雨水導(dǎo)入表土以下不同深度土壤蒸發(fā)變化研究

王俊鵬，任小龍，蔡 鐵，張 鵬，張久成

(1．西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2. 陜西省漢中市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)中心,陜西 漢中 723000)

黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤水分主要來自于大氣降水，通過集雨、蓄水、覆蓋等途徑提高有限的降水利用效率，這是旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本途徑[1-4]。溝壟集雨系統(tǒng)、覆蓋等措施能改善土壤墑情和延長(zhǎng)水分有效期，促進(jìn)農(nóng)作物和森林植物的生長(zhǎng)，對(duì)于缺乏灌溉和灌溉成本高的干旱半干旱區(qū)非常適用[3-5]。地表為降雨的承接面，雨水被表層土壤所接受，地表土壤水分含量高；土壤水分蒸發(fā)依照大氣控制階段，土壤導(dǎo)水率控制階段和擴(kuò)散控制階段進(jìn)行。鄧洋[6]研究表明，初始含水量達(dá)到田間持水量的土壤，其蒸發(fā)過程與初始飽和的土體蒸發(fā)過程一致，當(dāng)土表形成干層土，其蒸發(fā)過程僅由蒸發(fā)消滯階段組成。在低含水率條件下土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨干層厚度增加而減少。土壤初始含水率較小時(shí)，土體干土層厚度是影響蒸發(fā)強(qiáng)度的主要因素。Wilson等[7-9]研究認(rèn)為，土壤含水率是影響土壤蒸發(fā)和運(yùn)動(dòng)的重要因素。因此，在田間土壤水分管理過程中，降低表土含水量，將有助于抑制土壤蒸發(fā)。在自然降雨條件下，要使表層土壤處于干燥狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)，但通過人工聚集、導(dǎo)入等干預(yù)措施，使深層土壤成為雨水接受主體，可以達(dá)到既接受雨水，又能實(shí)現(xiàn)表層土壤干燥的目的，這類研究少見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。本研究通過模擬試驗(yàn)，將降雨聚集導(dǎo)入地表以下，且為不均勻分布，使表層土壤處于低含水量狀態(tài)，通過測(cè)定不同降雨量、不同土層接受雨水的土壤蒸發(fā)量，分析改變雨水接受深度對(duì)土壤蒸發(fā)規(guī)律的影響，為構(gòu)成“降雨-深層土壤-植物-大氣”的水循環(huán)體系，更好地利用降雨資源尋求理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2014年6-9月在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院遮雨棚內(nèi)進(jìn)行。夏季試驗(yàn)6月25日開始，測(cè)定15 d，秋季試驗(yàn)9月26日開始，測(cè)定18 d。試驗(yàn)采用模擬降雨量方法進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)設(shè)12個(gè)處理(表1)，重復(fù)3次。蒸發(fā)裝置為內(nèi)徑19.5 cm、高50 cm、底部密封的塑料筒(圖1)。蒸發(fā)裝置于2013年10月裝入過篩表層土，壓實(shí)后加水至飽和狀態(tài)，置于露天自然沉降，試驗(yàn)時(shí)調(diào)整土壤表面低于筒邊1 cm。試驗(yàn)土壤類型為黑壚土，土壤容重1.25～1.27 g·cm-3。裝土?xí)r在蒸發(fā)裝置中間置入長(zhǎng)度分別為10、20 cm和30 cm，內(nèi)徑為1.2 cm的塑料管，塑料管頂部與土壤表面高度相同，用于導(dǎo)入雨水和確定雨水在土壤中的接受深度。模擬10、20 mm和30 mm降雨量，根據(jù)塑料筒的橫截面積折算的水量分別為298、597 g和895 g。接受深度為H0的處理水用洗瓶均勻?yàn)⒂谕寥辣砻妫溆嗵幚硭ㄟ^塑料管和漏斗逐漸加入。試驗(yàn)前稱量蒸發(fā)裝置重量，測(cè)得土壤含水量為12.3%。試驗(yàn)前7 d測(cè)定間隔為1 d，7 d后測(cè)定間隔為2 d。

表1 試驗(yàn)各處理水平及代碼

圖1 試驗(yàn)蒸發(fā)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the evaporator

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 雨水接受深度對(duì)土壤蒸發(fā)強(qiáng)度的影響

