秸稈覆蓋條件下濱海土壤蒸發阻力模型研究

孫池濤 鄧亞鵬 張俊鵬 孫景生 毛偉兵 孫玉霞

(1.山東農業大學水利土木工程學院， 泰安 271000； 2.農業農村部作物需水與調控重點實驗室， 新鄉 453002；3.中國農業科學院農田灌溉研究所， 新鄉 453002)

0 引言

土壤蒸發是陸地水文循環的重要組成部分，也是農田土壤水分消耗的重要途經，同時還是導致土壤鹽漬化的重要驅動因素[1-2]。秸稈覆蓋是一種傳統的農業節水技術，是解決干旱-半干旱地區土壤缺水問題的重要舉措[3]。研究秸稈覆蓋條件下的鹽漬化土壤蒸發規律有助于深入理解蒸發在水文循環中的作用，提高土壤蒸發模型的模擬、預測精度，以及揭示秸稈覆蓋對土壤水鹽的調控機制。秸稈覆蓋后，覆蓋層對水汽擴散具有阻滯作用，能夠延緩水分子由土壤向大氣傳輸的速率[4]；同時，覆蓋層還改變了地表反射率、導熱率及粗糙度等參數，對近地層土壤熱力學性質及水分傳輸條件產生影響[5]。

與土壤蒸發計算相關的理論和經驗公式已有諸多報道，如趙鴻雁等[6-7]構建了基于落葉覆蓋厚度和土壤含水率估算土壤累計蒸發量和蒸發強度的數學模型；孫景生等[8]研究指出，玉米棵間土壤相對蒸發強度與表層土壤含水率和作物葉面積指數之間均呈良好的指數函數型關系，灌溉或降雨后2～3 d內土壤蒸發強度較大，受大氣蒸發力影響明顯；鄭鑫等[9]以Ritchie模型為基礎，結合微型蒸滲儀測定結果確定了適宜于東北鹽堿土蒸發的模型參數。此外，研究者還對土壤蒸發過程中的蒸發阻力項進行了計算，指出土壤表面蒸發阻力主要與土壤表層1～2 cm內的土壤含水率有關[10]，同時還受到土壤質地、持水特征、溫度等因素影響[11-14]。然而，上述經驗公式大多是在特定的氣候條件下獲得的，其適用條件及模型參數還有待于驗證。

目前，秸稈覆蓋條件下土壤蒸發模擬、蒸發阻力確定等相關研究已有報道[15-16]，但這些研究多是針對特定覆蓋材料的尺寸、厚度及用量等因素獲得的，不同秸稈覆蓋量條件下的秸稈覆蓋阻力變化規律及蒸發模擬研究卻鮮有報道。本文研究不同秸稈覆蓋量條件下土壤蒸發特性，對現有土壤表面蒸發阻力模型進行模擬篩選，旨在確定適宜的土壤表面蒸發阻力模型和秸稈覆蓋阻力模型，為覆蓋條件下土壤蒸發模擬預測及制定合理的農業水分管理策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自濱州市無棣縣“渤海糧倉”科技示范區(37°17′～38°3′N，117°42′～118°4′E)0～40 cm土層，土壤含鹽量為3g/kg，主要以NaCl為主，占總含鹽量的70%～80%。采樣區屬于溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫為12.3℃，降雨量為586 mm，蒸發量為1 800 mm；其中，6—9月降雨量約占全年總降雨量的70%。通過吸管法測定土壤各粒級相對含量(表1)，粘粒(粒徑0～0.002 mm)相對含量為10.75%，粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)相對含量為54.92%，沙粒(粒徑大于0.05 mm)相對含量為34.33%；土壤質地為粘質壤土(美國制)。本試驗中覆蓋材料為剪碎的0.5～1 cm小麥秸稈。

