西北干旱區(qū)農(nóng)田土壤蒸發(fā)量及影響因子分析

吳友杰，杜太生

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心，北京 100083）

0 引 言

土壤蒸發(fā)作為水分循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素，是水量平衡與熱量平衡的重要組成因素，在水文氣象中扮演著十分重要的角色，對(duì)土壤-植物-大氣連續(xù)體（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）水分循環(huán)和水資源評(píng)價(jià)與管理等具有重要的研究意義[1-2]。土壤蒸發(fā)長(zhǎng)期以來(lái)受到人們的關(guān)注。在干旱半干旱地區(qū)，水分不斷散失會(huì)影響種子的發(fā)芽和出苗，往往是作物產(chǎn)量的重要限制因子。為減少土壤蒸發(fā)損失，保證種子的發(fā)芽和出苗率以及提高作物水分利用率和產(chǎn)量，干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田廣泛利用了覆膜技術(shù)。目前，農(nóng)田覆膜已成為廣泛采用的農(nóng)藝措施[3-4]。作為一種特殊的覆蓋方式，塑料薄膜覆蓋直接影響土壤溫度、土壤水分和土表微氣候環(huán)境，通過(guò)保溫保墑促進(jìn)作物播種出苗和生長(zhǎng)發(fā)育[5-6]。

相對(duì)于大型蒸滲儀和水量平衡法等方法，微型蒸滲儀（micro-lysimeter）操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)短且經(jīng)濟(jì)有效，是一種簡(jiǎn)單有效的方法，已被廣泛應(yīng)用于直接測(cè)量土壤蒸發(fā)量[7-9]。然而，目前微型蒸滲儀在制作和使用過(guò)程中仍存在一些爭(zhēng)議，如微型蒸滲儀適用的尺寸大?。趶胶透叨龋﹩?wèn)題[10-11]，底部處理問(wèn)題（封底與不封底等）[10,12]，底部所用材料（鐵皮和紗網(wǎng)等）問(wèn)題等。此外，在覆膜條件下，土壤蒸發(fā)過(guò)程復(fù)雜，包括蒸發(fā)水汽粘附于膜下形成凝結(jié)水，凝結(jié)水經(jīng)二次蒸發(fā)后水汽從膜孔和膜縫擴(kuò)散到大氣中，使用微型蒸滲儀測(cè)定膜下土壤蒸發(fā)的問(wèn)題更有待深入探討[3]。雖然在覆膜條件下土壤蒸發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒸騰所占比例，但它是不可忽略的，尤其是相對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的累積來(lái)說(shuō)，膜下蒸發(fā)更應(yīng)該引起重視。針對(duì)農(nóng)田土壤蒸發(fā)的估算和其運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析已有一些研究，傳統(tǒng)的研究方法有蒸滲儀法[8-9,13-15]，微氣象法[16]，遙感法[17]以及水文模型估算法[6,18]。每種方法都有其局限性，如時(shí)空尺度局限性、耗時(shí)費(fèi)力以及設(shè)備的誤差和不確定性等。另外，覆膜條件下的土壤蒸發(fā)過(guò)程復(fù)雜，包括了蒸發(fā)水汽粘附于膜下形成凝結(jié)水，凝結(jié)水經(jīng)二次蒸發(fā)后水汽從膜孔和膜縫擴(kuò)散到大氣中，其水分傳輸和轉(zhuǎn)化機(jī)制難以用傳統(tǒng)的方法定量研究[3]。因此，定量化研究農(nóng)田裸土、覆膜條件下土壤蒸發(fā)具有重要的意義。

