松针覆盖层厚度和风速对水分蒸发量的影响机制

罗皓峰 杨启良

摘要：松针覆盖处理是中药材种植中常用的土壤保墒方式。为了模拟饱和土壤含水率条件下覆盖层厚度和风速对下垫面水分蒸发的影响，设计了一套风管模拟试验装置。试验设置3个松针覆盖层厚度水平（M0：0 mm;M1：10 mm;M2：20 mm）和5个风速水平（W1：1 m/s;W2：2 m/s;W3：3 m/s;W4：4 m/s;W5：5 m/s）。结果表明：（1）与未覆盖相比，松针覆盖的时段蒸发量显著减小，10 mm厚度的松针覆盖层能够将时段蒸发量降低44.44%～51.00%，但当厚度增大至 20 mm 时，对水分蒸发的抑制作用并未显著增加;（2）增加风速对下垫面的水分蒸发有一定的促进作用。无覆盖处理下，风速变化量达1 m/s时会显著影响下垫面时段蒸发量，在覆盖处理下，风速变化量达到3 m/s时才会显著影响下垫面的时段蒸发量。因此，松针覆盖处理减小了风速对水分蒸发量的影响。

关键词：松针覆盖;风速;水分蒸发;模拟试验;时段蒸发量

中图分类号：S365 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2020）21-0249-06

云南是我国中药材资源大省，有中药资源6559种，占全国的51.4%[1]。中药材的无害化、规范化生产一直是现代农业重要的研究课题。松针覆盖处理是中药材种植中常用的土壤保湿方式，在三七和重楼等中药材的种植中被普遍采用。松针覆盖处理不仅能有效减少土壤蒸发，还能为三七根际环境提供良好的透气效果。松针覆盖物对土壤的遮蔽效应还可以缓解天然降雨和灌溉对土壤表面的影响，增大土壤孔隙度，增加土壤入渗能力[2-3]，同时还能显著降低土壤温度，防止三七根灼伤[4-5]。松针覆盖物还能提高土壤有机质含量，影响三七根区的微生物活性，起到促进三七生长、减少三七病害的作用[6-10]。此外，相比树枝或秸秆等有机覆盖物，松针对地表的附着性更强，更适合坡度较大的种植田[11]。研究表明，松针覆盖处理能够显著减少坡地土壤的侵蚀量和径流量[12]，具有保持坡地水土的作用。然而，目前针对松针覆盖物影响土壤蒸发量的研究较少，特别是松针覆盖条件下风速对土壤蒸发量的影响机制尚不清楚。松针覆盖物保水能力的相关参数众多且难以准确获取，风速、水分输入量、覆盖层厚度等参数都会影响覆盖物的空气动力学阻力，从而改变覆盖物对土壤水蒸发的阻滞能力，这些因素都为针对松针覆盖物的研究增加了难度[13-15]。

秸秆覆盖物是一种典型的有机覆盖物，形成的覆盖层具有和松针覆盖层相似的物理结构和物质构成，其对下垫面产生的影响也和松针覆盖层类似，具有一定的参考价值。目前国内外学者针对松针覆盖物对下垫面影响的研究已经发展至作用机制层面。Qiu等对比沙石覆盖物在不同厚度和粒径下蒸发阻力的变化，发现其蒸发阻力随覆盖物厚度的增加先以指数形式增加，后以负指数形式增加，且随粒径的增大呈负指数形式减少[16]。该研究结果为其他土壤覆盖物对下垫面水分蒸发的影响研究提供了依据[16]。Fuchs等通過风管试验比较秸秆覆盖物和不同粒径的沙石覆盖物对下垫面水分蒸发阻力的大小，并结合试验数据导出覆盖层厚度和孔隙度与蒸发阻力的数学关系，试验结果表明秸秆覆盖物和沙石覆盖物的蒸发阻力均随风速的增加而减少[17]。该研究认为风在覆盖物的孔洞和缝隙中产生湍流运动，从而降低了蒸汽通过覆盖物的阻力，而这种湍流运动会在达到一定深度时减弱，从而使蒸发阻力随风速增加呈负指数形式减少，最后趋于一个定值[17]。因此，覆盖物厚度的增加能够显著提高蒸发阻力。粗砾石等孔隙较大的覆盖物在风场条件下的蒸发阻力较低，细颗粒材料受风场的影响较少，并可保持较高的蒸发阻力。吴凯等将秸秆类覆盖物在土壤上形成的阴影形状划分为“米”字、“田”字、三角形3种模式，并通过统计不同阴影模式下与试验区域网格线交叉的秸秆数量，推算出试验区域内秸秆的广义间距[18]。试验据此将秸秆覆盖物的阴影模式、秸秆平均直径、秸秆广义间距3种因素与秸秆覆盖率进行定量分析，推导出不同阴影模式下利用秸秆广义间距推算覆盖率的公式[18]。李晓明等通过室内模拟试验方法，研究不同风速和秸秆覆盖量对土壤水分蒸发的影响;结果表明，土壤水分蒸发受风速和秸秆覆盖的影响较大;当秸秆覆盖量较大时，风速对土壤蒸发量的影响显著降低[19]。这些研究结果都在理论或试验方法方面为松针覆盖层的研究提供了参考依据。

