秸秆覆盖条件下滨海土壤蒸发阻力模型研究

孙池涛 邓亚鹏 张俊鹏 孙景生 毛伟兵 孙玉霞

(1.山东农业大学水利土木工程学院， 泰安 271000； 2.农业农村部作物需水与调控重点实验室， 新乡 453002；3.中国农业科学院农田灌溉研究所， 新乡 453002)

0 引言

土壤蒸发是陆地水文循环的重要组成部分，也是农田土壤水分消耗的重要途经，同时还是导致土壤盐渍化的重要驱动因素[1-2]。秸秆覆盖是一种传统的农业节水技术，是解决干旱-半干旱地区土壤缺水问题的重要举措[3]。研究秸秆覆盖条件下的盐渍化土壤蒸发规律有助于深入理解蒸发在水文循环中的作用，提高土壤蒸发模型的模拟、预测精度，以及揭示秸秆覆盖对土壤水盐的调控机制。秸秆覆盖后，覆盖层对水汽扩散具有阻滞作用，能够延缓水分子由土壤向大气传输的速率[4]；同时，覆盖层还改变了地表反射率、导热率及粗糙度等参数，对近地层土壤热力学性质及水分传输条件产生影响[5]。

与土壤蒸发计算相关的理论和经验公式已有诸多报道，如赵鸿雁等[6-7]构建了基于落叶覆盖厚度和土壤含水率估算土壤累计蒸发量和蒸发强度的数学模型；孙景生等[8]研究指出，玉米棵间土壤相对蒸发强度与表层土壤含水率和作物叶面积指数之间均呈良好的指数函数型关系，灌溉或降雨后2～3 d内土壤蒸发强度较大，受大气蒸发力影响明显；郑鑫等[9]以Ritchie模型为基础，结合微型蒸渗仪测定结果确定了适宜于东北盐碱土蒸发的模型参数。此外，研究者还对土壤蒸发过程中的蒸发阻力项进行了计算，指出土壤表面蒸发阻力主要与土壤表层1～2 cm内的土壤含水率有关[10]，同时还受到土壤质地、持水特征、温度等因素影响[11-14]。然而，上述经验公式大多是在特定的气候条件下获得的，其适用条件及模型参数还有待于验证。

目前，秸秆覆盖条件下土壤蒸发模拟、蒸发阻力确定等相关研究已有报道[15-16]，但这些研究多是针对特定覆盖材料的尺寸、厚度及用量等因素获得的，不同秸秆覆盖量条件下的秸秆覆盖阻力变化规律及蒸发模拟研究却鲜有报道。本文研究不同秸秆覆盖量条件下土壤蒸发特性，对现有土壤表面蒸发阻力模型进行模拟筛选，旨在确定适宜的土壤表面蒸发阻力模型和秸秆覆盖阻力模型，为覆盖条件下土壤蒸发模拟预测及制定合理的农业水分管理策略提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤取自滨州市无棣县“渤海粮仓”科技示范区(37°17′～38°3′N，117°42′～118°4′E)0～40 cm土层，土壤含盐量为3g/kg，主要以NaCl为主，占总含盐量的70%～80%。采样区属于温带大陆性季风气候，多年平均气温为12.3℃，降雨量为586 mm，蒸发量为1 800 mm；其中，6—9月降雨量约占全年总降雨量的70%。通过吸管法测定土壤各粒级相对含量(表1)，粘粒(粒径0～0.002 mm)相对含量为10.75%，粉粒(粒径0.002～0.05 mm)相对含量为54.92%，沙粒(粒径大于0.05 mm)相对含量为34.33%；土壤质地为粘质壤土(美国制)。本试验中覆盖材料为剪碎的0.5～1 cm小麦秸秆。