本研究嘗試應(yīng)用多種微型蒸滲儀方法對(duì)裸土和覆膜條件下的土壤蒸發(fā)進(jìn)行測(cè)定和比較，明晰其適用性，并采用水量平衡原理結(jié)合莖流計(jì)的方法測(cè)算蒸發(fā)量對(duì)微型蒸滲儀法進(jìn)行校對(duì)和驗(yàn)證。此外，采用偏最小二乘法研究土壤、氣象等屬性指標(biāo)對(duì)土壤蒸發(fā)量的影響進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2014年4月至2015年10月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站進(jìn)行（37°52'N，102°51'E）。試驗(yàn)區(qū)常年干旱，蒸發(fā)量大，水面蒸發(fā)量大于2 000 mm，日照時(shí)間長(zhǎng)，年均日照時(shí)數(shù)在3 000 h以上，多年平均降雨量?jī)H164.4 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為壤土和砂壤土，表層壤土的干容重和田間持水量均值分別為 1.51 g/cm3和0.28 cm3/cm3[19]。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)小區(qū)分布于試驗(yàn)站玉米農(nóng)田內(nèi)，為增加地溫，減少棵間蒸發(fā)，保證出苗率，試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田采用白色聚乙烯塑料薄膜覆蓋，膜寬140 cm、厚0.005 mm。玉米于4月中旬播種，9月下旬收獲，其生長(zhǎng)期可大致劃分為前期（播種至6月下旬），中期（6月下旬至8月上旬）和后期（8月上旬至收獲）。

1.2.1 微型蒸滲儀方法

土壤蒸發(fā)采用微型蒸滲儀測(cè)定。微型蒸滲儀由 PVC管材料制成，由內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)筒直徑和高度為 10和20 cm，外筒直徑和高度為11和20 cm。外筒被固定在裸土中，表面與土壤齊平，內(nèi)筒取原狀土。

布置田間覆膜試驗(yàn)前，選擇一塊裸地對(duì)微型蒸滲儀展開(kāi)裸土試驗(yàn)，采用4種處理方式：1）用濾紙和紗網(wǎng)處理蒸滲儀底部，確保水分和熱量均可以自由傳輸，記為“不封底微型蒸滲儀”；2）采用鐵片和塑料薄膜封底，阻止桶內(nèi)和桶外土壤水分的相互交換，同時(shí)可以確保熱量的傳遞，記為“封底微型蒸滲儀”；3）選取一部分蒸滲儀進(jìn)行5 d一次的更換新土，記為“換土微型蒸滲儀”；4）另外選取一部分蒸滲儀不換土，記為“不換土微型蒸滲儀”，但在每次降雨和灌溉后對(duì)所有微型蒸滲儀進(jìn)行換土，如表1所示。各種處理的微型蒸滲儀設(shè)3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)分布于玉米農(nóng)田內(nèi)，每天19:00用精度0.1 g的天平秤量一次以計(jì)算每日蒸發(fā)量。對(duì)蒸發(fā)日變化進(jìn)行測(cè)定，日間每小時(shí)對(duì)微型土壤蒸滲儀稱量一次。灌溉和降雨時(shí)段內(nèi)無(wú)測(cè)量數(shù)據(jù)。每日（或小時(shí)）土壤蒸發(fā)量根據(jù)下式計(jì)算

式中E為土壤每日（或小時(shí)）蒸發(fā)量，mm/d或mm/h；S為微型蒸滲儀蒸發(fā)面積，cm2；ΔMi為蒸滲儀每日（或小時(shí)）質(zhì)量變化量，g；N為微型蒸滲儀總個(gè)數(shù)。