虽然目前国内外学者对于秸秆等有机覆盖物开展了大量的研究，但针对松针覆盖层厚度和风速共同作用下对松针覆盖层下垫面水分蒸发的影响的研究还很少，传统风速试验中，风速在空间上的均匀性较差导致土壤蒸发的差异性较大[20-21]。本研究是以松针覆盖物在不同风速条件下对下垫面潜在蒸发量的作用机制和获得适宜的松针覆盖层厚度为研究目的设计的试验，以期为遮阴和覆盖条件下松针覆盖层厚度的合理选择、风速对农田水分消耗规律的影响以及蒸散发模型和SPAC系统水分传输模型的参数获取提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置设计

如图1所示，装置主体由一根直径150 mm的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）管构成，长度为1 500 mm，主管向下延伸出2根支管，长度为100 mm，支管统一向下放置，起到封闭和支撑的作用，支管内加设1层18目方孔铁丝网，用于放置松针覆盖层。每个支管中均放置有3个玻璃蒸发皿，口径为95 mm，蒸发皿上方设置有小型指针式温湿度计。风管左侧连接1台功率550 W的鼓风机。管道与鼓风机之间用布制的口袋连接，为了向管内提供恒定的风速，管道与鼓风机出风口之间呈90°夹角，并在口袋与风管的连接处加设1层网格，以消除鼓风机出口处的空气动能，让管道内的风速仅由鼓风机的空气流量控制，减小管道内部的紊流现象。使用变压开关可以控制鼓风机的转速，控制管内的风速。

1.2 试验设计

本试验开始于2018年11月，试验地点位于昆明理工大学农业与食品学院实验室（102°52′N，24°51′E），海拔1 970 m，标准气压79.14 kPa，试验装置放置于室内遮阴避风处，避免日光照射和自然风的影响。试验所使用的覆盖物为自然风干的云南松松针，平均长度为13.22 cm，烘干法测得其残余含水量为0.271%，干物质密度为0.617 g/cm3。

本试验为模拟不同覆盖程度下松针覆盖层对水蒸气扩散的阻滞作用，分别设置了松针覆盖层厚度和风速2个变量。其中，松针覆盖层厚度设置了3个水平（M0：0 mm;M1：10 mm;M2：20 mm），相对应的松针覆盖量分别为0、0.116、0.232 g/cm2。每种处理均采用三七、重楼等中药材田间种植管理中常用的铺设方法均匀布设。同时，设置了5个风速水平（W1：1 m/s; W2：2 m/s;W3：3 m/s;W4：4 m/s;W5：5 m/s），每个处理均设置3次重复，试验组处理如表1所示。

试验时间选在晴朗的下午，试验期间实验室内的温度和湿度相对稳定。室内气温为 20～26 ℃，平均气温为23.7 ℃。大气湿度为22%～32%，平均湿度为26.1%。由于试验装置不受阳光照射，且内部空气流量较大，装置内部的温度与室温相差较小。向每个蒸发皿中加入300 mL清水，随后放置于精度为0.01 g的电子天平上称质量并记录。启动鼓风机，使用AT816一体式风速计测量管内的风速，并调节变压开关使风速达到预定值。每次试验持续3 h，每隔1 h将蒸发皿取出重新称质量，同时读取并记录蒸发皿上方的温湿度值和室内的温湿度值。通过计算每次称质量测得的质量差值即可算得该时段内的水面蒸发量。

1.3 显著性分析

为了分析不同水平松针覆盖层厚度处理和不同水平风速2项变量对蒸发皿时段蒸发量的影响，采用SPSS软件对试验数据进行显著性分析，由于本次试验每组的样本数量小于30（n<30），故采用配对样本t检验和单变量分析法的一般线性模型（GLM）进行显著性分析和方差分析，置信区间设置为95%。

