可調(diào)控范圍為1.0～3.5 m，是研究潛水蒸發(fā)規(guī)律和四水轉(zhuǎn)化的理想設(shè)備。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

該區(qū)屬于地下水位淺埋區(qū)，埋深變幅為1～3 m［12］，本次試驗(yàn)選取地下水埋深控制在1.0 m［13］的原狀土測筒a9 號(hào)、a11號(hào)（取土方式詳見參考文獻(xiàn)［14］）；回填土測筒5 號(hào)、6 號(hào)，（取土及填土方式詳見參考文獻(xiàn)［15］）進(jìn)行不同填土方式下潛水蒸發(fā)差異性研究。測筒土壤均為砂姜黑土，測筒土體土壤信息見表1。測筒作物為冬小麥與夏玉米，實(shí)驗(yàn)起止為2017年10月20日至2019年9月30日，小麥品種為“益科青三號(hào)”、夏玉米品種為“東海618”。

表1 測筒土體土壤信息Tab.1 Soil information table of geodesic soil

1.3 潛水蒸發(fā)測量方法

蒸滲儀（lysimeter）是一種開展田間水文模擬的理想試驗(yàn)設(shè)施，是研究潛水蒸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施之一［16-19］。其測量原理是通過平衡器連接測筒和補(bǔ)水筒，由于測筒內(nèi)潛水蒸發(fā)量與補(bǔ)水筒水量損失相同,補(bǔ)水筒水位變化反應(yīng)測筒潛水蒸發(fā)量。非稱重式蒸滲儀補(bǔ)水筒為馬氏瓶，采用8∶00 人工觀測數(shù)據(jù)計(jì)算，測量精度為0.1 mm。稱重式蒸滲儀通過補(bǔ)水泵從水箱（補(bǔ)水筒）實(shí)時(shí)補(bǔ)充水量給水平衡器，利用電子秤或壓力感應(yīng)計(jì)測定測筒及水箱的質(zhì)量變化，并通過測筒口徑面積換算為潛水位變化，從而實(shí)現(xiàn)潛水蒸發(fā)量的自動(dòng)觀測，稱重測量精度為0.1 g，折算為潛水蒸發(fā)精度為0.025 mm，采用8∶00自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)計(jì)算。

1.4 分析方法

本研究利用2017-2019年2 季冬小麥和夏玉米全生育期內(nèi)日尺度潛水蒸發(fā)實(shí)測數(shù)據(jù)，對砂姜黑土原狀土與回填土測筒日潛水蒸發(fā)量進(jìn)行比較，研究原狀土與回填土潛水蒸發(fā)差異性;利用配對樣本t檢驗(yàn)分析冬小麥與夏玉米全生育期潛水蒸發(fā)一致性差異及構(gòu)建回填土與原狀土潛水蒸發(fā)模型,并利用2018-2019年日尺度潛水蒸發(fā)實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 模型構(gòu)建及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 線性回歸模型

選取原狀土與回填土潛水蒸發(fā)量，建立潛水蒸發(fā)一元線性回歸模型，使用公式如下:

式中：Eg0為原狀土潛水蒸發(fā)量；Eg1為回填土潛水蒸發(fā)量；b0為常數(shù)項(xiàng)；b為系數(shù)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括均方根誤差RMSE、平均絕對誤差A(yù)AE、相關(guān)系數(shù)r和一致性指數(shù)dIA，用以評(píng)價(jià)估算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間的誤差及一致性情況。各指標(biāo)計(jì)算公式如下:

式中：xi為原狀土；Eg0模型計(jì)算值；yi為原狀土Eg0實(shí)際值；i為樣本序數(shù)；計(jì)算值的均值；為實(shí)際值的均值；n為計(jì)算值的樣本數(shù)。

通常計(jì)算誤差RMSE越小，估算準(zhǔn)確率越高。相關(guān)系數(shù)r和一致性指數(shù)dIA越接近1，說明實(shí)際值與估算值越接近，模型的估算能力越準(zhǔn)確。

