基于原状土与回填土蒸渗仪的潜水蒸发差异性研究

胡永胜，胡 勇，王 兵，周 超，王振龙

（1.水利水资源安徽省重点实验室，安徽蚌埠233000；2.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽蚌埠233000；3.五道沟水文水资源实验站,安徽蚌埠233000）

0 引 言

潜水蒸发受到气候、地下水埋深、植被情况、土壤质地和土壤结构等因素影响［1-8］。多年来国内外学者主要从气候、地下水埋深、植被情况等因素对潜水蒸发影响方面做了大量的研究，而在土壤质地对潜水蒸发影响方面研究相对较少，尤其是回填土体与原状土体潜水蒸发差异方面尤为欠缺。前期虽有学者提出原状土与回填土土壤水分特征曲线［9］、孔隙度［10］、大孔隙率［11,10］等土壤物理性质的差异，但未能进一步阐述回填土土体导气孔隙减少、大孔隙率降低、尤其是改变了连通的大孔隙结构使得土体内各向异性减弱对潜水蒸发影响程度具体如何？因此，本文利用五道沟水文水资源实验站一系列蒸渗仪实验系统2017-2018年和2018-2019年冬小麦和夏玉米全生育期潜水蒸发数据，定量评估及分析回填土与原状土下垫面条件下作物全生育期内潜水蒸发量的差异性。研究成果为认知回填扰动对潜水蒸发影响效应及如何利用回填土蒸渗仪潜水蒸发试验观测推算原状土潜水蒸发量提供参考依据，同时为回填扰动对农田水文影响研究由土壤物理参数的微观尺度拓展至宏观表征尺度提供一种思路及方法。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

淮北平原地下水埋深浅，潜水蒸发量大。由于人类活动频繁、气象要素变化显著及黄河泛滥对古老平原土壤进行的覆盖和冲刷侵蚀，造成土壤类型颇为复杂，主要为砂姜黑土、黄潮土、潮棕壤土、水稻土等类型土壤，其中砂姜黑土和黄潮土约占总面积的87%左右。区内作物种植结构以旱作为主，多为冬小麦～夏玉米轮种。多年平均降雨量、气温、水面蒸发、积温和日照时数分别为878.2 mm、14.6 ℃，832.4 mm、4 580 ℃和2 330 h，作物生长适宜地下水埋深为0.8～1.2 m。

五道沟水文水资源实验站位于淮河以北27 km 处安徽省蚌埠市境内，1953年建站，是淮北平原水文水资源研究代表性站点。站内现有非称重式地中蒸渗仪原状土测筒60 套，砂姜黑土和黄潮土2种土壤类型（砂姜黑土取自蚌埠市固镇县，黄潮土取自萧县杨楼，2种土壤能够较好地代表淮北平原土壤类型）；0.3～4.0 m25 种不同器口面积，0～5 m 不同地下水控制埋深；自动称重式蒸渗仪测筒10套，砂姜黑土8套（4套原状土、4 套回填土），黄潮土2 套（回填土），器口面积为2 m2和4 m2，地下水埋深可调控范围为1.0～3.5 m，是研究潜水蒸发规律和四水转化的理想设备。

1.2 实验方案

该区属于地下水位浅埋区，埋深变幅为1～3 m［12］，本次试验选取地下水埋深控制在1.0 m［13］的原状土测筒a9 号、a11号（取土方式详见参考文献［14］）；回填土测筒5 号、6 号，（取土及填土方式详见参考文献［15］）进行不同填土方式下潜水蒸发差异性研究。测筒土壤均为砂姜黑土，测筒土体土壤信息见表1。测筒作物为冬小麦与夏玉米，实验起止为2017年10月20日至2019年9月30日，小麦品种为“益科青三号”、夏玉米品种为“东海618”。