裸土試驗(yàn)結(jié)束后，選取最優(yōu)的微型蒸滲儀對(duì)農(nóng)田覆膜條件下的土壤蒸發(fā)測(cè)定展開(kāi)試驗(yàn)，嘗試使用 3種處理微型蒸滲儀的方法對(duì)進(jìn)行測(cè)定。第一種為蒸滲儀表面不覆膜（E（LB）），即表面為裸土；第二種為蒸滲儀表面覆膜（E（LM））并開(kāi)小孔，其開(kāi)孔率（Hole Rate，HR）亦即塑料薄膜的破損率，其值為裸露土體的表面積與總面積的比值，與試驗(yàn)田的覆膜破損率保持一致；第三種為蒸滲儀表面不覆膜但將其測(cè)量結(jié)果乘以開(kāi)孔率（E（LB×HR））。試驗(yàn)初期，玉米農(nóng)田放苗孔的開(kāi)孔率較為穩(wěn)定，因?yàn)椴シN時(shí)所采用的播種機(jī)口徑為 3.0 cm，株距和行距分別為18和50 cm，HR約為0.5%。試驗(yàn)過(guò)程中，由于人為活動(dòng)和其他一些因素（如風(fēng)和雜草等）的影響，試驗(yàn)區(qū)覆膜會(huì)受到不同程度的破損，因此本研究每隔約兩周時(shí)間對(duì)覆膜的破損率進(jìn)行一次估算，用相機(jī)采集照片后應(yīng)用Photoshop軟件對(duì)照片進(jìn)行處理并估算。此外，為驗(yàn)證Photoshop計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用網(wǎng)格法進(jìn)行局部采樣校正。田間試驗(yàn)的具體方法描述見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法描述Table 1 Experimental design and method description

1.2.2 莖流計(jì)結(jié)合水量平衡方法E（F-B）

大量研究表明采用常規(guī)的水量平衡法計(jì)算蒸發(fā)蒸騰量（ET）結(jié)合莖流計(jì)測(cè)定植物蒸騰量（T）的方法估算土壤蒸發(fā)量（E=ET-T）是相對(duì)準(zhǔn)確可行的[19-22]。本研究采用莖流計(jì)結(jié)合水量平衡方法E（F-B）對(duì)微型蒸滲儀法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析（E=ET-T），需采用Flow32-1K包裹式莖流系統(tǒng)（Dynamax，Houston，TX，USA）對(duì)玉米莖液流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其原理是利用熱量平衡法，通過(guò)測(cè)量莖內(nèi)水分運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的熱量變化，確定植物莖液流和植物的水分消耗[23]。每套Flow32-1K系統(tǒng)有8個(gè)包裹式傳感器，隨玉米莖粗的增大選用的傳 感器型號(hào)也隨之改變，一般選用SGB16、SGB19和SGB25這3種規(guī)格。安裝包裹式莖流系統(tǒng)均在玉米拔節(jié)后期或抽穗前期進(jìn)行，在試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選取 8株玉米進(jìn)行測(cè)定（根據(jù)實(shí)際情況可適當(dāng)?shù)馗鼡Q植株）。莖流數(shù)據(jù)采集間隔為1 min，每15 min計(jì)算一次平均值并存儲(chǔ)。為防止連續(xù)加熱對(duì)植株造成傷害，每隔10 d左右將傳感器卸下，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)。

采用水量平衡法計(jì)算玉米作物蒸發(fā)蒸騰量（ET，mm），方程如下[8,20]：

式中P為計(jì)算周期內(nèi)的總降水量；I為總的灌水量；Q為地下水補(bǔ)給量；R為地表徑流量；D為滲漏量；Wt0和Wt1分別代表在t0和t1時(shí)刻0～100 cm的土壤水存儲(chǔ)量，由水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)ECH2O（Decagon Devices，Inc.，Pullman，WA，USA）測(cè)定計(jì)算獲得。以上各分量的單位均為mm。

由于試驗(yàn)區(qū)降雨強(qiáng)度一般很小，試驗(yàn)期間最大次降雨量為23.2 mm，最大的灌水量為56 mm。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，下雨和灌溉會(huì)有積水但不會(huì)存在徑流；經(jīng)分析土壤水分動(dòng)態(tài)變化情況，灌水后水分入滲最大深度 75～80 cm，灌水前后埋設(shè)于90 cm深度的水分傳感器未見(jiàn)明顯變化，因此，在計(jì)算深度100 cm（根系活動(dòng)層內(nèi)）內(nèi)不存在滲漏。此外，地下水埋藏深度較深（約30 m），前人通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)該地地下水補(bǔ)給量約為 0，可忽略[22-23]。因此，水量平衡方程可以簡(jiǎn)化為：

