不同溫度下紫色土與黃壤的水分持續性耗散特征

2019-07-23 09:47:20李沙沙徐文秀羅華進

水土保持通報 2019年3期

李沙沙，韋杰,2,3，徐文秀，茍宇，羅華進

(1.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 401331； 2.三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室，重慶 401331； 3.重慶師范大學裝配式土地整治工程技術中心，重慶 401331)

土壤水分耗散包括土壤水分蒸發和植物蒸騰散失，其中土壤水分蒸發指在一定條件下，土壤水不斷汽化并不斷向空氣中擴散的過程。農作物生長期間，土壤水分蒸發是干旱季節土壤水分損減的主要途徑，如玉米生長期間，棵間土壤水分蒸發量可占水分耗散總量的43%及以上[1]。

研究表明，土壤水分蒸發受到溫度、土壤質地、覆蓋物等諸多因素的影響[2-6]。土壤水分蒸發量與溫度呈正向協同關系[2]，蒸發速率與溫度呈極顯著正相關關系[3]，同時，土壤水分蒸發失水比率隨著溫度的升高而增大[4]。但在同一溫度下，黏性小、氣孔多的土壤水分累積蒸發量明顯較大[5]。覆蓋物具有抑制土壤水分蒸發的作用，在高含水率階段尤為明顯，可使土壤水分含量保持在較高水平，滿足作物生長需要[6]。土壤含水率變化引起土體脹縮，導致土壤孔隙度變化，也會對土壤水分蒸發過程產生影響[7]。雖然影響土壤水分耗散的因素諸多，但各階段的決定因子不同，一般認為土壤水分耗散初期的蒸發強度主要取決于外界條件與土壤表面條件[8]，隨著試驗的進行，土壤蒸發強度開始低于大氣蒸發力，土壤水分耗散主要受土壤輸水能力限制[9]。

紫色土區蒸發量大且降雨時間分布不均，極端天氣條件下蒸發量大于降雨量，季節性干旱為該地區最常見的農業災害性氣候[10]。但是紫色土區季節性干旱研究主要集中在干旱脅迫對消落帶植物的影響，有關耕地土壤水分耗散的研究相對較少，不能有效指導耕地土壤水分管理與農業生產干旱抵御實踐。本研究選取紫色土區楊家溝小流域2種常見土壤(紫色土和黃壤)為試驗材料，利用烘干法對紫色土區干旱頻發季節常見溫度下土壤水分耗散特征進行試驗研究，分析不同溫度下紫色土和黃壤水分耗散特征，以深化紫色土區季節性干旱有效防御措施研究，為紫色土區耕地土壤墑情盈虧預測及土壤改良，耕作制度改善等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

楊家溝小流域位于重慶市沙坪壩區虎溪鎮，西靠縉云山脈，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫18.3 ℃，年降水量1 082.9 mm，熱量和水分資源豐富，但降水季節分布不均，多集中于5—10月。地貌屬于盆東平行嶺谷低山丘陵區，地形由窄條狀山脈和寬緩的丘陵臺地組成，海拔為175～815 m，地表起伏明顯。土壤類型主要為紫色土和黃壤，自然植被為亞熱帶常綠闊葉林。據重慶市氣象局公布的農業氣象數據(2010年9月至2018年8月)，沙坪壩區6—9月份氣溫多為23～39 ℃，≥35 ℃高溫日數在2～24 d之間，由于持續晴熱高溫天氣，表層土壤(0—10 cm)常出現干旱。

1.2 樣品采集與試驗設計

試驗土壤樣品于2017年10月采自楊家溝小流域的紫色土和黃壤坡耕地。樣地海拔分別為275 m和481 m，主要種植作物有蘿卜(Raphanussativus)、黃豆(Glycinemax)和小白菜(Brassicacampestris)等，地塊內皆無雜草。采樣時間為降雨后12 h左右，樣地內尚有少量積水。利用容積為100 cm3的環刀采集壟溝表層土壤，采樣點沿壟溝水平方向排列，環刀使用時保證與地面垂直，每個樣地內采集9個試驗土樣和3個備用土樣，編號密封，帶回實驗室利用1/100電子天平稱重后，使用恒溫烘箱進行烘干試驗。另外，在樣地采樣點鄰近位置采集約0.5 kg土樣進行土壤理化性質測定(表1)。采樣完成后，對采樣地進行修復。

表1 供試土壤基本理化性質

根據研究區氣候特點，共設計了3種試驗溫度，分別為20 ℃，30 ℃和40 ℃。將土樣分別以3個為1組置于預先調好溫度的恒溫烘箱內，對其水分耗散進行連續觀測(累積時長為1 200～1 560 min)。根據土壤水分耗散的一般規律，前2 h內每20 min測定一次含水量，2～6 h內每30 min測定1次，6 h以后每60 min測定1次。最終將土壤樣品置于105 ℃下烘干8 h，以測定土壤初始含水率(質量百分比)。

