砂姜黑土區有無作物生長潛水蒸發規律模擬實驗

周 超 王振龍

摘 要：利用五道溝水文實驗站大型原狀土地中蒸滲儀1991—2015年歷年觀測資料，分析對砂姜黑土區有無作物生長條件下潛水蒸發年內隨時間和埋深變化的過程線，對砂姜黑土區裸地和小麥潛水蒸發量進行擬合。結果表明，裸地采用指數函數形式擬合最好，小麥返青前采用逆函數形式擬合最好;返青后采用對數函數形式擬合最好。考慮到裸地潛水蒸發的擬合優度不是特別高，于是對裸地潛水蒸發系數進行曲線擬合，裸地潛水蒸發系數用指數曲線形式擬合的[R2]大于0.8，效果較好。

關鍵詞：砂姜黑土;潛水蒸發;有無作物;非線性擬合

中圖分類號 X143 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2018）24-0081-3

1 引言

潛水蒸發[1]是指潛水向包氣帶輸送水分，并通過土壤蒸發或（和）植物蒸騰進入大氣的過程。英文文獻中多用“毛管上升水”[2，3]來描述地下水對土壤水的補給量。在地下水埋深較淺的地區，潛水蒸發是地下水的主要消耗項之一，也是區域蒸散發的主要水分來源之一[4]。潛水蒸發是大氣降水、灌溉水、土壤水與地下水循環的一個重要環節。在科學認識潛水蒸發過程和規律的基礎上，深入探討潛水埋深對潛水蒸發的規律，為進一步研究潛水蒸發機理提供參考依據，為地下水資源的合理利用奠定理論和實踐基礎。

20世紀50年代初，國內為了防治土壤鹽漬化，潛水蒸發研究成為當時的熱點。20世紀70年代以來，對潛水蒸發的研究逐漸由試驗分析[5-7]轉向機理研究及數值模擬[8-10]。潛水蒸發對于干旱區的水資源循環與生態環境演變具有重要的影響，國內外學者對于潛水蒸發影響因素以及潛水蒸發規律都進行了不同深度的研究，但由于特定條件的不同，影響潛水蒸發的主導因素存在差異，仍然沒有一個統一的模型對潛水蒸發量進行計算。各種模型都有優缺點，從機理方面建立的計算模型雖然模擬效果較好，但參數很難確定，限制了其推廣應用，而經驗模型則相反。

砂姜黑土區是淮北平原重要的糧食產地之一，由于地下水位較高，存在著大量的潛水蒸發。研究該土質潛水蒸發規律及其計算方法，對農作物耗水機理、合理布置灌排系統以及地下水資源評價等，均具有重要意義。為此，本實驗基于五道溝水文實驗站大型原狀土地中蒸滲儀1991—2015年觀測資料，對砂姜黑土區有無作物潛水蒸發規律進行研究。

2 實驗方法

2.1 實驗設計 采用五道溝水文實驗站62套蒸滲儀群1991—2015年潛水蒸發觀測數據進行公式擬合和驗證。大型地中蒸滲儀配有砂姜黑土、黃潮土2種土壤的原狀土樣，主要分析砂姜黑土有無作物潛水蒸發規律，其中種植小麥潛水埋深設有0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0m共11種處理，裸地潛水埋深設有0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、5.0m共11種處理。逐日觀測各測筒的降水入滲量、潛水蒸發量以及地表徑流量。水面蒸發量采用[]（[0.3m2]）型蒸發皿實測數據。

2.2 實驗地點 五道溝水文實驗站是淮北平原區大型綜合實驗站，地處[117°?21'E]、[33?°09'N]，位于安徽省蚌埠市北[28km]處的新馬橋原種場境內，屬于封閉式平原實驗站。實驗站每年播種冬小麥、夏玉米或大豆，小麥于每年10月中下旬播種，3月份左右開始返青，4月初開始打苞，5月份揚花灌漿到成熟，6月份左右收割。

2.3 分析方法 采用冪函數、指數函數、對數函數和逆函數形式對砂姜黑土有無作物潛水蒸發與埋深進行曲線擬合，取擬合優度高、方程通過檢驗且結構合理的曲線形式作為計算模型。各主要函數形式如下：

一般通過樣本數據建立模型后不能立即用于實際問題的分析和預測，通常要進行各種統計檢驗，主要包括回歸方程的擬合優度檢驗、回歸方程的顯著性檢驗、回歸系數的顯著性檢驗等。回歸方程的擬合優度檢驗是檢驗樣本數據點聚集在回歸線周圍的密集程度，從而評價回歸方程對樣本數據的代表程度。通常用統計量[R2]進行評判，[R2]取值為[0～1]，[R2]越接近于1，說明回歸方程對樣本數據點的擬合優度越高。回歸方程的顯著性檢驗是檢驗因變量與自變量間的曲線關系是否顯著，通常采用F統計量。

運用多種函數形式擬合小麥整個生長期月潛水蒸發量與同期裸地月潛水蒸發量，取擬合優度較高、方程通過檢驗且結構合理的函數形式作為計算模型。本研究選定冪函數、逆函數、對數函數和指數函數4種函數進行擬合，選擇擬合優度較高且通過檢驗的模型。