1.2.3 影響因子分析

為深入分析影響土壤蒸發(fā)的主要影響因子，試驗(yàn)測(cè)定了土壤表層土壤含水量（Soil Water Content，SWC）、土壤溫度（Temperature，Temp）、玉米葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）、太陽(yáng)輻射（Solar Radiation, SR）、空氣相對(duì)濕度（Relative Humidity, RH）等。其中SWC和Temp采用ECH2O土壤水分測(cè)定系統(tǒng)（Decagon Devices，Inc.，Pullman，WA，USA）進(jìn)行測(cè)定；采用卷尺測(cè)量玉米葉面積，測(cè)量每片葉完全展開(kāi)的長(zhǎng)和寬，單葉葉面積=長(zhǎng)×寬×0.74[22]，葉面積指數(shù)=單株葉面積/該植株所占地表面積；采用自動(dòng)氣象站（Hobo，Onset Computer Crop，USA）連續(xù)監(jiān)測(cè)SR、RH等相關(guān)氣象因子。

利用 XLSTAT 軟件（version 2010.3.06，Addinsoft2010，New York，USA）進(jìn)行偏最小二乘法建模，記為Full_PLS模型。在Full_PLS模型中，根據(jù)各個(gè)自變量的變量投影重要性（Variable Importance in the Projection，VIP）值[24]，對(duì)VIP值小于0.80的自變量進(jìn)行篩選移除,再進(jìn)行回歸，直至回歸模型中自變量的 VIP值均為0.8以上，得到基于VIP值逐步篩選自變量PLS模型（based on VIP for stepwise selection of independent variable PLS model，BSVIP_PLS）。模型的具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程及介紹詳見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。采用該模型綜合評(píng)估以上土壤屬性和氣象指標(biāo)對(duì)土壤蒸發(fā)量的影響。

根據(jù)不同自變量 VIP值計(jì)算各個(gè)自變量對(duì)土壤蒸發(fā)的影響貢獻(xiàn)率，由以下公式計(jì)算[26]：

ET ( )

PIWW

t t

1 0

式中Ci為自變量i對(duì)土壤蒸發(fā)的影響貢獻(xiàn)率，%；VIPi為BSVIP_PLS模型中的自變量i對(duì)土壤蒸發(fā)影響的VIP值；n為BSVIP_PLS模型中自變量的個(gè)數(shù)；r為模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同微型蒸滲儀測(cè)量的裸土蒸發(fā)

大量研究表明，采用微型蒸滲儀直接測(cè)量土壤蒸發(fā)量是相對(duì)精確有效的[7-9]，但微型蒸滲儀的底部處理問(wèn)題仍存在一定的爭(zhēng)議。本研究發(fā)現(xiàn)，封底和不封底微型蒸滲儀的測(cè)量結(jié)果相近（圖 1），兩者擬合的線性關(guān)系為E(不封底)=1.008E(封底)（R2=0.876）。在第 3 天和第 20 天后 2種方法測(cè)定的蒸發(fā)存在一定的差異，主要原因可能是灌溉和降雨的影響，使封底蒸滲儀底部存在積水。在不受降雨和灌溉影響的情況下，微型蒸滲儀內(nèi)外土壤水分交換較少，對(duì)測(cè)量的土壤蒸發(fā)影響較小；同時(shí)亦可說(shuō)明微型蒸滲儀高度 20 cm是合理的設(shè)計(jì)高度，在表層土壤20 cm以下的土壤水分向上傳輸較少。前人對(duì)微型蒸滲儀研究中，通過(guò)對(duì)比分析10、15、20和25 cm高度的蒸滲儀測(cè)量結(jié)果后，推薦使用高度為20 cm的微型蒸滲儀[12,15]，與本研究結(jié)論相似。

圖1 封底和不封底微型蒸滲儀測(cè)定的土壤蒸發(fā)量比較Fig.1 Comparison of soil evaporation determined by micro-lysimeters with and without back cover