文中表征土壤水分耗散特征的含水量(%)采用常見的質量百分比進行描述，即土壤水分質量(g)與烘干土質量(g)之比；時段蒸發量(%)指相鄰測定時間點所測土壤含水量的差值；蒸發速率(%/min)實際上為“蒸發率”，其中時段蒸發速率指土壤水分時段蒸發量與對應時長的比值，平均蒸發速率指累積蒸發量與對應時長的比值；累積蒸發量(%)指初始含水量與各時間點所測土壤含水量的差值。

2 結果與分析

2.1 土壤水分時段蒸發量與溫度的關系

總體來看，紫色土和黃壤水分時段蒸發量在3種不同的溫度條件下均呈現先增加后減少變化趨勢，含水量則呈現近似線性衰減(圖1)。

圖1 不同溫度下紫色土與黃壤時段蒸發量與含水量特征

土壤水分時段蒸發量具有明顯的階段性特征，溫度為20 ℃時，0～1 260 min內紫色土與黃壤水分的時段蒸發量均明顯增加，分別從0.09%和0.11%增加到0.44%和0.53%。從第1 260 min至試驗結束(1 560 min)，土壤水分蒸發量呈下降趨勢，紫色土下降了191%，黃壤下降了161%。溫度為30 ℃和40 ℃時，“增—減”拐點均發生在第420 min，但溫度為40 ℃時，2種土壤的水分時段蒸發量“增—減”拐點值分別為0.89%，1.08%，較溫度為30 ℃時要高1.2倍左右，較20 ℃時可高達2倍以上。3種溫度條件下的土壤水分時段蒸發量均存在差異，但在“拐點”出現之前更明顯。此外，同一溫度條件下，黃壤水分的各時段蒸發量和含水量均高于紫色土，其時段蒸發量差值在20 ℃條件下隨時間的增加而逐漸增大，在30 ℃和40 ℃兩種溫度條件下隨時間的增加呈先增后減趨勢，至試驗結束時，其差值幾乎為0。

2.2 土壤水分蒸發速率與溫度關系

紫色土和黃壤水分的時段蒸發速率在溫度為20 ℃時相對穩定，在30 ℃和40 ℃兩種溫度條件下均先增后減最后趨于穩定(圖2)。對紫色土而言，溫度為30 ℃和40 ℃時，土壤時段蒸發速率在0～60 min內呈遞增趨勢，峰值分別為0.015 6%/min和0.024 1%/min，溫度為20 ℃時，最大值出現在240 min，為0.007 4%/min，這比30 ℃和40 ℃時分別小53%和69%。從60～1 380 min內，紫色土在30 ℃和40 ℃兩種溫度條件下的水分蒸發速率均呈遞減趨勢，但變化率存在差異，具體而言，40 ℃時的土壤水分蒸發速率變化率分別為30 ℃和20 ℃的657%和707%。從1 380 min至試驗結束，紫色土水分蒸發速率漸趨于定值，且不同溫度條件下的土壤水分蒸發速率無顯著差異。溫度為20 ℃，30 ℃和40 ℃時，黃壤的水分最大蒸發速率分別為0.009 4%/min，0.017 3%/min和0.025 9%/min，分別比相同條件下的紫色土大27%，11%和7%。但2種土壤的水分蒸發速率峰值出現時間相同。蒸發速率減少過程中，黃壤的變化率比相同條件下的紫色土大100%～126%。當溫度從20 ℃升至40 ℃時，黃壤的水分蒸發速率平均變化率變化幅度較紫色土增大了82%，但土壤水分蒸發最大速率由0.006 6%增加至0.025 9%，增加率為293%，較紫色土減少了8%。

圖2 土壤水分時段蒸發速率

根據土壤水分累積蒸發量計算出的平均蒸發速率見圖3。如圖3所示，土壤水分平均蒸發速率在溫度為20 ℃時相對穩定，而在30 ℃和40 ℃時隨時間的增加呈先增加后趨于穩定再逐漸減小變化。從0～120 min，溫度為30 ℃時，2種土壤的水分平均蒸發速率分別增加了86%和88%，溫度為40 ℃時，平均蒸發速率增加率達100%。120 min～360 min，2種土壤的水分平均蒸發速率變化均相對平穩，變化率僅為1%～5%。360 min至試驗結束，2種土壤的水分平均蒸發速率呈遞減趨勢，但黃壤在30 ℃和40 ℃時的水分平均蒸發速率變化率分別為紫色土的55%與97%。