2 结果与分析

2.1 时段蒸发量与松针覆盖层厚度的关系

由图2可知，当无松针覆盖处理时，水受大气蒸发力的影响自由扩散，扩散速度随风速的增大整体增大。不同处理间时段蒸发量的均值大小顺序为T41>T51>T31>T21>T11>T42>T32>T53>T52>T43>T22>T33>T23>T12>T13。与无松针覆盖的蒸发皿相比，有松针覆盖的蒸发皿的时段蒸发量均值均明显降低。在不同的风速水平下，松针覆盖处理都对水分的蒸发产生了较强的抑制作用。其中，M1覆盖水平下的试验组在不同风速下的时段蒸发量为0.34～0.56 mm，相比无覆盖处理的试验组降低44.44%～51.00%，M2覆盖处理下试验组的时段蒸发量为 0.31～0.54 mm，相比无覆盖处理的试验组降低47.21%～62.07%。时段蒸发量均值的大小随松针覆盖层厚度的增大普遍呈逐渐减小的趋势。T41、T52试验组的时段蒸发量数据呈现出与整体趋势不符的变化，这可能是由于受到了风管内部紊流的影响。

以同水平风速条件下不同松针覆盖水平试验组的时段蒸发量测量值为配对样本进行配对样本t检验，分析松针覆盖量的变化对下垫面时段蒸发量的影响。如表2所示，在5种风速处理下，覆盖水平M0与M1之间的时段蒸发量均呈极显著差异，除了T32 & T33配对呈现较显著差异外，M1与M2之间的时段蒸发量无显著性差异。这表明，相比无覆盖处理，10 mm 的松针覆盖处理对下垫面的水分蒸发呈现出显著的抑制作用，但当覆盖量增加至20 mm时，对水分蒸发的抑制作用与10 mm相比并未显著增加。

2.2 时段蒸发量与风速的关系

在整个蒸发过程中，所有覆盖层厚度水平下的蒸发皿的时段蒸发量均值均与风速呈正相关关系。由于松针覆盖层具有一定的透气性，不能完全阻隔空气的流通，风速的不同仍会对覆盖条件下的水分蒸发产生影响。试验结果表明，当风速从W1逐级上升至W5时，M0覆盖水平试验组的时段蒸发量上升9.85%～78.51%;M1覆盖水平试验组的时段蒸发量上升11.11%～62.78%;M2覆盖水平试验组的时段蒸发量上升 19.26%～76.40%。综上所述，在同水平覆盖处理下，风速增加时，时段蒸发量不断增加，风速的增加对水分蒸发产生了促进作用。

为了分析相同水平覆盖条件下不同风速对时段蒸发量的影响，将所有风速水平差值为 1 m/s 的试验组两两配对，进行样本t检验，结果如表3所示。可以看出，在M0松针覆盖水平下，不同风速水平下的时段蒸发量均呈现出显著性差异，这表明无覆盖条件下，每一次风速水平的变化都对试验中的水分蒸发产生了显著影响。然而，M1和M2松针覆盖处理下有62.5%的配对表现为较显著差异或极显著差异，这表明1 m/s 的风速变化不一定会对采用松针覆盖处理的试验组的时段蒸发量产生显著性影响，松针覆盖处理减小了风速对水分蒸发的影响。相比无覆盖处理组，覆盖处理组可能需要更大的风速才能对其下垫面水分蒸发量产生显著影响。这是由于松针覆盖层的透气性，覆盖处理无法完全隔绝风速对蒸发的影响。将同覆盖水平下风速水平差值为3 m/s的试验组（W1与W4;W2与W5）风速下的时段蒸发量数组进行配对t检验（表4），检验结果均呈极显著差异。也就是说，试验条件下，当风速变化量超过3 m/s时，风速仍然能对覆盖条件下的水分蒸发产生显著性影响。松针覆盖条件下风速对下垫面水分蒸发的影响仍然符合与风速成正相关的变化趋势，但其变化幅度已经大幅减小。表明松针覆盖处理减小了风速对水分蒸发的影响。

2.3 時段蒸发量的主要影响因素分析

为了研究覆盖层厚度和风速对时段蒸发量的影响程度，判定时段蒸发量的主要影响因素，使用一般线性模型（GLM）单变量分析法对测量值进行双因素方差分析。用真实显著性差异（Tukey）法进行方差分析，以检测不同样本组之间的总体方差是否相同。

经过误差方差等同性的Levene法对零假设的检验，发现不同样本组间的因变量，即时段蒸发量对应的P值大于0.05，这表明样本值符合方差齐性假设，不同水平的总体方差相等，可以进行进一步的参数检验。主体间效应检验结果显示，覆盖量和风速2个固定因子所对应的P值均小于0.01。这表明覆盖量和风速均能对时段蒸发量产生极显著性影响，2种因素都是时段蒸发量的主要影响因素。同时，在对覆盖水平的多重比较检验中，M0覆盖水平和M1覆盖水平呈现出极显著影响，而M1和M2覆盖水平间影响的差异并不完全都显著，表明覆盖层厚度从10 mm增至20 mm时，产生的影响并不完全显著。