相關(guān)研究表明[9,27-28]，在一般情況下，微型蒸滲儀需要3～5 d換一次土以確保測(cè)量精度。然而，試驗(yàn)區(qū)覆膜條件下，若常換土則會(huì)帶來(lái)膜的大量破壞，為減少試驗(yàn)區(qū)覆膜的破壞，本研究對(duì)微型蒸滲儀進(jìn)行一定的改進(jìn)并盡量減少換土次數(shù)。由圖 2可知，換土和不換土微型蒸滲儀測(cè)量的結(jié)果相似，兩者測(cè)定的蒸發(fā)量在第4天和第5天的結(jié)果差異較大，可能的原因是在換土后的土壤空間差異較大，蒸滲儀內(nèi)土壤水分含量與不換土相比存在較大差異。兩者所擬合的線性關(guān)系的R2為0.890（圖2b）。不換土的微型蒸滲儀測(cè)量裸土的土壤蒸發(fā)是可行的，表明本次裸土試驗(yàn)改進(jìn)的“不封底不換土”的微型蒸滲儀測(cè)量裸土蒸發(fā)量是可行的?？梢?jiàn)，在西北干旱地區(qū)，降雨量小而蒸發(fā)量大的條件下測(cè)量裸土的土壤蒸發(fā)，采用不封底（底部紗網(wǎng)）且不換土微型蒸滲儀測(cè)量結(jié)果誤差較小，基于其制作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且壞破性小，因此建議采用。

圖2 換土和不換土微型蒸滲儀測(cè)定的土壤蒸發(fā)量比較Fig.2 Comparison of soil evaporation determined by micro-lysimeters with and without soil replacement

2.2 覆膜條件下農(nóng)田的土壤蒸發(fā)量測(cè)定

為驗(yàn)證 Photoshop計(jì)算農(nóng)田覆膜開(kāi)孔率（HR）的準(zhǔn)確性，采用網(wǎng)格法進(jìn)行局部采樣校正，該方法采用的均一材質(zhì)紗網(wǎng)其面積和質(zhì)量具非常良好的線性關(guān)系，如圖3a所示，通過(guò)在試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)采樣后剪取網(wǎng)格，用分析天平（精度為0.0001g）進(jìn)行稱重，通過(guò)質(zhì)量-面積關(guān)系進(jìn)行換算，即可求得膜的破損度（開(kāi)孔率）。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格法和Photoshop方法所估算的覆膜開(kāi)孔率基本一致，如圖3b所示，兩者的線性方程為y=1.008x（R2=0.9405）。表明，采集照片并用 Photoshop處理分析的方法是可行的。最后結(jié)果顯示，生長(zhǎng)過(guò)程中，膜的開(kāi)孔率變化范圍為0.5%～5.0%。

圖3 網(wǎng)格法和Photoshop方法估算覆膜開(kāi)孔率的比較Fig.3 Comparison of mesh method and Photoshop method in estimating the hole rate

農(nóng)田覆膜條件下采用3種微型蒸滲儀方法（見(jiàn)表1）測(cè)定的土壤蒸發(fā)量如圖 4所示。方法 E（LB×HR）估算的膜下蒸發(fā)量均值為0.06 mm/d，顯著低于由覆膜的微型蒸滲儀E（LM）直接測(cè)量的土壤蒸發(fā)量0.96 mm/d，此外，盡管E（LM）方法中覆膜比例為95.0%～99.5%（相應(yīng)的開(kāi)孔率僅為0.5%～5.0%），但覆膜的微型蒸滲儀直接測(cè)量的土壤蒸發(fā)量仍然較大，未見(jiàn)明顯小于由裸土微型蒸滲儀E（LB）直接測(cè)量的土壤蒸發(fā)量1.24 mm/d。因此說(shuō)明，覆膜條件下盡管膜的覆蓋率很大，但膜下土壤蒸發(fā)水汽經(jīng)膜孔擴(kuò)散到外界的量仍然較大。而傳統(tǒng)的研究方法采用裸土蒸發(fā)量乘以農(nóng)田覆膜開(kāi)孔率（HR）的方法 E（LB×HR）估算的膜下蒸發(fā)量嚴(yán)重偏低。