在雨水接受深度相同的條件下，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨雨量增加而增大，特別是測(cè)定前4 d變化明顯(圖2)。當(dāng)雨水接受位置在地表(H0)時(shí)，夏季試驗(yàn)的第1天蒸發(fā)強(qiáng)度大，10、20 mm和30 mm降雨量處理蒸發(fā)強(qiáng)度分別為6.7、8.0 mm·d-1和8.4 mm·d-1，蒸發(fā)量分別占降雨量的65.8%、41.2%和26.3%；第2天的蒸發(fā)強(qiáng)度大幅下降，仍是降雨量大的處理蒸發(fā)強(qiáng)度大；隨測(cè)定時(shí)間延長(zhǎng)，蒸發(fā)強(qiáng)度減小。其原因在于環(huán)境溫度高，第1天地表水分未及時(shí)入滲于土壤深處，表面土壤水分處于飽和狀態(tài)，蒸發(fā)強(qiáng)度由大氣環(huán)境因素控制;第2天以后，水分下滲及地表水分減少(表面土壤處于干燥狀態(tài))而使水分蒸發(fā)急驟減少，后期維持了相對(duì)較小的蒸發(fā)強(qiáng)度。秋季試驗(yàn)的1～3 d蒸發(fā)量大(表2)，較大蒸發(fā)強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間較夏季多2 d；第4天后蒸發(fā)強(qiáng)度緩慢下降，第7天后趨于平穩(wěn)，但蒸發(fā)強(qiáng)度仍為30 mm雨量的處理大，10 mm雨量的處理最小。其原因在于此時(shí)大氣溫度較夏季低，蒸發(fā)強(qiáng)度較夏季低，土壤表面水分飽和狀態(tài)維持時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，大氣控制水分蒸發(fā)階段時(shí)間則相對(duì)延長(zhǎng)，導(dǎo)致較大蒸發(fā)強(qiáng)度維持時(shí)間比夏季長(zhǎng)，隨表層土壤含水量降低，蒸發(fā)量隨之降低。

圖2 相同雨量和不同雨水接受深度土壤蒸發(fā)量變化圖Fig.2 Change of soil evaporation in different rainwater receiving depths under the same precipitation

表2 地表接受雨水前3 d蒸發(fā)量及其占降水量的比例

雨水接受深度為地表下10 cm(H10)時(shí)，不同降雨量情況下，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度較地表接受雨水處理減少，其動(dòng)態(tài)特征有較大變化。在夏季，該處理的水分蒸發(fā)特征與地面接受雨水處理第2天以后水分蒸發(fā)特征相近，初期蒸發(fā)強(qiáng)度隨降雨量增加而增大。如第1天30、20 mm和10 mm降水量處理蒸發(fā)強(qiáng)度分別為3.9、3.1 mm·d-1和1.9 mm·d-1，為同期地表接受蒸發(fā)強(qiáng)度的49.47%、36.99%和28.75%，其蒸發(fā)強(qiáng)度較地面接受雨水較小的原因在于表層土壤水分含量較低，土壤蒸發(fā)需經(jīng)土壤擴(kuò)散到達(dá)地面，抑制了土壤水分的蒸發(fā)；在秋季，該接受深度處理的水分蒸發(fā)特征曲線與夏季不同，降雨量為20 mm和30 mm的處理差異較大，蒸發(fā)強(qiáng)度第1天較小，第2天最大，之后下降，到第5天與同期地面接受雨水的處理接近，而蒸發(fā)強(qiáng)度始終小于同期地面接受雨水的處理，其原因在于較多的水分從雨水導(dǎo)入層向上部土壤中擴(kuò)散，擴(kuò)散速度大于蒸發(fā)速度，使地表土壤含水量增加，水分蒸發(fā)強(qiáng)度增大。

在接受雨水深度為地表下20 cm(H20)和30 cm(H30)時(shí)，初期蒸發(fā)強(qiáng)度較地表和10 cm接受雨水的處理小，隨時(shí)間延長(zhǎng)，蒸發(fā)強(qiáng)度的變化也小。在夏季，雨水接受深度20 cm處理第1天時(shí)，30、20、10 mm降水量處理蒸發(fā)量分別為2.6、2.2、1.7 mm·d-1，為同期地表接受蒸發(fā)強(qiáng)度的32.48%、27.24%和25.70%；雨水接受深度30 cm處理第1天時(shí)，30、20、10 mm降水量處理蒸發(fā)強(qiáng)度分別為1.6、1.3、0.9 mm·d-1，僅為同期地表接受處理蒸發(fā)強(qiáng)度的21.02%、15.85%和12.98%。綜上，其原因在于雨水入滲土層距離地面較長(zhǎng)，即使水分以液態(tài)形式從入滲土層向上擴(kuò)散，終未能到達(dá)土壤表面，只能以汽態(tài)形式向上部移動(dòng)，從而導(dǎo)致不同雨水量處理水分蒸發(fā)強(qiáng)度差異較小。結(jié)果表明：不同的雨水接受深度可以改變土壤水分初期蒸發(fā)強(qiáng)度，隨雨水接受深度的增加，土壤水分初期蒸發(fā)強(qiáng)度減小，使雨水在土壤中保持的時(shí)間不同程度地延長(zhǎng)，地表、接受雨水深度為10 cm和20 cm處理差距明顯，接受雨水深度30 cm處理與20 cm處理差異較小；因此，要全年能夠有效減少水分蒸發(fā)，雨水接受深度應(yīng)在20 cm以下。