表1 試驗土壤顆粒組成Tab.1 Mechanical composition of experimental soil

1.2 試驗設計

本試驗采用航空塑料杯(容積230 mL，杯高80 mm，上口直徑70 mm，下口直徑50 mm)，2個塑料杯為一套裝置(圖1a)，上杯底部用電鉆均勻打孔(孔徑1 mm)，下杯完好嵌套上杯。上杯底部均勻鋪設20 g粒徑為2 mm的石英砂(約5 mm厚)，石英砂上裝230 g風干土壤(容重為1.3 g/cm3)，上杯頂部預留0.5 cm高空間以覆蓋秸稈，秸稈量按照0、0.3、0.6、0.9、1.2 kg/m2(分別表示為CK、S1、S2、S3、S4)鋪設，每個處理重復20次。試驗時間為2019年12月28日—2020年1月9日共計14 d。試驗在山東農業大學水利土木工程實驗中心大廳完成，試驗期間室內溫度為13～18℃。

圖1 試驗裝置及試驗布置示意圖Fig.1 Schematic of test device and test layout

1.3 試驗流程

為了使每個處理土壤樣品鹽分濃度一致，試驗開始前，向每一套裝置中加預先配置好的5 g/L NaCl溶液180 mL(灌水前土壤上方鋪設濾紙，以免加水沖坑)，入滲過程中及時倒掉下杯搜集的液體，靜置24 h后，按設計用量覆蓋秸稈，秸稈覆蓋后，用手輕輕按壓秸稈，力求各處理間秸稈壓實度保持一致。為避免不同處理間溫濕度相互干擾，用高為50 cm的泡沫板隔開，試驗布置示意圖如圖1b所示。每個處理選擇最后3組裝置稱量，根據前后兩次稱量值計算蒸發量；稱量的同時，用紅外測溫儀(Testo型，德國)測定各處理表層溫度，用空氣溫濕度、風速儀(Testo-608型，德國)測定每個裝置上方15 cm處溫度、相對濕度和風速；此外，通過破壞性取樣測定0～1 cm土壤質量含水率θs。上述指標均按照先密后疏的原則測定，其中土壤蒸發量和土壤質量含水率θs前期每4～8 h取樣一次，后期每12～24 h取樣一次；溫度、相對濕度和風速前期每2 h監測一次，后期每4 h監測一次。土壤質量含水率θs由干燥法測定。

1.4 數據處理

1.4.1土壤蒸發強度

參照YAMANAKA等[17]研究結果，土壤蒸發強度計算式為

(1)

(2)

(3)

式中E——土面蒸發量，mm/min

qvs——土壤表面空氣濕度，kg/m3

qva——空氣濕度，kg/m3

rt——土壤總蒸發阻力，s/m

ra——空氣動力學阻力，s/m

rs——土壤表面蒸發阻力，s/m

rm——秸稈覆蓋阻力，s/m

Ts——土壤表面溫度，℃

R——宇宙氣體常數，J/(mol·K)

φ——土壤表面水勢，m

g——重力加速度，m/s2

Ta——空氣溫度，℃

RH——空氣相對濕度，%

Z——測定風速u的參考高度，m

Z0——地表的粗糙度，m

u——參考高度的平均風速，m/s

K——Karman常數，取0.41

rs的計算公式見表2；覆蓋條件下rm計算見2.6節，若無覆蓋，則rm=0。參照翁篤鳴等[18]研究結果，本文中CK、S1、S2、S3、S4粗糙度分別取0.01、0.013、0.015、0.017、0.019 m。

表2 土壤表面蒸發阻力計算公式Tab.2 Soil surface evaporation resistance calculation formula

1.4.2土壤蒸發阻力

參考國內外與土壤表面蒸發阻力相關的公式，當前土壤表面蒸發阻力公式見表2。

1.4.3模擬效果評價

以納什效率系數(NS)、均方根誤差(RMSE)、平均相對誤差(MAE)評價模擬值與實測值吻合程度，評價模擬效果。NS越大，RMSE、MAE越小，模擬效果越好。采用Excel 和SPSS 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 表層0～1 cm土壤含水率隨時間的變化

各處理表層0～1 cm土壤含水率隨時間的變化趨勢基本一致，均隨時間的延長呈指數型遞減趨勢(圖2)，達到極顯著負相關水平(p<0.01)。除S3處理擬合曲線的決定系數R2略低外，其余處理擬合曲線的決定系數R2均高于0.9。同一時刻，秸稈覆蓋量較大的處理，表層土壤含水率較大。從圖中還可以看出，CK、S1、S2、S3、S4最大含水率依次為39.12%、51.50%、51.64%、47.08%、48.68%。