3 結(jié)果與討論

3.1 回填擾動(dòng)引起的潛水蒸發(fā)變化

3.1.1 冬小麥與夏玉米全生育期的潛水蒸發(fā)量

冬小麥和夏玉米全生育期測筒的日均潛水蒸發(fā)量見表2。由表2可知冬小麥和夏玉米全生育期逐日潛水蒸發(fā)總體趨勢回填土大于原狀土。2017-2018年，冬小麥全生育期5 號(hào)和6 號(hào)回填土潛水蒸發(fā)總量為251.5 mm 和285.9 mm，日潛水蒸發(fā)量為1.14 mm 和1.29 mm，a9 和a11 原狀土潛水蒸發(fā)總量為151.4 mm 和153.4 mm，日潛水蒸發(fā)量均為0.69 mm；夏玉米全生育期5號(hào)和6號(hào)回填土潛水蒸發(fā)總量為194.5 mm 和218.2 mm，日潛水蒸發(fā)量為1.83 mm 和2.06 mm，a9 和a11 原狀土潛水蒸發(fā)總量為100.1 mm 和134.9 mm，日潛水蒸發(fā)量為0.94 mm 和1.27 mm。2018-2019年，冬小麥全生育期5 號(hào)和6 號(hào)回填土潛水蒸發(fā)總量為198.4 mm 和222.2 mm，日潛水蒸發(fā)量分別為0.92 mm 和1.03 mm，a9 和a11 原狀土潛水蒸發(fā)總量為137.8 mm 和102.7 mm，日潛水蒸發(fā)量為0.64 mm 和0.48 mm；夏玉米全生育期5 號(hào)和6 號(hào)回填土潛水蒸發(fā)總量為195.8 mm 和221.6 mm，日潛水蒸發(fā)量為1.85 mm 和2.09 mm，a9 和a11 原狀土潛水蒸發(fā)總量為101.6 mm 和138.0 mm，日潛水蒸發(fā)量為0.96 mm和1.30 mm。

表2 冬小麥和夏玉米全發(fā)育階段潛水蒸發(fā)總量及日均量 mmTab.2 Average daily transpiration of winter wheat at different growth stages

利用配對t檢驗(yàn)分析不同土壤擾動(dòng)狀態(tài)下潛水蒸發(fā)量的一致性，結(jié)果見表3。由表3 可知，全生育期原狀土和回填土的潛水蒸發(fā)量具有一致性（α=0.05），即原狀土和回填土的潛水蒸發(fā)量的樣本值是來源于同一個(gè)總體，潛水蒸發(fā)量在回填和原狀非擾動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)性偏差較小，可以通過二者關(guān)系曲線利用回填土日潛水蒸發(fā)量近似推算原狀土的日潛水蒸發(fā)量。

表3 冬小麥和夏玉米全生育期原狀土與回填土日潛水蒸發(fā)統(tǒng)計(jì)分析Tab.3 Statistical analysis of phreatic evaporation of undisturbed soil and backfill during the full development of winter wheat and summer maize

3.1.2 潛水蒸發(fā)變化的原因分析

作物全生育期潛水蒸發(fā)過程見圖1。由圖1 可知，冬小麥和夏玉米全生育期逐日潛水蒸發(fā)變化趨勢基本一致，潛水蒸發(fā)量回填土大于原狀土。這是因?yàn)榛靥钔疗茐牧嗽瓲钔林胁荒艹炙筒糠挚梢猿炙拇罂紫督Y(jié)構(gòu)及土壤團(tuán)聚體之間的穩(wěn)定性，使得土壤導(dǎo)水和儲(chǔ)水的總孔隙增加［20-23］；隨著作物蒸騰作用加劇，各測筒土壤含水量低于毛管破裂含水率時(shí)蒸發(fā)得不到毛管水上升的補(bǔ)充，地表開始形成干土層及裂隙；在地下水埋深較淺時(shí)，裂隙發(fā)育至潛水位，因此回填土潛水蒸發(fā)大于原狀土。