圖3 土壤水分平均蒸發速率隨時間的變化

2.3 土壤水分累積蒸發量與溫度關系

2種土壤的水分累積蒸發量在溫度為20 ℃時均呈線性增加，在溫度為30 ℃和40 ℃時均呈先快速增加后緩慢增加趨勢(圖4a)。隨著時間推移，同一溫度條件下紫色土與黃壤之間及同一土壤類型條件下3個溫度之間的累積蒸發量差值均變大，但在0～120 min內均無明顯差異。從120 min至試驗結束，3種溫度條件下的紫色土水分累積蒸發量均小于黃壤，這可能是因為黃壤容重較小，孔隙度較大，土壤水分更易流失。同一累積時長下，2種土壤的累積蒸發量均表現為40 ℃>30 ℃>20 ℃，說明溫度升高可以增加土壤水分耗散量。此外，紫色土和黃壤的累積蒸發量與初始含水量的比值(累積蒸發失水比)均隨著溫度的升高而逐漸增大(圖4b)，但溫度為20 ℃時，2種土壤的累積蒸發失水比曲線基本重合，溫度為30 ℃和40 ℃時，中后期紫色土累積蒸發失水比小于黃壤，差異不顯著。試驗條件范圍內，土壤水分總蒸發量變化范圍為8.56%～15.23%，占土壤初始含水量的43%～65%，說明土壤水分主要通過蒸發而損失。其中，20 ℃下紫色土水分累積蒸發失水比對比40 ℃由43.33%增加至61.52%，黃壤由43.30%增加至64.48%。

圖4 土壤水分累積蒸發量及其占土壤初始含水量比例隨時長變化

Gardner等[11]認為，累積蒸發量與時間的平方根呈線性關系，本試驗對土壤水分累積蒸發量與時長的關系進行分析，結果可表示為:

E=atb

(1)

式中：E——累積蒸發量(%)；t——時間(min)；a，b——常數，a和b的取值見表2。下同。

表2 土壤水分累積蒸發量與烘干時長的擬合曲線參數

由方程E=atb可知，當t=1時，E=a，可知方程式中a值為初始累積蒸發量(第1 min內的蒸發量)。隨著溫度的增加，2種土壤的a值均逐漸增加。當溫度條件相同時，紫色土a值大于黃壤，但沒有明顯的差異，這與圖4(a)中的結果相同。

由E=atb推算土壤水分平均蒸發速率：

V=dE/dt=abt(b-1)

(2)

式中：V——土壤水分平均蒸發速率(%/min)。

由公式(2)可知，ab與t(b-1)共同決定土壤水分平均蒸發速率，不同試驗條件下ab和(b-1)值見表3。

表3 不同試驗條件下ab和b-1值

紫色土和黃壤的ab值均表現為：40 ℃>30 ℃>20 ℃，說明溫度升高可明顯提高土壤初期蒸發速率。影響土壤水分蒸發速率的另一個因子(b-1)表現規律相反，紫色土和黃壤均為：40 ℃<30 ℃<20 ℃，說明溫度越高，土壤水分平均蒸發速率減小階段的變化率越大。隨著時間的增加，40 ℃下(b-1)值較20 ℃的相對減少量大于30 ℃下較20 ℃減少量，所以隨著時間的延長，20 ℃，30 ℃和40 ℃下土壤水分平均蒸發速率差異會逐漸減小。

3 討論

土壤水分耗散與溫度及土壤類型密切相關，不同溫度下水汽壓梯度不同，不同類型土壤的顆粒組成及孔隙度存在差異，這些均導致土壤水分蒸發量及蒸發速率等土壤水分耗散指標存在差異。本研究中土壤水分時段蒸發量數據的多重比較分析表明，土壤水分時段蒸發量遞增階段，不同溫度之間紫色土水分時段蒸發量差異顯著(p<0.05)，黃壤水分時段蒸發量差異也達到了顯著水平(p<0.05)，土壤水分時段蒸發量遞減階段，僅黃壤30 ℃與40 ℃之間存在顯著差異(p<0.05)，說明在高含水率時土壤水分蒸發量受溫度影響較大，可能是因為在烘干初期土壤水分飽和條件下，土壤蒸發水量主要由液態水通量提供，由于水汽壓梯度的存在，土壤水分蒸發速率迅速增大，而飽和水汽壓受溫度影響較大[12-13]。因此，在高溫晴熱天氣下，應加強關注干旱對水田的影響。

本研究中同一溫度條件下紫色土水分時段蒸發量、時段蒸發速率、平均蒸發速率及累積蒸發量均小于黃壤，供試土壤容重為紫色土>黃壤，這與An等[14]對容重變化與土壤水分特征的依賴關系的研究結果相符。黃壤容重較小，較大孔隙可能較為豐富，而土壤水分主要儲存在土壤較大孔隙中，較大孔隙的毛管勢較小，只需要較小的吸力值，就能引起土壤含水量的變化，同時土壤孔隙度是土壤容重的函數，容重越小，孔隙度越大，土壤越容易失水[15]。李開元等[16]研究表明初始含水率越高，土壤累積蒸發失水比越小，而本試驗條件下，紫色土初始含水率小于黃壤，但累積蒸發失水比表現為紫色土≤黃壤，與其結果相反，原因可能在于供試黃壤有機質含量較低，保水性差[17]，在旱情易發季節，可以通過及時施用農家肥等有機肥來預防干旱。

土壤水分耗散受多種因素影響，本試驗于室內模擬條件下進行，與野外實際水分耗散條件存在風速、空氣濕度及土層厚度等差異，土壤水分耗散量不同，但變化規律具有一致性[18]。此外，本研究供試土壤的有機質、容重、質地等因素均存在一定差異，關于土壤水分耗散特征影響因素的研究需要進一步展開。