表1 试验土壤颗粒组成Tab.1 Mechanical composition of experimental soil

1.2 试验设计

本试验采用航空塑料杯(容积230 mL，杯高80 mm，上口直径70 mm，下口直径50 mm)，2个塑料杯为一套装置(图1a)，上杯底部用电钻均匀打孔(孔径1 mm)，下杯完好嵌套上杯。上杯底部均匀铺设20 g粒径为2 mm的石英砂(约5 mm厚)，石英砂上装230 g风干土壤(容重为1.3 g/cm3)，上杯顶部预留0.5 cm高空间以覆盖秸秆，秸秆量按照0、0.3、0.6、0.9、1.2 kg/m2(分别表示为CK、S1、S2、S3、S4)铺设，每个处理重复20次。试验时间为2019年12月28日—2020年1月9日共计14 d。试验在山东农业大学水利土木工程实验中心大厅完成，试验期间室内温度为13～18℃。

图1 试验装置及试验布置示意图Fig.1 Schematic of test device and test layout

1.3 试验流程

为了使每个处理土壤样品盐分浓度一致，试验开始前，向每一套装置中加预先配置好的5 g/L NaCl溶液180 mL(灌水前土壤上方铺设滤纸，以免加水冲坑)，入渗过程中及时倒掉下杯搜集的液体，静置24 h后，按设计用量覆盖秸秆，秸秆覆盖后，用手轻轻按压秸秆，力求各处理间秸秆压实度保持一致。为避免不同处理间温湿度相互干扰，用高为50 cm的泡沫板隔开，试验布置示意图如图1b所示。每个处理选择最后3组装置称量，根据前后两次称量值计算蒸发量；称量的同时，用红外测温仪(Testo型，德国)测定各处理表层温度，用空气温湿度、风速仪(Testo-608型，德国)测定每个装置上方15 cm处温度、相对湿度和风速；此外，通过破坏性取样测定0～1 cm土壤质量含水率θs。上述指标均按照先密后疏的原则测定，其中土壤蒸发量和土壤质量含水率θs前期每4～8 h取样一次，后期每12～24 h取样一次；温度、相对湿度和风速前期每2 h监测一次，后期每4 h监测一次。土壤质量含水率θs由干燥法测定。

1.4 数据处理

1.4.1土壤蒸发强度

参照YAMANAKA等[17]研究结果，土壤蒸发强度计算式为

(1)

(2)

(3)

式中E——土面蒸发量，mm/min

qvs——土壤表面空气湿度，kg/m3

qva——空气湿度，kg/m3

rt——土壤总蒸发阻力，s/m

ra——空气动力学阻力，s/m

rs——土壤表面蒸发阻力，s/m

rm——秸秆覆盖阻力，s/m

Ts——土壤表面温度，℃

R——宇宙气体常数，J/(mol·K)

φ——土壤表面水势，m

g——重力加速度，m/s2

Ta——空气温度，℃

RH——空气相对湿度，%

Z——测定风速u的参考高度，m

Z0——地表的粗糙度，m

u——参考高度的平均风速，m/s

K——Karman常数，取0.41

rs的计算公式见表2；覆盖条件下rm计算见2.6节，若无覆盖，则rm=0。参照翁笃鸣等[18]研究结果，本文中CK、S1、S2、S3、S4粗糙度分别取0.01、0.013、0.015、0.017、0.019 m。

表2 土壤表面蒸发阻力计算公式Tab.2 Soil surface evaporation resistance calculation formula

1.4.2土壤蒸发阻力

参考国内外与土壤表面蒸发阻力相关的公式，当前土壤表面蒸发阻力公式见表2。

1.4.3模拟效果评价

以纳什效率系数(NS)、均方根误差(RMSE)、平均相对误差(MAE)评价模拟值与实测值吻合程度，评价模拟效果。NS越大，RMSE、MAE越小，模拟效果越好。采用Excel 和SPSS 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 表层0～1 cm土壤含水率随时间的变化

各处理表层0～1 cm土壤含水率随时间的变化趋势基本一致，均随时间的延长呈指数型递减趋势(图2)，达到极显著负相关水平(p<0.01)。除S3处理拟合曲线的决定系数R2略低外，其余处理拟合曲线的决定系数R2均高于0.9。同一时刻，秸秆覆盖量较大的处理，表层土壤含水率较大。从图中还可以看出，CK、S1、S2、S3、S4最大含水率依次为39.12%、51.50%、51.64%、47.08%、48.68%。