Li等[8]的研究表明利用覆膜微型蒸滲儀的方法（本研究的E（LB×HR）方法）測(cè)定膜下的土壤蒸發(fā)是可行的，與模型估算和能量平衡方法估算的結(jié)果相似。該研究中，膜的覆蓋比例約為 71%，膜寬 1.1 m，膜與膜之間是0.45 cm寬的裸土，考慮放苗孔在內(nèi)，農(nóng)田的裸土比例約為 30%，所以用微型蒸滲儀測(cè)量的蒸發(fā)量乘以裸土比例即為農(nóng)田土壤蒸發(fā)量，結(jié)果約為0.2～0.8 mm/d，小于本研究E（LM）方法所估算的結(jié)果0.6～1.3 mm/d，而大于E（LB×HR）方法所估算的結(jié)果0.05～0.08 mm/d。造成這些差異的原因可能主要來(lái)源于薄膜的覆蓋方式不同，本研究采用地表全覆蓋模式，而 Li等[8]采用間隔性覆蓋模式，此外，按覆膜比例的折算方法（E（LB×HR）估算膜孔蒸發(fā)量可能很大程度低于真實(shí)值。

對(duì)于蒸發(fā)日變化（圖4a），在早上和晚上E（LM）方法估算的蒸發(fā)量比 E（LB）大。很可能是因?yàn)樵诟材で闆r下膜下凝結(jié)水補(bǔ)給到表層土壤，使早晨表層土壤保持較高的含水量，午后，膜下的土壤表層溫度大于裸土溫度，蒸發(fā)強(qiáng)度較大。此結(jié)果與Zhao等[9]采用微型蒸滲儀測(cè)定葡萄園裸土蒸發(fā)日變化分布趨勢(shì)相似。對(duì)于蒸發(fā)的生長(zhǎng)期變化（圖4b），由E（LM）和E（LB）方法估算的蒸發(fā)量可知，生長(zhǎng)前期，日均蒸發(fā)量為 1.33～1.45 mm/d，是因?yàn)橛衩咨L(zhǎng)前期葉面積指數(shù)小，太陽(yáng)直射地表導(dǎo)致蒸發(fā)較大；到生長(zhǎng)中期，隨葉面積指數(shù)增大，蒸發(fā)減小，平均值為0.69～1.12 mm/d，E（LM）與E（LB）方法估算的蒸發(fā)量出現(xiàn)了較大差異，可能的原因是葉面積指數(shù)增大使蒸滲儀接收到的太陽(yáng)輻射減少，表面覆膜開(kāi)孔的微型蒸滲儀中，由蒸發(fā)拉力作用而提升到膜下形成凝結(jié)水減少，進(jìn)而從膜孔擴(kuò)散到外界的水分減少，導(dǎo)致與 E（LB）的蒸發(fā)量差異變大。到生長(zhǎng)后期，蒸發(fā)量略大，平均值為0.85～1.13 mm/d。應(yīng)用E（LM）與E（LB）方法估算玉米生長(zhǎng)前期的覆膜和裸土蒸發(fā)量差距不大，可能原因是盡管E（LM）方法所用的微型蒸滲儀表面覆膜開(kāi)孔，但玉米生長(zhǎng)期內(nèi)較多的膜下凝結(jié)水返回到土壤表層，使其土壤含水量較裸土含水量大，從而蒸發(fā)量大。

圖4 3種微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)日變化和生長(zhǎng)期變化Fig.4 Daily and growth period variations of soil evaporation determined by three micro-lysimeter methods