2.2 雨水接受深度對(duì)土壤累積蒸發(fā)量變化的影響

累積蒸發(fā)量可以判斷各處理對(duì)土壤蒸發(fā)抑制的效果。從圖3可以看出，累積蒸發(fā)量P30H0處理最高，達(dá)22.28 mm，P10H30處理最小，為1.58 mm，各處理累積蒸發(fā)量大小依次為：P30H0>P20H0>P30H10>P10H0>P20H10>P10H10>P30H20>P20H20>P10H20>P30H30>P20H30>P10H30；P10H0曲線在第4天后平緩上升，與P30H10曲線在第13天發(fā)生交叉，說明P30H10在第13天后累積蒸發(fā)量大于P10H0，原因在于P10H0隨時(shí)間延長(zhǎng)，土壤中水分含量降低，蒸發(fā)強(qiáng)度亦隨之降低，從而導(dǎo)致累積蒸發(fā)量的差異。結(jié)果表明：隨測(cè)定時(shí)間的延長(zhǎng)，相同雨水接受深度條件下，累積蒸發(fā)量隨雨量增加而增大；降雨量相同，累積蒸發(fā)量隨雨水接受深度增加而減小，表明累積蒸發(fā)量不僅與接受深度有關(guān)，且與降雨量大小有關(guān)。

通過回歸分析，地面和10 cm接受雨水處理累積蒸發(fā)量(E)-時(shí)間(t)關(guān)系為對(duì)數(shù)增長(zhǎng)(P30H0：E=0.1838ln(t)+0.1197，R2=0.9959；P30H10：E=0.1334ln(t)+0.0581，R2=0.9950)，曲線起點(diǎn)(常數(shù)項(xiàng),第1天蒸發(fā)量)隨雨水接受深度增加而大幅減小，相同深度時(shí)因雨量增加而增大。時(shí)間的變量系數(shù)在同深度情況下隨雨量增加而增大，因深度增加而減小。20 cm和30 cm接受雨水累積蒸發(fā)量-時(shí)間關(guān)系則呈線性相關(guān)(如P30H20：E=0.0112t+0.018，R2=0.9924)，在相同接受深度，直線斜率和截距隨雨量增加而增大。根據(jù)累積蒸發(fā)量與時(shí)間的回歸方程，各處理蒸發(fā)10 mm土壤水分所需時(shí)間如表3所示，與測(cè)定結(jié)果擬合相近。結(jié)果表明：雨水接受深度變化可以改變特定時(shí)段土壤蒸發(fā)特征曲線，較小的雨水接受深度與地表接受降雨蒸發(fā)特征曲線近似，較大的雨水接受深度的土壤蒸發(fā)曲線特征與地表接受雨水完全不同，蒸發(fā)強(qiáng)度較地表接受雨水大幅度減小；加深接受雨水深度，對(duì)小降雨量時(shí)土壤蒸發(fā)抑制的效果更好。

2.3 雨水接受深度對(duì)雨水蒸發(fā)率的影響

表4結(jié)果表明，土壤蒸發(fā)率P10H0處理最高，P30H30處理最小，其它處理的蒸發(fā)率在以上二者之間，其蒸發(fā)率順序?yàn)椋篜10H0>P10H10>P20H0>P30H0>P20H10>P30H10>P10H20>P20H20>P10H30>P30H20>P20H30>P30H30。在降雨量相同時(shí)，接受雨水深度增加蒸發(fā)率大幅度減小，當(dāng)降雨量為10 mm，接收深度分別為0、10、20 cm和30 cm時(shí)，6 d水分蒸發(fā)損失率分別為100.68%、64.55%、26.76%和9.36%，18 d水分蒸發(fā)損失率分別為141.14%、109.03%、49.16%和24.75%。