表1 测筒土体土壤信息Tab.1 Soil information table of geodesic soil

1.3 潜水蒸发测量方法

蒸渗仪（lysimeter）是一种开展田间水文模拟的理想试验设施，是研究潜水蒸发的标准设施之一［16-19］。其测量原理是通过平衡器连接测筒和补水筒，由于测筒内潜水蒸发量与补水筒水量损失相同,补水筒水位变化反应测筒潜水蒸发量。非称重式蒸渗仪补水筒为马氏瓶，采用8∶00 人工观测数据计算，测量精度为0.1 mm。称重式蒸渗仪通过补水泵从水箱（补水筒）实时补充水量给水平衡器，利用电子秤或压力感应计测定测筒及水箱的质量变化，并通过测筒口径面积换算为潜水位变化，从而实现潜水蒸发量的自动观测，称重测量精度为0.1 g，折算为潜水蒸发精度为0.025 mm，采用8∶00自动观测数据计算。

1.4 分析方法

本研究利用2017-2019年2 季冬小麦和夏玉米全生育期内日尺度潜水蒸发实测数据，对砂姜黑土原状土与回填土测筒日潜水蒸发量进行比较，研究原状土与回填土潜水蒸发差异性;利用配对样本t检验分析冬小麦与夏玉米全生育期潜水蒸发一致性差异及构建回填土与原状土潜水蒸发模型,并利用2018-2019年日尺度潜水蒸发实测数据对模型进行检验。

2 模型构建及评价指标

2.1 线性回归模型

选取原状土与回填土潜水蒸发量，建立潜水蒸发一元线性回归模型，使用公式如下:

式中：Eg0为原状土潜水蒸发量；Eg1为回填土潜水蒸发量；b0为常数项；b为系数。

2.2 评价指标

评价指标包括均方根误差RMSE、平均绝对误差AAE、相关系数r和一致性指数dIA，用以评价估算结果与实测结果之间的误差及一致性情况。各指标计算公式如下:

式中：xi为原状土；Eg0模型计算值；yi为原状土Eg0实际值；i为样本序数；计算值的均值；为实际值的均值；n为计算值的样本数。

通常计算误差RMSE越小，估算准确率越高。相关系数r和一致性指数dIA越接近1，说明实际值与估算值越接近，模型的估算能力越准确。

3 结果与讨论

3.1 回填扰动引起的潜水蒸发变化

3.1.1 冬小麦与夏玉米全生育期的潜水蒸发量

冬小麦和夏玉米全生育期测筒的日均潜水蒸发量见表2。由表2可知冬小麦和夏玉米全生育期逐日潜水蒸发总体趋势回填土大于原状土。2017-2018年，冬小麦全生育期5 号和6 号回填土潜水蒸发总量为251.5 mm 和285.9 mm，日潜水蒸发量为1.14 mm 和1.29 mm，a9 和a11 原状土潜水蒸发总量为151.4 mm 和153.4 mm，日潜水蒸发量均为0.69 mm；夏玉米全生育期5号和6号回填土潜水蒸发总量为194.5 mm 和218.2 mm，日潜水蒸发量为1.83 mm 和2.06 mm，a9 和a11 原状土潜水蒸发总量为100.1 mm 和134.9 mm，日潜水蒸发量为0.94 mm 和1.27 mm。2018-2019年，冬小麦全生育期5 号和6 号回填土潜水蒸发总量为198.4 mm 和222.2 mm，日潜水蒸发量分别为0.92 mm 和1.03 mm，a9 和a11 原状土潜水蒸发总量为137.8 mm 和102.7 mm，日潜水蒸发量为0.64 mm 和0.48 mm；夏玉米全生育期5 号和6 号回填土潜水蒸发总量为195.8 mm 和221.6 mm，日潜水蒸发量为1.85 mm 和2.09 mm，a9 和a11 原状土潜水蒸发总量为101.6 mm 和138.0 mm，日潜水蒸发量为0.96 mm和1.30 mm。

表2 冬小麦和夏玉米全发育阶段潜水蒸发总量及日均量 mmTab.2 Average daily transpiration of winter wheat at different growth stages

利用配对t检验分析不同土壤扰动状态下潜水蒸发量的一致性，结果见表3。由表3 可知，全生育期原状土和回填土的潜水蒸发量具有一致性（α=0.05），即原状土和回填土的潜水蒸发量的样本值是来源于同一个总体，潜水蒸发量在回填和原状非扰动状态下系统性偏差较小，可以通过二者关系曲线利用回填土日潜水蒸发量近似推算原状土的日潜水蒸发量。

