李沙沙， 韋 杰,2,3， 徐文秀， 茍 宇， 羅華進(jìn)

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 重慶 401331； 2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實驗室， 重慶 401331； 3.重慶師范大學(xué) 裝配式土地整治工程技術(shù)中心， 重慶 401331)

土壤水分耗散包括土壤水分蒸發(fā)和植物蒸騰散失，其中土壤水分蒸發(fā)指在一定條件下，土壤水不斷汽化并不斷向空氣中擴(kuò)散的過程。農(nóng)作物生長期間，土壤水分蒸發(fā)是干旱季節(jié)土壤水分損減的主要途徑，如玉米生長期間，棵間土壤水分蒸發(fā)量可占水分耗散總量的43%及以上[1]。

研究表明，土壤水分蒸發(fā)受到溫度、土壤質(zhì)地、覆蓋物等諸多因素的影響[2-6]。土壤水分蒸發(fā)量與溫度呈正向協(xié)同關(guān)系[2]，蒸發(fā)速率與溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[3]，同時，土壤水分蒸發(fā)失水比率隨著溫度的升高而增大[4]。但在同一溫度下，黏性小、氣孔多的土壤水分累積蒸發(fā)量明顯較大[5]。覆蓋物具有抑制土壤水分蒸發(fā)的作用，在高含水率階段尤為明顯，可使土壤水分含量保持在較高水平，滿足作物生長需要[6]。土壤含水率變化引起土體脹縮，導(dǎo)致土壤孔隙度變化，也會對土壤水分蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響[7]。雖然影響土壤水分耗散的因素諸多，但各階段的決定因子不同，一般認(rèn)為土壤水分耗散初期的蒸發(fā)強(qiáng)度主要取決于外界條件與土壤表面條件[8]，隨著試驗的進(jìn)行，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度開始低于大氣蒸發(fā)力，土壤水分耗散主要受土壤輸水能力限制[9]。

紫色土區(qū)蒸發(fā)量大且降雨時間分布不均，極端天氣條件下蒸發(fā)量大于降雨量，季節(jié)性干旱為該地區(qū)最常見的農(nóng)業(yè)災(zāi)害性氣候[10]。但是紫色土區(qū)季節(jié)性干旱研究主要集中在干旱脅迫對消落帶植物的影響，有關(guān)耕地土壤水分耗散的研究相對較少，不能有效指導(dǎo)耕地土壤水分管理與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)干旱抵御實踐。本研究選取紫色土區(qū)楊家溝小流域2種常見土壤(紫色土和黃壤)為試驗材料，利用烘干法對紫色土區(qū)干旱頻發(fā)季節(jié)常見溫度下土壤水分耗散特征進(jìn)行試驗研究，分析不同溫度下紫色土和黃壤水分耗散特征，以深化紫色土區(qū)季節(jié)性干旱有效防御措施研究，為紫色土區(qū)耕地土壤墑情盈虧預(yù)測及土壤改良，耕作制度改善等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

楊家溝小流域位于重慶市沙坪壩區(qū)虎溪鎮(zhèn)，西靠縉云山脈，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫18.3 ℃，年降水量1 082.9 mm，熱量和水分資源豐富，但降水季節(jié)分布不均，多集中于5—10月。地貌屬于盆東平行嶺谷低山丘陵區(qū)，地形由窄條狀山脈和寬緩的丘陵臺地組成，海拔為175～815 m，地表起伏明顯。土壤類型主要為紫色土和黃壤，自然植被為亞熱帶常綠闊葉林。據(jù)重慶市氣象局公布的農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)(2010年9月至2018年8月)，沙坪壩區(qū)6—9月份氣溫多為23～39 ℃，≥35 ℃高溫日數(shù)在2～24 d之間，由于持續(xù)晴熱高溫天氣，表層土壤(0—10 cm)常出現(xiàn)干旱。

1.2 樣品采集與試驗設(shè)計

試驗土壤樣品于2017年10月采自楊家溝小流域的紫色土和黃壤坡耕地。樣地海拔分別為275 m和481 m，主要種植作物有蘿卜(Raphanussativus)、黃豆(Glycinemax)和小白菜(Brassicacampestris)等，地塊內(nèi)皆無雜草。采樣時間為降雨后12 h左右，樣地內(nèi)尚有少量積水。利用容積為100 cm3的環(huán)刀采集壟溝表層土壤，采樣點(diǎn)沿壟溝水平方向排列，環(huán)刀使用時保證與地面垂直，每個樣地內(nèi)采集9個試驗土樣和3個備用土樣，編號密封，帶回實驗室利用1/100電子天平稱重后，使用恒溫烘箱進(jìn)行烘干試驗。另外，在樣地采樣點(diǎn)鄰近位置采集約0.5 kg土樣進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測定(表1)。采樣完成后，對采樣地進(jìn)行修復(fù)。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

根據(jù)研究區(qū)氣候特點(diǎn)，共設(shè)計了3種試驗溫度，分別為20 ℃，30 ℃和40 ℃。將土樣分別以3個為1組置于預(yù)先調(diào)好溫度的恒溫烘箱內(nèi)，對其水分耗散進(jìn)行連續(xù)觀測(累積時長為1 200～1 560 min)。根據(jù)土壤水分耗散的一般規(guī)律，前2 h內(nèi)每20 min測定一次含水量，2～6 h內(nèi)每30 min測定1次，6 h以后每60 min測定1次。最終將土壤樣品置于105 ℃下烘干8 h，以測定土壤初始含水率(質(zhì)量百分比)。