3 結果與分析

3.1 有無作物旬潛水蒸發過程線 砂姜黑土區裸地多年旬平均潛水蒸發過程線如圖1，砂姜黑土裸地潛水蒸發隨埋深的增加而減少，6、7、8月份的潛水蒸發量在年內達到最大。該時段處于夏季，平均氣溫高，日照時間長，相應的潛水蒸發量大。裸地埋深0.0m和0.2m，年內潛水蒸發趨勢與水面蒸發較一致，其中埋深0.0m潛水蒸發與水面蒸發量相近;埋深0.4m年內每個月的潛水蒸發量明顯減少，從埋深0.6m以下各月潛水蒸發量幾乎為0。

砂姜黑土小麥生長期多年旬平均潛水蒸發過程線如圖2，在小麥的整個生育期間，隨埋深增大潛水蒸發量逐漸減少。3月份前各埋深的潛水蒸發量都較小，從3月份開始潛水蒸發量逐漸增大，到5月份左右達到最大，這與小麥生長期關系密切。從播種到分蘗，田間基本裸露，以裸土潛水蒸發為主;在此之后，小麥要經歷長時間的越冬期，需水量較少;返青后，潛水蒸發量明顯增大，生長旺盛，需水量大，到抽穗期達到最大;黃熟階段，潛水蒸發量稍有下降，需水量減少。

3.2 有無作物潛水蒸發與埋深關系 裸地和小麥多年平均月潛水蒸發與埋深關系見圖3、圖4，多年平均月潛水蒸發量隨地下水埋深的增加而減少。從圖4可看出，4、5月份的潛水蒸發量明顯比其他月份大，3月份次之，這說明了小麥返青后，需水量增大，在4、5月份達到最大，符合小麥生長期規律。

3.3 裸地潛水蒸發量 對裸地潛水蒸發量運用4種函數進行擬合，發現指數函數的擬合優度較高且通過檢驗，擬合結果見表1。由表可知，擬合優度[R2]均大于0.7，表明運用指數函數形式對樣本數據的代表程度較好;各月份的回歸方程顯著性檢驗，給定顯著性水平[α]為0.05，這些月份的概率[p]值均小于顯著性水平[α]，通過檢驗。

3.4 小麥生長期潛水蒸發量 對小麥整個生長期潛水蒸發量運用4種函數進行擬合，取擬合優度[R2]較大且通過檢驗的函數為其最終擬合方程，發現在小麥返青前用逆函數擬合較好，返青后用對數函數擬合較好，擬合結果如表2所示。

從小麥潛水蒸發擬合結果可看出，最終選定的函數形式擬合優度[R2]均大于0.9，表明運用該種形式擬合得到的方程對樣本數據的代表程度較好;再看各月份的回歸方程顯著性檢驗，給定顯著性水平[α]為0.05，這些月份的概率[p]值均小于顯著性水平[α]，即均通過檢驗。但逆函數和對數函數形式需設定自變量范圍，上述逆函數形式[H≤2m]，對數函數形式[H≤4m]，符合小麥生長規律，在返青前根系未發育完全，據實驗表明扎根深度在1m以上;小麥返青后，根系長度可達2m以上。

對比裸地和小麥潛水蒸發量的擬合結果，小麥的擬合結果較好，其擬合優度[R2]均大于0.9，但裸地的擬合結果相對不太理想，有些月份的[R2]只有0.7多，效果不好。考慮到裸地情況下，潛水蒸發與氣候因素較密切，決定對潛水蒸發系數進行擬合。

3.5 裸地潛水蒸發系數 對裸地潛水蒸發系數運用4種函數進行擬合，發現指數函數的擬合優度較高且方程都通過檢驗，擬合結果如表3所示。

從裸地潛水蒸發系數擬合結果可看出，指數函數形式的擬合優度[R2]均大于0.8，運用這種形式擬合對樣本數據的代表程度較好;再看各月份的回歸方程顯著性檢驗，給定顯著性水平[α]為0.05，這些月份的概率[p]值均小于顯著性水平[α]，通過檢驗，可用指數函數形式描述它們之間的關系。

綜上所述，對于裸地用指數函數擬合結果較好;小麥生長條件下，返青前用逆函數擬合較好，返青后用對數函數擬合較好。砂姜黑土裸地潛水蒸發系數用指數函數擬合較好。各函數如下：

4 結論與討論

考慮小麥各生長期的影響及潛水蒸發規律，可逐月建立砂姜黑土區小麥和裸地潛水蒸發量與埋深的計算模型。將1991—2015年間平均月潛水蒸發量與埋深進行曲線擬合，取擬合優度高、方程通過檢驗且結構合理的函數形式作為計算模型。擬合結果表明，裸地用指數函數擬合結果較好;小麥生長條件下，返青前用逆函數擬合較好，返青后用對數函數擬合較好。以后研究，可以對有作物條件下劃分生長階段，再探討各個階段潛水蒸發量與埋深的關系。本實驗筆者只擬合了潛水蒸發與埋深的曲線形式，但潛水蒸發影響因素眾多，在今后的研究中可以擬合潛水蒸發與多影響因素的關系曲線。

參考文獻

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（責編：徐世紅）