地下浸潤灌溉條件下土壤蒸發試驗研究

鄧洋

摘要：為了探究地下浸潤灌溉條件下的土壤蒸發過程，采用控制變量法對該種灌水方式下的土壤進行了蒸發試驗。以初始未飽和粉砂土為研究對象，在控制環境溫度60 ℃和試樣初始厚度15 cm條件下，按一定量的灌水梯度逐步增大試樣中含水率，得到不同初始含水率的土壤試樣，從而開展了一系列室內干燥試驗。通過檢測試樣在干燥過程中失水量的變化，獲得了試樣的蒸發曲線。經對蒸發曲線進行了分析，結果表明：當土壤初始含水率α≈30%時，其蒸發過程與初始飽和土體蒸發過程一致；當土壤初始含水率α≈25%時，其蒸發過程先后經過速率遞減階段與消滯階段；當土壤初始含水率α≤20時，其蒸發過程屬于消滯階段。說明地下浸潤灌溉蒸發過程主要取決于土壤初始含水率的多少；土壤初始含水率較小時，土體干土層厚度是影響蒸發強度的主要因素。

關鍵詞：土壤蒸發；地下灌溉；土壤含水率；蒸發強度

中圖分類號：S152

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）05-0045-03

1 引言

我國地下節水灌溉已經隨著經濟的發展和城市化的推進，進入了一個較為發達的時期。在參考現有相似灌溉技術的條件下，筆者提出一種新型的地下灌溉方式即地下浸潤灌溉。它是一種具有較高節水潛力的、適合于設施農業栽培系統的節水灌溉技術，是利用地下水浸潤灌溉的方式，通過土壤的毛細管作用，使水進入作物根系層進行主動浸潤灌溉的一種灌水技術。較地面灌溉而言，它總是濕潤土體的下部且灌水前后表層土壤總處于相對干燥狀態。因此，其土壤蒸發過程勢必與飽和土壤蒸發過程存在一定的差異，加之前人對土壤蒸發的研究大都局限于地面灌溉，而對于地下灌溉的土壤蒸發過程及影響因素研究卻少之又少。為此，筆者以室內試驗模擬地下浸潤灌溉條件下的土壤蒸發，通過對不同初始含水率的粉砂土開展室內干燥試驗，測試了土中水分蒸發速率及平均土壤含水率隨干燥時間的變化，探究其土壤蒸發過程及蒸發強度的主要影響因素。

2 材料與方法

2.1 供試土壤

本試驗在青海大學理工樓水工大廳水文信息采集與處理試驗室進行。供試用土為青海大學農科院專用農田栽培表層土，土層深厚質地較為均勻，取回測量土壤初始含水率及容重，經自然風干、粉碎，通過2 mm篩后利用沉降法對土壤進行顆粒分析，按照我國土壤顆粒分級標準，可得相關物理性質參數如表1所示。

2.2 試驗材料及設計參數

本試驗所用到的材料有長方體有機玻璃透明箱（規格150 mm×150 mm×160 mm），質地均勻PVA海綿，洗瓶（容量600 mL），恒溫干燥箱以及電子天平等。

為較好的模擬地下浸潤灌溉條件下的土壤蒸發，透明箱底部開有18個直徑為35 mm的小孔，孔中鑲嵌PVA海綿柱（圖1），通過擠壓使洗瓶中自來水流進透明箱底部，PVA海綿柱則迅速吸水飽和形成土壤與灌溉用水的中間輸水媒介，土壤微粒從海綿中吸取水分，水分依靠基質勢與重力勢差值形成的水勢梯度完成上滲運動。與此同時，海綿繼續吸收水分來維持自身飽和狀態，整個輸水動態過程銜接緊湊且有條不紊的進行著，灌溉水上滲的高度、及速度主要取決于土壤孔隙大小等物理性質。

2.3 試驗設計

首先將裝有土樣的桶與電子稱一并放入干燥箱，并觀測電子稱讀數的變化，直到讀數基本恒定為止，此時土壤中水分基本蒸發完全。然后向試驗裝置中海綿灌水至飽和，根據試驗裝置尺寸、裝土高度及土壤容重確定稱取土壤質量，隨后將土壤分層裝入試驗裝置，層間打毛以保證土壤均質。同理，普通裝置（底部有若干孔、孔中有濾棉而無海綿）裝土質量及過程與上述一致。與此同時，向若干普通裝置中灌足量的水，靜置6 h測得其田間持水量均值。緊接著向試驗裝置底部灌定量的水，待水完全滲入土壤中時，拆下底板，將海綿柱逐一取出，并將試樣連同電子天平（精度為1.0 g）一起放入恒溫干燥箱（控溫精度為1 ℃）中同時干燥失水，在干燥過程中，試樣的重量變化通過電子天平實時讀取，所讀的數值用于計算試樣的蒸發速率以及含水率。

試驗共設5組試樣，每組試樣分別配置3個平行樣以減小不確定因素所引起的誤差，相關試驗參數如表2所示。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