2.2 土壤蒸发强度随土壤含水率的变化

结合2.1节分析结果，计算了各处理不同时间实测蒸发强度下对应的土壤含水率，并建立不同处理土壤蒸发强度与含水率的关系(图3)，可见，各处理土壤蒸发强度随土壤含水率的增加呈指数型递增趋势(p<0.01)，CK、S1、S3处理拟合曲线决定系数R2分别为0.897 4、0.806 3、0.723 9；S2和S4处理拟合曲线决定系数相对较低，分别为0.281 7和0.424 7。

2.3 土壤累计蒸发量随含水率的变化

试验期间，各处理土壤累计蒸发量随含水率的

变化均呈极显著(p<0.01)负相关关系，累计蒸发量随土壤含水率的降低呈线性递增的趋势(图4)，各处理拟合直线的决定系数均大于0.9。试验期间，CK、S1、S2、S3、S4土壤累计蒸发量分别为17.79、20.30、14.22、14.57、10.27 mm。

2.4 土壤平均含水率、蒸发强度、累计蒸发量随秸秆覆盖量的变化

图5反映了试验期间秸秆覆盖量与平均土壤含水率、平均土壤蒸发强度及累计蒸发量的关系。由图可知，平均土壤含水率随秸秆覆盖量的增加呈线性递增趋势，拟合方程为y=10.776x+26.333，达极显著水平(R2=0.742 3，p<0.01)；平均土壤蒸发强度随秸秆覆盖量的增加呈线性递减趋势，拟合方程为y=-0.737 8x+1.732 6，未达到显著性水平(R2=0.678 1，p=0.146 9)；土壤累计蒸发量随秸秆覆盖量的增加亦呈线性递减趋势，拟合方程为y=-6.920 9x+19.582，达极显著水平(R2=0.742 2，p<0.01)。

图3 土壤蒸发强度与表层 0～1 cm土壤含水率关系Fig.3 Relationships between soil evaporation rate and surface moisture of 0～1 cm depth

图4 土壤累计蒸发量与表层 0～1 cm土壤含水率关系Fig.4 Relationships between cumulative soil evaporation and surface moisture of 0～1 cm depth

图5 秸秆覆盖量与平均土壤含水率、土壤蒸发强度及累计蒸发量的关系Fig.5 Relationships between straw coverage amount and soil moisture, soil evaporation rate and cumulative evaporation

2.5 无覆盖条件下土壤表面蒸发阻力公式确定

利用表2的6个土壤蒸发阻力公式，分别计算了无覆盖模式下土壤蒸发量，并统计分析了不同计算公式下土壤蒸发量计算值与实际值的关系，结果见表3。根据计算蒸发量与实测蒸发量拟合直线的斜率k及决定系数R2可知，公式1、3、5、6的计算蒸发结果与实测蒸发结果基本吻合，综合考虑NS系数、RMSE和MAE等指标可知，公式3计算蒸发量与实测蒸发量的NS系数最大，MAE最低，总体模拟效果较好。因此，推荐使用公式3作为无覆盖条件下土壤表面蒸发阻力计算公式。

表3 无覆盖条件下不同土壤表面蒸发阻力公式计算蒸发量与实测蒸发量结果Tab.3 Statistics of different soil surface evaporation resistance formulas for calculated evaporation and measured evaporation results under uncovered conditions

2.6 秸秆覆盖条件下覆盖阻力计算

2.7 秸秆覆盖条件下计算土壤蒸发量与实测土壤蒸发量对比

图8为秸秆覆盖条件下计算土壤蒸发量与实测土壤蒸发量，计算土壤蒸发量与实测土壤蒸发量的RMSE为4.18×10-4mm/min、MAE为3.85×10-5mm/min、NS为0.90，拟合直线斜率k为0.926，接近1，计算的土壤蒸发量与实际测量的土壤蒸发量数值相接近，表明所建立的秸秆覆盖阻力计算公式可用于秸秆覆盖条件下土壤蒸发量的计算。

