紅壤礫石混合介質水分蒸發特性研究

劉大有，費良軍，郝 琨，周念文，馮子娟

(1.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048；2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710000)

土壤水分蒸發是陸地水分循環過程的重要環節，農業水資源研究與陸面蒸發及農田蒸發的分析計算關系密切。然而，由于成土過程和人類活動的影響，土壤中常出現夾雜礫石的土石混合現象[1]，礫石的存在使土壤水分運動通道和孔隙狀況等物理特性發生改變[2]。國內外學者關于碎石對土壤的含水量和水分溶質運移等已有較多研究，王慧芳等[3]通過室外小區模擬降雨試驗，認為碎石可以促進淺層土壤入滲和存儲。相關蒸發研究中，趙丹等[4]利用5種砂石覆蓋度和2個灌水量進行土壤水分蒸發試驗，結果表明:砂石覆蓋抑制蒸發,且抑制作用與砂石覆蓋度有關。土表覆蓋會改變土壤的邊界條件,減少了蒸發面積，阻斷土壤與大氣之間的水分交換通道，可用于農田保墑[5]。當礫石存在于土壤內部則改變土壤孔隙狀況，使水分運動更復雜。朱元駿等[6]進行黃土鈣結石蒸發研究，認為土壤蒸發與鈣結石含量呈負相關關系，且與土壤含水率有關。van Wesemael等[7]研究認為在降雨后土壤表面較濕潤下，碎石與土壤之間的孔隙能夠保持連續的水流上升的蒸發過程，因此可以增大蒸發量。

國內學者關于碎石土壤中入滲、蒸發等影響研究多集中于北方地區，對紅壤地區相關研究較少，因此以紅壤礫石混合介質為研究對象進行蒸發特性試驗研究，可為紅壤土石混合地區內的農田灌溉制度確定，土壤水分預報等提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和礫石

試驗于2019年4月在江西農業大學國土資源與環境學院試驗室進行，供試土壤取自江西省南昌市昌北科技生態園，取土后風干研磨，過2 mm篩備用。土壤初始含水率為12.4%，裝土容重為1.3 g/cm3，土壤質地為壤黏土。在土壤剔除的礫石中保留直徑1～3 cm礫石作為供試材料，礫石表面平滑，具有一般的巖石性質。將礫石表面雜物沖洗干凈，晾曬風干。

1.2 試驗裝置

試驗使用蒸發器為PVC材質柱形圓管，PVC圓管直徑16 cm，高50 cm，壁厚0.4 cm，底部是一個封閉柱形蓋堵頭，其直徑11.6 cm，高3 cm。使用電子秤對土柱稱重，電子秤量程30 kg，精度為1 g。

1.3 試驗方法

(1)

式中：E土為土柱的日蒸發量(mm)；M0為前一天土柱稱重質量(g)；Mt為后一天土柱稱重質量(g)；r為蒸發器半徑(cm)。

1.4 蒸發量計算模型

使用3種公式對累積蒸發量和蒸發時間的關系進行分析，分別是：

(1)Black蒸發模型[8]

Black 蒸發模型適用于蒸發下邊界沒有水分持續供給條件下土壤累積蒸發量隨時間的變化情況，表達式為：

(2)

式中E為累積蒸發量(mm)；t為蒸發歷時(d)；a、b為蒸發參數。

(2)Rose蒸發模型[9]

Rose 蒸發模型形式簡單，蒸發下邊界沒有供水時應用廣泛，表達式為：

(3)

式中：E為累積蒸發量(mm)；t為蒸發歷時(d)；c為穩定蒸發參數；d為水分擴散參數。

(3)冪函數[10]：

E=A·tB

(4)

式中E為累積蒸發量(mm)；t為蒸發歷時(d)；A、B為蒸發參數。

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2010、SPSS 25和Matlab 2018a軟件進行數據處理、繪圖和函數擬合及分析。

2 結果與分析

2.1 礫石含量對累積蒸發量的影響

圖1為不同礫石含量下的累積蒸發量曲線，可以看出，隨著土壤中礫石含量增加，累積蒸發量逐漸增大。相對于無礫石CK，含礫石土壤累積蒸發量在觀測期結束分別增加4.55%、13.24%、22.73%。在蒸發初期階段中，各處理的累積蒸發量接近，無明顯規律。這是因為土壤蒸發是從表層土壤向空氣擴散的，此時鑲嵌于土壤內部的礫石的影響效果不明顯。整個觀測期內，H1由于礫石含量最小，從第5個觀測日后略高于CK。其余處理均明顯高于CK。土體內礫石促進土壤蒸發的原因可能是土壤蒸發初期，土面表層潮濕，含水量大，土壤孔隙內充滿水，使土壤中土粒牢固結合。而礫石作為一個表面相對光滑，透水性差的介質鑲嵌于土壤中，難以與土壤緊密結合，與土壤接觸中在沿礫石邊緣部位產生大孔隙，所以此時礫石的存在相當于增大了土壤內部的孔隙體積和數量，提高了土壤孔性。孔隙在土壤中擔負保水和通氣的功能，大孔隙促進水分上升運動的連續性，因此在一定程度上有利于蒸發。

圖1 不同處理累積蒸發量隨時間變化曲線

為了定量分析存在礫石條件下的土壤累積蒸發量與時間的關系，分別利用Black蒸發模型、Rose蒸發模型和冪函數擬合累積蒸發量與蒸發時間之間的關系，對圖1中不同含量礫石累積蒸發量變化曲線擬合結果見表1。可以看出，三種不同模型均可較好地擬合累積蒸發量與蒸發時間之間的關系，R2均大于0.99，對應的最小R2分別為0.999 0、0.996 7、0.998 3，根據最小決定系數，三種模型中Black蒸發模型擬合效果最優。