圖1 不同測筒的冬小麥夏玉米全生育期潛水蒸發(fā)變化過程Fig.1 The change of phreatic evaporation during the growth period of winter wheat in different measuring tubes of sandy ginger black soil

3.2 原狀土與回填土潛水蒸發(fā)量的計(jì)算模型

利用測筒內(nèi)冬小麥和夏玉米全生育期內(nèi)原狀土和回填土的日潛水蒸發(fā)量建立一元線性回歸模型，模型結(jié)果分別為冬小麥：Eg0= 0.78Eg1+ 0.041，R2為0.987，線性關(guān)系極顯著（P＜0.01）；夏玉米：Eg0= 0.509Eg1+ 0.010 4，R2為0.944，線性關(guān)系極顯著（P＜0.01）。冬小麥和夏玉米全生育期均表現(xiàn)為較高的估算精度。

3.3 原狀土與回填土潛水蒸發(fā)量計(jì)算模型的檢驗(yàn)

采用2017-2019年2 季冬小麥全生育期潛水蒸發(fā)量資料，分別計(jì)算原狀土測筒與回填土測筒潛水蒸發(fā)量，并繪制冬小麥全生育期不同測筒潛水蒸發(fā)估算值與實(shí)測值對比圖，見圖2。由圖2 看出，測筒a9 號(hào)與a11 號(hào)原狀土潛水蒸發(fā)估算值與實(shí)測值基本一致，拐點(diǎn)及突變點(diǎn)均能很好的捕捉到。對冬小麥全生育期潛水蒸發(fā)估算精度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。從表4 可知，各測筒潛水蒸發(fā)實(shí)測值與預(yù)測值的平均絕對誤差A(yù)AE為:0.234 mm 和0.154 mm，誤差值均較小；均方根誤差RMSE為:0.345m m 和0.392 mm，誤差值都較小；相關(guān)關(guān)系r為0.944 和0.938，均接近1，相關(guān)性較好；一致性指數(shù)dIA為0.971和0.966，均接近1。表明該模型具有較好的估算能力。

圖2 冬小麥全生育期潛水蒸發(fā)量估算值與實(shí)測值對比Fig.2 Comparison between estimated and measured values of phreatic evaporation during the whole development period of Winter Wheat

表4 冬小麥全生育期不同測筒潛水蒸發(fā)估算精度評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.4 Evaluation indexes of estimation accuracy of phreatic evaporation in different measuring tubes during full growth period of winter wheat

4 結(jié) 論

(1)冬小麥和夏玉米全生育期回填土潛水蒸發(fā)量明顯大于原狀土，冬小麥回填土比原狀土平均多0.53 mm/d，夏玉米回填土比原狀土多0.84 mm/d。

(2)研究提出了砂姜黑土回填土估算原狀土潛水蒸發(fā)模型，模型結(jié)果分別為冬小麥：Eg0= 0.78Eg1+ 0.041，R2為0.987；夏玉米：Eg0= 0.509Eg1+ 0.010 4，R2為0.944。

(3)砂姜黑土原狀土和回填土的日潛水蒸發(fā)量線性關(guān)系顯著，估算值與實(shí)測值相關(guān)關(guān)系均在0.90 以上，一致性指數(shù)均為0.95 以上，絕對誤差和均方根誤差均小于0.43 mm。通過回填土日潛水蒸發(fā)量及關(guān)系曲線可以近似推算原狀土的潛水蒸發(fā)量。

(4)蒸滲儀法模擬大田環(huán)境條件下的潛水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)，有條件情況下建議選取原狀土土體測筒進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，能夠更為接近反映大田真實(shí)潛水蒸發(fā)情況；沒有原狀土土體測筒情況下，可以選取模型估算。