圖5為覆膜條件下3種微型蒸滲儀和基于莖流計(jì)-水量平衡方法測(cè)定的覆膜條件下的土壤蒸發(fā)量變化情況，總體上 E（LB）方法測(cè)定的土壤蒸發(fā)較高，生長(zhǎng)期平均值為1.24 mm/d；而E（LB×HR）估算的膜下土壤蒸發(fā)量最小，每日蒸發(fā)趨近于0，不能反映實(shí)際情況，也說(shuō)明以往認(rèn)為農(nóng)田覆膜條件下蒸發(fā)量可忽略的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。如圖5中基于莖流計(jì)-水量平衡方法E（F-B）所測(cè)量的蒸發(fā)量，可知覆膜條件下蒸發(fā)量依然較大，均值為1.02 mm/d。介于E（LB）和E（LM）方法所測(cè)定的蒸發(fā)之間，E（LM）所測(cè)定的蒸發(fā)均值為0.96 mm/d。說(shuō)明了雖然農(nóng)田覆膜，但土壤蒸量依然較大，不可忽略，而采用各種微型蒸滲儀直接測(cè)定的蒸發(fā)量存在一定偏差。Wu等[19]2017年采用穩(wěn)定同位素方法結(jié)合瑞利（Rayleigh）分餾原理估算農(nóng)田覆膜條件下的土壤蒸發(fā)，量化分析了膜下土壤水分發(fā)生蒸發(fā)并形成水汽過(guò)程，發(fā)現(xiàn)72.6%蒸發(fā)水汽在膜下冷凝形成凝結(jié)水，其中70.0%發(fā)生二次蒸發(fā)再次形成水汽擴(kuò)散到外界，平均蒸發(fā)量約為0.80 mm/d，蒸發(fā)比例約為21.2%。覆膜條件下，裸土面積占的比例雖然很小，但土壤蒸發(fā)比例依然較大。

從蒸發(fā)變化情況可以看出，各方法測(cè)量的土壤蒸發(fā)隨時(shí)間變化不十分明顯，在6月下旬至7月中旬期間蒸發(fā)較小，主要原因是該時(shí)期玉米葉面積指數(shù)較大，使地表接收到的太陽(yáng)輻射減少；7月下旬至8月下旬蒸發(fā)量較高，可能主要原因是該時(shí)期溫度較高，同時(shí)由于該時(shí)段農(nóng)田灌溉水量較大使土壤表層水分含量較大，導(dǎo)致蒸發(fā)量大。

圖5 不同方法測(cè)定的土壤蒸發(fā)量隨時(shí)間變化Fig.5 Variations of soil evaporation determined by different micro-lysimeters with time

綜上可知，應(yīng)用微型蒸滲儀測(cè)定裸土土壤蒸發(fā)是可行的，但在覆膜條件下其測(cè)量結(jié)果存在一定偏差，尤其是采用E（LB×HR）方法，測(cè)量結(jié)果偏差較大，E（LM）方法測(cè)量結(jié)果可近似的（略偏低）反映實(shí)際情況。農(nóng)田覆膜后，膜下土壤蒸發(fā)水汽傳輸和轉(zhuǎn)化是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，其水汽凝結(jié)于膜下后經(jīng)二次蒸發(fā)擴(kuò)散到外界的過(guò)程難以用傳統(tǒng)的方法測(cè)定，此外覆膜開(kāi)孔下從膜孔蒸發(fā)的水汽也難以量化[29]。

2.3 土壤蒸發(fā)的影響因子分析

偏最小二乘法（Partial Least Squares，PLS）被應(yīng)用于許多學(xué)科領(lǐng)域，是解決自變量共線性的有效方法。

本研究采用偏最小二乘法探討了對(duì)E（F-B）法所測(cè)定蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6所示?？梢?jiàn)，根據(jù)PLS全模型的 VIP值大小進(jìn)行各自變量逐步篩選，發(fā)現(xiàn)空氣相對(duì)濕度RH的VIP值小于0.8，表明RH對(duì)土壤蒸發(fā)的影響最??；PLS模型的VIP值大于0.8的變量中，其值大小依次為：土壤含水率（SWC）、太陽(yáng)輻射（SR）、葉面積指數(shù)（LAI）、覆膜開(kāi)孔率（HR）、溫度（Temp）。不同影響因素對(duì)土壤蒸發(fā)的影響貢獻(xiàn)率分別為：SWC 23.9%、SR 18.3%、LAI 17.0%、HR 14.5%和Temp 13.9%。