選用Black蒸發模型描述累積蒸發量與礫石含量關系，根據表1可知，擬合參數a、b均隨礫石含量增大而遞增，具體表現為：礫石含量從0增大到20%，a從7.329增大到9.376；b從1.906增大到3.848。經分析，蒸發參數a與礫石含量w呈線性關系；參數b與礫石含量w呈二項式關系：

表1 蒸發模型擬合效果分析

a(w)=0.102 2w+7.395 2R2=0.989 7

(5)

b(w)=0.0034w2-0.1594w-2.004 7R2=0.937 6

(6)

將公式(5)和公式(6)代入公式(2)。得礫石含量與累積蒸發量關系模型：

(7)

利用模型(7)驗證礫石含量w=10%的處理，將累積蒸發量的試驗實測值和模型模擬值對比，結果見圖2，實測值和模擬值兩條曲線接近，所有觀測數據實測值和模擬值出現最大誤差為8.91%，模型(7)計算礫石含量10%的擬合系數R2=0.993 5，說明該模型能較好地預測不同礫石含量的紅壤土蒸發量。

圖2 礫石含量10%的實測值與模擬值對比

試驗將土柱看作一個整體研究，而實際中紅壤土與礫石間質量和透水性存在差異，在礫石含量大的處理中土壤質量較小，灌入等量的水導致初始含水率較大，為消除其影響，采用蒸發系數μ，公式為：

(8)

式中：E為累積蒸發量(mm)；I為供水總量(mm)。計算不同處理的蒸發系數見圖3。

圖3 蒸發系數變化

采用蒸發系數以比例形式描述土壤水分損失，圖3表明不同處理加入1 kg水分后土柱水分總蒸發量范圍為25～31 mm，占土壤總水量的50%～63%，說明觀測期內總體蒸發較強，超過一半水分散失。從圖3中還可以看出，隨著礫石含量增加，蒸發系數呈升高趨勢。其中，礫石含量20%的蒸發系數比無礫石大0.115。說明礫石增大土壤蒸發，降低了土壤保水能力。

2.2 蒸發速率變化規律

將觀測期內累積蒸發量以天為單位計算日蒸發量，即土壤水分蒸發速率，如圖4。圖4中蒸發速率的峰值出現在第1個觀測日，各處理日蒸發量均達到最大，但組間無明顯差異，這符合土壤蒸發階段變化規律。蒸發初期，大氣蒸發能力占主導作用，此時土表有充足水分向空氣散失，蒸發速率達到最大。蒸發過程分為穩定蒸發階段、蒸發強度隨土壤含水率降低而減少和水汽擴散三個階段。在第二階段，土壤表面的含水率低，蒸發所需水分從更深層土壤獲取時，土體中礫石影響開始呈現。整個試驗過程蒸發速率隨時間逐漸降低，其中H3在多個觀測日蒸發速率最大，說明礫石含量越大，蒸發速率越大。在第13、14天，各處理蒸發速率最小，而組間差異也達到最小，最后1個觀測日CK～H3蒸發速率分別為0.746、0.796、0.746、0.846 mm，說明礫石對蒸發的促進作用有限，當蒸發歷時長或累積蒸發量較大時，礫石對土壤蒸發的影響減小。

圖4 蒸發速率變化規律

根據圖4曲線趨勢分析得，蒸發速率由大到小變化的過程符合對數函數關系，使用式(9)進行擬合，結果見表2。

表2 蒸發速率擬合結果

Ev=C·lnt+D

(9)

式中：Ev為蒸發速率(mm·d)；t為蒸發歷時(d)；C、D為擬合參數。

由表2可知，蒸發速率和時間擬合決定系數R2均大于0.90，表示對數函數可以較好地描述整個蒸發過程蒸發速率Ev和時間t的變化關系,其中H3擬合參數C、D最大，其余處理擬合參數H2>CK>H1，說明H1和CK蒸發速率相差不大，擬合參數變化規律不明顯。

3 討論

本文通過室內試驗，探究了紅壤土夾雜四種含量的礫石情況下土壤水分蒸發量隨時間變化的過程。研究結果與國內相關研究結果有所不同，如朱元駿[6]研究認為蒸發量隨土壤里的鈣結石質量分數的增加而減少。造成這種結果出現差異的原因可能有兩方面，一方面，朱元駿的試驗在室內干旱箱的條件下進行，蒸發強度大且恒定。隨著蒸發過程進行，土柱表土的含水量下降，土粒間變得疏松，孔隙的數量和體積也增多，使得土壤內部有更多的空間來容納毛細管作用上升來的水分，此時土壤種的礫石反而增加了水流彎曲度，阻礙了水分上升路徑，減少了蒸發面積，從而抑制了蒸發。另一方面，由于紅壤相比黃土具有持水性強的性質，且試驗期屬于南方典型的雨季月份，溫度較低，空氣濕度大，含有礫石的土柱中土壤質量小，初始含水率更高，直至觀測結束淺層土體仍較濕潤。說明土石混合介質的水分運動可能具有兩面性[11]。實際中礫石對土壤蒸發有多個因素影響，不僅需要考慮含量，還有種類、大小、與土壤結合方式、分布狀況等因素，本試驗以礫石含量單一因素為研究對象，在實際應用中，還需要綜合考慮上述因素進一步研究。

4 結語

(1)礫石改變了土壤水分蒸發運動，土壤累積蒸發量隨礫石含量的增大而增大。采用3種模型對累積蒸發量進行擬合，其中Black蒸發模型擬合度最高。

(2)蒸發速率呈先快后慢的趨勢，符合不同蒸發階段變化規律，對數函數可以較好地描述整個蒸發過程蒸發速率和時間的變化關系。