2.2 土壤蒸發強度隨土壤含水率的變化

結合2.1節分析結果，計算了各處理不同時間實測蒸發強度下對應的土壤含水率，并建立不同處理土壤蒸發強度與含水率的關系(圖3)，可見，各處理土壤蒸發強度隨土壤含水率的增加呈指數型遞增趨勢(p<0.01)，CK、S1、S3處理擬合曲線決定系數R2分別為0.897 4、0.806 3、0.723 9；S2和S4處理擬合曲線決定系數相對較低，分別為0.281 7和0.424 7。

2.3 土壤累計蒸發量隨含水率的變化

試驗期間，各處理土壤累計蒸發量隨含水率的

變化均呈極顯著(p<0.01)負相關關系，累計蒸發量隨土壤含水率的降低呈線性遞增的趨勢(圖4)，各處理擬合直線的決定系數均大于0.9。試驗期間，CK、S1、S2、S3、S4土壤累計蒸發量分別為17.79、20.30、14.22、14.57、10.27 mm。

2.4 土壤平均含水率、蒸發強度、累計蒸發量隨秸稈覆蓋量的變化

圖5反映了試驗期間秸稈覆蓋量與平均土壤含水率、平均土壤蒸發強度及累計蒸發量的關系。由圖可知，平均土壤含水率隨秸稈覆蓋量的增加呈線性遞增趨勢，擬合方程為y=10.776x+26.333，達極顯著水平(R2=0.742 3，p<0.01)；平均土壤蒸發強度隨秸稈覆蓋量的增加呈線性遞減趨勢，擬合方程為y=-0.737 8x+1.732 6，未達到顯著性水平(R2=0.678 1，p=0.146 9)；土壤累計蒸發量隨秸稈覆蓋量的增加亦呈線性遞減趨勢，擬合方程為y=-6.920 9x+19.582，達極顯著水平(R2=0.742 2，p<0.01)。

圖3 土壤蒸發強度與表層 0～1 cm土壤含水率關系Fig.3 Relationships between soil evaporation rate and surface moisture of 0～1 cm depth

圖4 土壤累計蒸發量與表層 0～1 cm土壤含水率關系Fig.4 Relationships between cumulative soil evaporation and surface moisture of 0～1 cm depth

圖5 秸稈覆蓋量與平均土壤含水率、土壤蒸發強度及累計蒸發量的關系Fig.5 Relationships between straw coverage amount and soil moisture, soil evaporation rate and cumulative evaporation

2.5 無覆蓋條件下土壤表面蒸發阻力公式確定

利用表2的6個土壤蒸發阻力公式，分別計算了無覆蓋模式下土壤蒸發量，并統計分析了不同計算公式下土壤蒸發量計算值與實際值的關系，結果見表3。根據計算蒸發量與實測蒸發量擬合直線的斜率k及決定系數R2可知，公式1、3、5、6的計算蒸發結果與實測蒸發結果基本吻合，綜合考慮NS系數、RMSE和MAE等指標可知，公式3計算蒸發量與實測蒸發量的NS系數最大，MAE最低，總體模擬效果較好。因此，推薦使用公式3作為無覆蓋條件下土壤表面蒸發阻力計算公式。

表3 無覆蓋條件下不同土壤表面蒸發阻力公式計算蒸發量與實測蒸發量結果Tab.3 Statistics of different soil surface evaporation resistance formulas for calculated evaporation and measured evaporation results under uncovered conditions

2.6 秸稈覆蓋條件下覆蓋阻力計算

2.7 秸稈覆蓋條件下計算土壤蒸發量與實測土壤蒸發量對比

圖8為秸稈覆蓋條件下計算土壤蒸發量與實測土壤蒸發量，計算土壤蒸發量與實測土壤蒸發量的RMSE為4.18×10-4mm/min、MAE為3.85×10-5mm/min、NS為0.90，擬合直線斜率k為0.926，接近1，計算的土壤蒸發量與實際測量的土壤蒸發量數值相接近，表明所建立的秸稈覆蓋阻力計算公式可用于秸稈覆蓋條件下土壤蒸發量的計算。