表3 冬小麦和夏玉米全生育期原状土与回填土日潜水蒸发统计分析Tab.3 Statistical analysis of phreatic evaporation of undisturbed soil and backfill during the full development of winter wheat and summer maize

3.1.2 潜水蒸发变化的原因分析

作物全生育期潜水蒸发过程见图1。由图1 可知，冬小麦和夏玉米全生育期逐日潜水蒸发变化趋势基本一致，潜水蒸发量回填土大于原状土。这是因为回填土破坏了原状土中不能持水和部分可以持水的大孔隙结构及土壤团聚体之间的稳定性，使得土壤导水和储水的总孔隙增加［20-23］；随着作物蒸腾作用加剧，各测筒土壤含水量低于毛管破裂含水率时蒸发得不到毛管水上升的补充，地表开始形成干土层及裂隙；在地下水埋深较浅时，裂隙发育至潜水位，因此回填土潜水蒸发大于原状土。

图1 不同测筒的冬小麦夏玉米全生育期潜水蒸发变化过程Fig.1 The change of phreatic evaporation during the growth period of winter wheat in different measuring tubes of sandy ginger black soil

3.2 原状土与回填土潜水蒸发量的计算模型

利用测筒内冬小麦和夏玉米全生育期内原状土和回填土的日潜水蒸发量建立一元线性回归模型，模型结果分别为冬小麦：Eg0= 0.78Eg1+ 0.041，R2为0.987，线性关系极显著（P＜0.01）；夏玉米：Eg0= 0.509Eg1+ 0.010 4，R2为0.944，线性关系极显著（P＜0.01）。冬小麦和夏玉米全生育期均表现为较高的估算精度。

3.3 原状土与回填土潜水蒸发量计算模型的检验

采用2017-2019年2 季冬小麦全生育期潜水蒸发量资料，分别计算原状土测筒与回填土测筒潜水蒸发量，并绘制冬小麦全生育期不同测筒潜水蒸发估算值与实测值对比图，见图2。由图2 看出，测筒a9 号与a11 号原状土潜水蒸发估算值与实测值基本一致，拐点及突变点均能很好的捕捉到。对冬小麦全生育期潜水蒸发估算精度进行综合评价，结果见表4。从表4 可知，各测筒潜水蒸发实测值与预测值的平均绝对误差AAE为:0.234 mm 和0.154 mm，误差值均较小；均方根误差RMSE为:0.345m m 和0.392 mm，误差值都较小；相关关系r为0.944 和0.938，均接近1，相关性较好；一致性指数dIA为0.971和0.966，均接近1。表明该模型具有较好的估算能力。

图2 冬小麦全生育期潜水蒸发量估算值与实测值对比Fig.2 Comparison between estimated and measured values of phreatic evaporation during the whole development period of Winter Wheat

表4 冬小麦全生育期不同测筒潜水蒸发估算精度评价指标Tab.4 Evaluation indexes of estimation accuracy of phreatic evaporation in different measuring tubes during full growth period of winter wheat

4 结 论

(1)冬小麦和夏玉米全生育期回填土潜水蒸发量明显大于原状土，冬小麦回填土比原状土平均多0.53 mm/d，夏玉米回填土比原状土多0.84 mm/d。

(2)研究提出了砂姜黑土回填土估算原状土潜水蒸发模型，模型结果分别为冬小麦：Eg0= 0.78Eg1+ 0.041，R2为0.987；夏玉米：Eg0= 0.509Eg1+ 0.010 4，R2为0.944。

(3)砂姜黑土原状土和回填土的日潜水蒸发量线性关系显著，估算值与实测值相关关系均在0.90 以上，一致性指数均为0.95 以上，绝对误差和均方根误差均小于0.43 mm。通过回填土日潜水蒸发量及关系曲线可以近似推算原状土的潜水蒸发量。

(4)蒸渗仪法模拟大田环境条件下的潜水蒸发实验时，有条件情况下建议选取原状土土体测筒进行模拟实验，能够更为接近反映大田真实潜水蒸发情况；没有原状土土体测筒情况下，可以选取模型估算。