前人通過(guò)試驗(yàn)研究冬小麥農(nóng)田土壤蒸發(fā)及其主要影響因素，發(fā)現(xiàn)的小麥越冬期，影響土壤蒸發(fā)的主要因素是氣象因子；返青期，土壤蒸發(fā)的表層土壤含水量的關(guān)系最為密切；此外小麥的葉面積指數(shù)是影響土壤蒸發(fā)的重要因素[15]。一些研究表明，影響土壤蒸發(fā)的主要因素可分為內(nèi)因和外因兩種，內(nèi)因即土壤特征結(jié)構(gòu)本身，如土壤類(lèi)型、土壤水分含量等，外因即氣象因素如輻射氣溫等，其中內(nèi)因影響最大的為表層土壤水分含量，外因?yàn)檩椛鋄30-34]。其研究結(jié)果與本研究結(jié)果相似，本研究通過(guò)采用偏最小二乘法量化分析得到了不同影響因素對(duì)土壤蒸發(fā)的影響貢獻(xiàn)率，更能有效地明晰影響土壤蒸發(fā)的主要因素，見(jiàn)表2。

圖6 影響因子對(duì)土壤蒸發(fā)的重要性值Fig.6 VIP values of influence factors to soil evaporation

表2 影響因子對(duì)土壤蒸發(fā)的貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution rates of influence factors tosoil evaporation

3 結(jié) 論

本研究采用微型蒸滲儀方法測(cè)定裸土和覆膜條件下玉米農(nóng)田土壤蒸發(fā)量，應(yīng)用莖流計(jì)-水量平衡法（E（F-B））對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并采用偏最小二乘法探討了影響土壤蒸發(fā)的主要因子。具體結(jié)論如下：

1）在西北干旱地區(qū)，降雨量小而蒸發(fā)量大的條件下微型蒸滲儀測(cè)定裸土蒸發(fā)是可行和準(zhǔn)確的，在裸土條件，“封底”微型蒸滲儀和“不封底”微型蒸滲儀以及“換土”蒸滲儀和“不換土”微型蒸滲儀所測(cè)定的土壤蒸發(fā)結(jié)果具有良好的一致性。從制作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且破壞性小角度考慮，建議采用不封底（底部紗網(wǎng)）且不換土微型蒸滲儀。

2）覆膜條件下，采用傳統(tǒng)的“裸土微型蒸滲儀乘以膜孔率”的方法（E（LB×HR））測(cè)量蒸發(fā)顯著偏低，采用“覆膜開(kāi)孔”的微型蒸滲儀法（E（LM））和裸土微型蒸滲儀法 E（LB）測(cè)定的蒸發(fā)量未見(jiàn)顯著差異，但與（E（LB×HR））測(cè)定結(jié)果均存在顯著差異。通過(guò)應(yīng)用莖流計(jì)-水量平衡法（E（F-B））對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的微型蒸滲儀方法測(cè)定覆膜條件下的土壤蒸發(fā)存在一定偏差，E（LM）方法測(cè)量結(jié)果可近似的（略偏低）反應(yīng)實(shí)際情況，蒸發(fā)量約為0.96 mm/d。農(nóng)田覆膜條件下，盡管裸土面積占的比例很?。?.5%～5%），但土壤蒸發(fā)量依然較大，均值為1.02 mm/d。

3）影響農(nóng)田土壤蒸發(fā)的因素主要有土壤含水率、太陽(yáng)輻射、葉面積指數(shù)和覆膜開(kāi)孔率，而影響最大的為土壤含水率和太陽(yáng)輻射，相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為23.9%和18.3%。