對各組試樣所得試驗數據進行處理與整合，在土壤初始含水率α不同的條件下，各組試樣平均土壤含水率W及平均蒸發速率R隨干燥時間 t 的變化如圖 2所示。由圖2明顯可見，干燥曲線（R-t和W-t）的整體趨勢是初期蒸發速率最大，與之對應的平均土壤含水率下降幅度亦最大，隨著干燥時間的延長，蒸發速率逐漸降低，相對應的平均土壤含水率下降幅度減緩，直至蒸發速率及平均土壤含水率都接近于0，各組試樣土壤先后蒸發完全。隨著初始含水率的增大，干燥初期時的土壤蒸發速率隨之增大，與之對應的平均含水率下降幅度亦增大，試樣蒸發完全所需時間有所延長，且相鄰的干燥曲線間距縮短。

3.2 土壤初始含水率及干土層對蒸發過程的影響及分析

土壤水分蒸發的過程就是土壤水分通過土壤表面進入大氣，從而造成土壤水分逐漸減少，土壤表層逐漸變干的過程。由前人對初始飽和的土體蒸發研究可知，在外部環境條件恒定的情況下，土中水分的蒸發過程主要由 3 個階段組成：常速率、減速率和蒸發消滯階段。

試樣組E的土壤初始含水率α≈30%（圖2b），土壤含水量達到田間持水量，在干燥時間tE（0，57）min，表層含水率較高，輸水能力強，土壤表層的蒸發消耗得到充分補給，試樣組E平均土壤含水率W的減小與干燥時間t幾乎呈直線關系，且平均蒸發速率R相對穩定少變（圖2a），在蒸發量大于或近于相同氣象條件下的蒸發量，此時土壤蒸發只受氣象條件的影響。由于非飽和滲透系數隨土壤水分減少而迅速減小，蒸發不斷進行，平均土壤含水率W減至26.5%時，由下向上的滲透水分不能滿足蒸發力的需要，此階段即告結束，這一階段持續時間約為57 min，平均蒸發速率R約為3.92 g/min。

試樣組D的土壤初始含水率α≈25%，較試樣組E而言，其土壤含水量不高，灌溉水僅少部分上滲至土表，土壤表層含水率較低，在干燥時間tD（0，120）min，土壤表層的蒸發消耗不能得到充分補給。同理，在干燥時間tE（57，179）min，試樣組E土壤蒸發不斷消耗水分，土壤含水量不斷減小，較粗毛管中懸著水的連續狀態出現斷裂，細毛管中仍充滿水。試樣組E與試樣組D在不同時段內土壤平均蒸發速率R均隨土壤含水量減少而呈直線下降（圖2a）。此階段土壤因素逐漸成為影響蒸發力的主要因素，氣象因素逐漸退居次要因素。當土壤表層干化時，此階段結束。這一階段試樣組E持續時間約為122 min，平均蒸發速率R約為2.09 g/min，平均土壤含水率W降至18.8%。試樣組D持續時間約為115 min，平均蒸發速率R約為2.50 g/min，平均土壤含水率W降至16.1%。

試樣組（A、B、C）的土壤初始含水率W≤20%，土壤含水率較低，在水的重力勢能與土壤基質勢的綜合作用下，灌溉水未能上滲至土表，土表形成一定厚度的干土層，在干燥時間tA-B-C（0，1076）min，蒸發基本上不在土壤表面進行。同理，隨著干燥時間的進一步延長，土體中可供蒸發的水分越來越少，孔隙水連通性降低，毛細水作用逐漸削弱，試樣組E和試樣組D分別在干燥時間tE（180，1440）min及tD（120，1200）min，土壤中的液態水已經不能輸送至土壤表面，土體表面均形成干土層，蒸發面移置表層土以下。試樣組（A、B、C、D、E）的平均蒸發速率R及平均土壤含水率W在不同時間段內均隨干燥時間的延長而緩慢減小，直至平均蒸發速率R以及平均土壤含水率W接近于0（圖2a和圖2b）。較土壤蒸發前兩個階段而言，因干土層的形成，使蒸發面水汽向大氣散失的路徑加長，蒸發強度減小。另一方面，由于干土層形成后，土表的吸力梯度不再增加；同時，因含水率已達到較低值，土壤水力傳導度隨上壤含水率變化較小，蒸發強度減小，速率變緩，此時土壤蒸發主要受干土層厚度的影響。這一階段為土壤蒸發的主要階段，蒸發耗時最長且較為穩定。

4 結語

通過對不同初始含水率的粉砂土開展室內干燥試驗，測試了土中水分蒸發速率隨干燥時間的變化，探究其土壤蒸發過程及蒸發強度的主要影響因素，得到了如下結論。

（1）在地下浸潤灌溉條件下，土壤初始含水率對其蒸發過程有著較為顯著的影響，對于含水量達到田間持水量的土壤，其蒸發過程與初始飽和的土體蒸發過程一致。隨著土壤初始含水率呈一定梯度的遞減，上滲至土表的灌溉水減少，使得土表層含水率降低，其蒸發過程先后歷經速率遞減階段及蒸發消滯階段。當土壤初始含水率降低到某一值時，灌溉水未能上滲至土表，土表形成干層土，其蒸發過程僅由蒸發消滯階段組成。

（2）在低含水率條件下的土壤蒸發，形成干土層后，外界條件基木不變情況下，土壤水分蒸發主要受干土層厚度變化的影響，蒸發強度隨干層厚度增加而減少，干土層的形成，相當于土壤表面有一復蓋層，一定程度上能夠抑制土壤的蒸發作用。

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