图6 不同处理蒸发阻力随时间的变化曲线Fig.6 Variation curves of evaporation resistance during experimental time for different treatments

图7 平均秸秆覆盖阻力与秸秆覆盖量的关系Fig.7 Relationship between average coverage resistance and straw amount

图8 秸秆覆盖条件下计算土壤蒸发量与实测土壤蒸发量的关系Fig.8 Relationship between calculated soil surface evaporation and measured soil surface evaporation under straw coverage

3 讨论

土壤水分蒸发即土壤水由液态转变为气态脱离土体的过程，通常可由蒸发强度表示，其结果是降低土壤含水率；土壤蒸发同时受土壤自身及外部环境共同作用[1,22]。本研究中，表层土壤含水率随时间的延长而显著呈指数型递减趋势，结果与高鹏程等[23]研究一致；秸秆覆盖处理(S1～S4)表层初始含水率显著高于对照处理(CK)，原因可能是加水后各处理静置24 h，静置蒸发过程中水汽在覆盖的秸秆层内凝结，经取土扰动重新回落至地表所致；此外，取土过程中虽已去除表层秸秆，但土壤中仍残留少量秸秆叶片，残留叶片含水率较高亦是引起表层土壤含水率高的原因之一。一般而言，土壤蒸发可分为稳定蒸发和蒸发强度递减两个阶段。其中，稳定蒸发阶段土壤含水率相对较高，土壤蒸发强度主要受环境因素影响；蒸发强度递减阶段土壤蒸发强度主要受土壤供水能力(自身含水率)影响[1,8,23]。本研究中，试验开始前，为了使各处理土壤水分分布一致，所有样品静置了24 h，试验开始后土壤蒸发强度随着表层土壤含水率的降低而呈指数型减小，结果与高鹏程等[23]研究结果基本一致。由图3可以看出，S2和S4处理土壤蒸发强度整体均低于其余各处理，原因可能是试验过程中S2和S4处理所处位置风速较小，不利于蒸发。此外，从图3还可以看出，秸秆覆盖处理(S1～S4)的蒸发强度在最大表层土壤含水率附近时变化幅度较大，与土壤含水率无明显关系，其原因可能与此阶段土壤含水率相对较高，土壤蒸发主要受环境因素影响有关。秸秆覆盖具有较好的保水、抑蒸效果[16,23]，本研究表明，秸秆覆盖量较大的处理，表层土壤含水率较大，蒸发强度和累计蒸发量则随秸秆覆盖量的增加呈线性降低趋势，这与孙博等[24]研究一致。

本文试验是在室内完成的，试验期间土壤含水率相对较高，模拟的蒸发也是在含水率相对较高时的结果，有关低土壤含水率条件下的秸秆覆盖阻力以及土壤盐分对蒸发的影响还有待于进一步研究。此外，由于试验仪器材料、规格及环境等因素限制，本文测定结果与模拟结果有一定差异，但秸秆覆盖阻力推算方法及思路可为土壤蒸发模拟和预测研究提供参考。

4 结束语

秸秆覆盖量较大的处理表层土壤含水率较大，且表层土壤含水率随时间呈极显著(p<0.01)指数型递减趋势；秸秆覆盖抑制了土壤蒸发强度，并降低了土壤累计蒸发量。随着含水率的降低，土壤蒸发强度呈极显著(p<0.01)指数型降低趋势，土壤累计蒸发量呈极显著(p<0.01)线性递增趋势。结合试验结果，本研究推荐使用表2中的公式3作为无覆盖条件下土壤表面蒸发阻力计算公式，以此公式为基础得出，秸秆覆盖阻力随秸秆覆盖量的增加而增加，且同一秸秆覆盖量条件下，秸秆覆盖阻力基本不变。以水汽扩散理论为基础，结合土壤表面蒸发阻力和秸秆覆盖阻力计算的土壤蒸发强度与实测蒸发强度结果相一致，本研究建立的秸秆覆盖阻力模型可用于土壤蒸发强度的模拟和预测。