圖6 不同處理蒸發阻力隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curves of evaporation resistance during experimental time for different treatments

圖7 平均秸稈覆蓋阻力與秸稈覆蓋量的關系Fig.7 Relationship between average coverage resistance and straw amount

圖8 秸稈覆蓋條件下計算土壤蒸發量與實測土壤蒸發量的關系Fig.8 Relationship between calculated soil surface evaporation and measured soil surface evaporation under straw coverage

3 討論

土壤水分蒸發即土壤水由液態轉變為氣態脫離土體的過程，通?？捎烧舭l強度表示，其結果是降低土壤含水率；土壤蒸發同時受土壤自身及外部環境共同作用[1,22]。本研究中，表層土壤含水率隨時間的延長而顯著呈指數型遞減趨勢，結果與高鵬程等[23]研究一致；秸稈覆蓋處理(S1～S4)表層初始含水率顯著高于對照處理(CK)，原因可能是加水后各處理靜置24 h，靜置蒸發過程中水汽在覆蓋的秸稈層內凝結，經取土擾動重新回落至地表所致；此外，取土過程中雖已去除表層秸稈，但土壤中仍殘留少量秸稈葉片，殘留葉片含水率較高亦是引起表層土壤含水率高的原因之一。一般而言，土壤蒸發可分為穩定蒸發和蒸發強度遞減兩個階段。其中，穩定蒸發階段土壤含水率相對較高，土壤蒸發強度主要受環境因素影響；蒸發強度遞減階段土壤蒸發強度主要受土壤供水能力(自身含水率)影響[1,8,23]。本研究中，試驗開始前，為了使各處理土壤水分分布一致，所有樣品靜置了24 h，試驗開始后土壤蒸發強度隨著表層土壤含水率的降低而呈指數型減小，結果與高鵬程等[23]研究結果基本一致。由圖3可以看出，S2和S4處理土壤蒸發強度整體均低于其余各處理，原因可能是試驗過程中S2和S4處理所處位置風速較小，不利于蒸發。此外，從圖3還可以看出，秸稈覆蓋處理(S1～S4)的蒸發強度在最大表層土壤含水率附近時變化幅度較大，與土壤含水率無明顯關系，其原因可能與此階段土壤含水率相對較高，土壤蒸發主要受環境因素影響有關。秸稈覆蓋具有較好的保水、抑蒸效果[16,23]，本研究表明，秸稈覆蓋量較大的處理，表層土壤含水率較大，蒸發強度和累計蒸發量則隨秸稈覆蓋量的增加呈線性降低趨勢，這與孫博等[24]研究一致。

本文試驗是在室內完成的，試驗期間土壤含水率相對較高，模擬的蒸發也是在含水率相對較高時的結果，有關低土壤含水率條件下的秸稈覆蓋阻力以及土壤鹽分對蒸發的影響還有待于進一步研究。此外，由于試驗儀器材料、規格及環境等因素限制，本文測定結果與模擬結果有一定差異，但秸稈覆蓋阻力推算方法及思路可為土壤蒸發模擬和預測研究提供參考。

4 結束語

秸稈覆蓋量較大的處理表層土壤含水率較大，且表層土壤含水率隨時間呈極顯著(p<0.01)指數型遞減趨勢；秸稈覆蓋抑制了土壤蒸發強度，并降低了土壤累計蒸發量。隨著含水率的降低，土壤蒸發強度呈極顯著(p<0.01)指數型降低趨勢，土壤累計蒸發量呈極顯著(p<0.01)線性遞增趨勢。結合試驗結果，本研究推薦使用表2中的公式3作為無覆蓋條件下土壤表面蒸發阻力計算公式，以此公式為基礎得出，秸稈覆蓋阻力隨秸稈覆蓋量的增加而增加，且同一秸稈覆蓋量條件下，秸稈覆蓋阻力基本不變。以水汽擴散理論為基礎，結合土壤表面蒸發阻力和秸稈覆蓋阻力計算的土壤蒸發強度與實測蒸發強度結果相一致，本研究建立的秸稈覆蓋阻力模型可用于土壤蒸發強度的模擬和預測。