将不同覆盖水平蒸发皿的时段蒸发量样本值配对进行方差分析，发现M0和M1配对的样本方差分析中，时段蒸发量对覆盖量和风速都表现出极显著影响，而M1和M2配对中，时段蒸发量对风速仍表现出极显著影响，但对覆盖量仅表现出显著影响，这说明当覆盖量从10 mm增加至20 mm时，松针覆盖处理所产生的影响较0 mm增至10 mm有所减弱。可以推断，如果继续增大覆盖量，风速可能成为影响时段蒸发量的主要因素。

3 讨论

松针覆盖层厚度和风速大小都是时段蒸发量的主要影响因素，都能对其下垫面的水分蒸发量产生极显著性影响。

3.1 松针覆盖降低水分蒸发的作用机制

松针覆盖层的存在会显著减小时段蒸发量的大小，10 mm厚度的松针覆盖层能够将时段蒸发量降低44.44%～51.00%，影响显著。但厚度增大至20 mm时，对水分蒸发的抑制作用并未显著增加。因此，在中草药（三七、重楼等）种植管理中，有利于降低土壤蒸发量的适宜松针覆盖层厚度为10 mm。

松针等有机覆盖层对水分蒸发产生抑制作用的主要机制可分为能量和分子扩散[14，22]：一方面，覆盖层阻隔了到达覆盖层下方的下垫面的热辐射，对下垫面形成类似遮阴的效果，降低了下垫面的潜热变化;另一方面，覆盖物阻滞了水蒸气的扩散，提高了水蒸气向大气的扩散阻力，从而减缓了水分子扩散的速率。本试验在室内进行，与室外试验相比，水分的蒸发不会受到太阳辐射的影响。因此，本试验所讨论的松针覆盖层对水分蒸发的抑制作用主要是针对分子扩散。在实际应用中，还需考虑松针覆盖层对太阳辐射的遮挡作用。

另外，本试验中的覆盖层在整个试验过程中都保持干燥。这意味着水蒸气在覆盖层中的传导率是恒定的。事实上，松针或秸秆类的有机覆盖层可以看做是一层多孔结构的介质层，当水分通过覆盖层时，部分水量会截留在覆盖层内部。截留的水分会增大覆盖层内部空气的湿度，增强对下垫面水分蒸发的抑制能力。

3.2 风速影响水分蒸发的作用机制

风速的大小是松针覆盖条件下水分蒸发的重要影响因素。风速的增加对0、10、20 mm松针覆盖处理下的水分蒸发均表现出促进作用。在无覆盖（0 mm）的试验组中，风速变化量达到 1 m/s 就能对下垫面的时段蒸发量产生显著影响，而对于覆盖处理组需要风速变化量达到3 m/s时才能对下垫面的时段蒸发量产生显著影响。因此，松针覆盖处理减小了风速对水分蒸发的影响，松针覆盖条件下（10 mm 与20 mm比较）影响水分蒸发量的临界风速变化量为3 m/s。因此在实际应用中，经过松针覆盖处理的农田需要考虑风速对蒸发量的影响，可以用3 m/s的间隔为风速划定不同的风力等级，并为不同的等级制定不同的灌溉制度。

松针覆盖处理会使近地层的粗糙度增大，增强对空气的扰动，并且覆盖层在大气和下垫面间形成了一个疏松的隔离层，切断了大气与下垫面的直接接触[23]，因此覆盖层能够削弱风速对下垫面水分蒸发的促进作用，达到减少蒸发的目的。从理论和实践上来说，松针覆盖处理是一种行之有效的保水保墒措施，为浅根类中药材的种植管理创造了有利的根区微环境，也是提高农田水分利用效率的一项切实可行的农艺措施。

4 结论

本试验研究了松针覆盖条件下不同覆盖层厚度和不同风速对水面蒸发量的影响，得到4点结论。（1）松针覆盖层厚度和风速大小均能对其下垫面的水分蒸发量产生显著影响。（2）松针覆盖层的存在会显著减小时段蒸发量的大小，10 mm厚度的松针覆盖层能够将时段蒸发量降低44.44%～51.00%。（3）水分蒸发量随风速的增大而增大。本试验条件下，在无松针覆盖时，显著影响时段蒸发量的临界风速变化量是1 m/s，而有松针覆盖时，显著影响时段蒸发量的临界风速变化量是3 m/s。因此松针覆盖处理减小了风速对水分蒸发的影响。（4）本试验条件下有利于降低中药材种植过程中水分蒸发的适宜松针覆盖层厚度为10 mm，其影响水分蒸发量的临界风速变化量为3 m/s。

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