圖3 土壤累積蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)變化圖Fig. 3 The dynamic change of soil cumulative evaporation

表3 不同處理下土壤累積蒸發(fā)10 mm水分所需的天數(shù)/d

在接受雨水深度相同時(shí)，隨雨量的增大而蒸發(fā)率減小，當(dāng)接受雨水深度為20 cm，降雨量分別為10、20、30 mm時(shí)，在6 d內(nèi)水分蒸發(fā)率分別為26.76%，13.57%和9.71%，18 d水分蒸發(fā)率分別為49.16%、30.65%和24.44%。結(jié)果表明：在相同環(huán)境條件下，與地面接受雨水相比，地表以下土層接受雨水可降低土壤蒸發(fā)損失，隨深度增加，土壤蒸發(fā)率降低，且蒸發(fā)率也與降雨量有關(guān)，雨量增加，蒸發(fā)率則降低；即增加雨水在土壤中的接受深度，或使雨水從均勻分布變?yōu)榫植考蟹植家栽黾咏邮苌疃龋苎娱L(zhǎng)雨水在土壤中的滯留時(shí)間，提高雨水的轉(zhuǎn)化率。

表4 不同時(shí)段土壤蒸發(fā)率變化/%

3 結(jié)論與討論

1)雨水接受深度變化可以改變土壤蒸發(fā)強(qiáng)度，隨接受深度增加，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度減小，使雨水在土壤中保持的時(shí)間不同程度延長(zhǎng)；不同季節(jié)土壤蒸發(fā)強(qiáng)度存在差異，適宜的抑制蒸發(fā)深度在地表20 cm以下。

2)不同降雨量相同深度條件下土壤蒸發(fā)動(dòng)態(tài)變化特征相近，雨水的接受深度增加可以降低水分的蒸發(fā)，地表和地面下10 cm蒸發(fā)量集中在降雨后5 d內(nèi)，隨時(shí)間延長(zhǎng)，蒸發(fā)量趨穩(wěn)，但仍較深層接受雨水蒸發(fā)量大；不同雨水接受深度可以改變雨水蒸發(fā)的特征，表現(xiàn)為較小的接受降雨深度與地表接受降雨蒸發(fā)近似，只是蒸發(fā)量減小，較大的深度其雨水蒸發(fā)特征與地表接受雨水完全不同，蒸發(fā)量較地表接受雨水大幅度減小。

3)和地表接受雨水相比，隨深度增加，雨水蒸發(fā)率降低；且蒸發(fā)率也與降雨量有關(guān)，雨量增加，蒸發(fā)率降低，既增加雨水在土壤中的接受深度，又能更好地使雨水保持在土壤中，提高雨水的轉(zhuǎn)化率。

土壤水分蒸散是一個(gè)復(fù)雜過程，影響因素很多，除氣象因素外，土壤含水率是一個(gè)重要因素[10]。本研究主要影響因素為降雨量和雨水的接受深度，地面接受30 mm雨水蒸發(fā)量和鐘芳等[11]研究中不覆蓋10 d蒸發(fā)量32.8 mm相近；地表下30 cm接受雨水的土壤蒸發(fā)抑制率為79.22%～82.46%，高于小麥秸稈覆蓋土壤水分株間蒸發(fā)抑制率26.27%～48.32%(土壤水分44.7～82.5 mm)[12]；雷濤等[13]研究表明蓄水坑灌溉條件下，蒸發(fā)強(qiáng)度隨灌水量增加而增大，且差異顯著，因蓄水坑灌地表始終處于干燥狀態(tài)，對(duì)蒸發(fā)有抑制作用。本研究采用改變雨水接受深度、降低表層土壤含水量的方法，能有效抑制土壤水分蒸發(fā)，其結(jié)果與相關(guān)研究結(jié)論一致。在農(nóng)作物種植模式下，將接受降雨位置改變?yōu)榈孛嬉韵滤坪蹼y以實(shí)現(xiàn)，但在果園可通過人工改造果園地為漏斗狀集水面，覆蓋疏水材料實(shí)現(xiàn)雨水聚集，在最低點(diǎn)打孔并置入導(dǎo)水管，可將雨水引入到地面下任意深度，從而改變雨水接受的深度。本研究結(jié)論是模擬條件下短期測(cè)定的結(jié)果，能否在生產(chǎn)上達(dá)到預(yù)期效果，有待田間試驗(yàn)研究驗(yàn)證。