文中表征土壤水分耗散特征的含水量(%)采用常見的質(zhì)量百分比進(jìn)行描述，即土壤水分質(zhì)量(g)與烘干土質(zhì)量(g)之比；時段蒸發(fā)量(%)指相鄰測定時間點(diǎn)所測土壤含水量的差值；蒸發(fā)速率(%/min)實際上為“蒸發(fā)率”，其中時段蒸發(fā)速率指土壤水分時段蒸發(fā)量與對應(yīng)時長的比值，平均蒸發(fā)速率指累積蒸發(fā)量與對應(yīng)時長的比值；累積蒸發(fā)量(%)指初始含水量與各時間點(diǎn)所測土壤含水量的差值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分時段蒸發(fā)量與溫度的關(guān)系

總體來看，紫色土和黃壤水分時段蒸發(fā)量在3種不同的溫度條件下均呈現(xiàn)先增加后減少變化趨勢，含水量則呈現(xiàn)近似線性衰減(圖1)。

圖1 不同溫度下紫色土與黃壤時段蒸發(fā)量與含水量特征

土壤水分時段蒸發(fā)量具有明顯的階段性特征，溫度為20 ℃時，0～1 260 min內(nèi)紫色土與黃壤水分的時段蒸發(fā)量均明顯增加，分別從0.09%和0.11%增加到0.44%和0.53%。從第1 260 min至試驗結(jié)束(1 560 min)，土壤水分蒸發(fā)量呈下降趨勢，紫色土下降了191%，黃壤下降了161%。溫度為30 ℃和40 ℃時，“增—減”拐點(diǎn)均發(fā)生在第420 min，但溫度為40 ℃時，2種土壤的水分時段蒸發(fā)量“增—減”拐點(diǎn)值分別為0.89%，1.08%，較溫度為30 ℃時要高1.2倍左右，較20 ℃時可高達(dá)2倍以上。3種溫度條件下的土壤水分時段蒸發(fā)量均存在差異，但在“拐點(diǎn)”出現(xiàn)之前更明顯。此外，同一溫度條件下，黃壤水分的各時段蒸發(fā)量和含水量均高于紫色土，其時段蒸發(fā)量差值在20 ℃條件下隨時間的增加而逐漸增大，在30 ℃和40 ℃兩種溫度條件下隨時間的增加呈先增后減趨勢，至試驗結(jié)束時，其差值幾乎為0。

2.2 土壤水分蒸發(fā)速率與溫度關(guān)系

紫色土和黃壤水分的時段蒸發(fā)速率在溫度為20 ℃時相對穩(wěn)定，在30 ℃和40 ℃兩種溫度條件下均先增后減最后趨于穩(wěn)定(圖2)。對紫色土而言，溫度為30 ℃和40 ℃時，土壤時段蒸發(fā)速率在0～60 min內(nèi)呈遞增趨勢，峰值分別為0.015 6%/min和0.024 1%/min，溫度為20 ℃時，最大值出現(xiàn)在240 min，為0.007 4%/min，這比30 ℃和40 ℃時分別小53%和69%。從60～1 380 min內(nèi)，紫色土在30 ℃和40 ℃兩種溫度條件下的水分蒸發(fā)速率均呈遞減趨勢，但變化率存在差異，具體而言，40 ℃時的土壤水分蒸發(fā)速率變化率分別為30 ℃和20 ℃的657%和707%。從1 380 min至試驗結(jié)束，紫色土水分蒸發(fā)速率漸趨于定值，且不同溫度條件下的土壤水分蒸發(fā)速率無顯著差異。溫度為20 ℃，30 ℃和40 ℃時，黃壤的水分最大蒸發(fā)速率分別為0.009 4%/min，0.017 3%/min和0.025 9%/min，分別比相同條件下的紫色土大27%，11%和7%。但2種土壤的水分蒸發(fā)速率峰值出現(xiàn)時間相同。蒸發(fā)速率減少過程中，黃壤的變化率比相同條件下的紫色土大100%～126%。當(dāng)溫度從20 ℃升至40 ℃時，黃壤的水分蒸發(fā)速率平均變化率變化幅度較紫色土增大了82%，但土壤水分蒸發(fā)最大速率由0.006 6%增加至0.025 9%，增加率為293%，較紫色土減少了8%。

圖2 土壤水分時段蒸發(fā)速率

根據(jù)土壤水分累積蒸發(fā)量計算出的平均蒸發(fā)速率見圖3。如圖3所示，土壤水分平均蒸發(fā)速率在溫度為20 ℃時相對穩(wěn)定，而在30 ℃和40 ℃時隨時間的增加呈先增加后趨于穩(wěn)定再逐漸減小變化。從0～120 min，溫度為30 ℃時，2種土壤的水分平均蒸發(fā)速率分別增加了86%和88%，溫度為40 ℃時，平均蒸發(fā)速率增加率達(dá)100%。120 min～360 min，2種土壤的水分平均蒸發(fā)速率變化均相對平穩(wěn)，變化率僅為1%～5%。360 min至試驗結(jié)束，2種土壤的水分平均蒸發(fā)速率呈遞減趨勢，但黃壤在30 ℃和40 ℃時的水分平均蒸發(fā)速率變化率分別為紫色土的55%與97%。

圖3 土壤水分平均蒸發(fā)速率隨時間的變化

2.3 土壤水分累積蒸發(fā)量與溫度關(guān)系

2種土壤的水分累積蒸發(fā)量在溫度為20 ℃時均呈線性增加，在溫度為30 ℃和40 ℃時均呈先快速增加后緩慢增加趨勢(圖4a)。隨著時間推移，同一溫度條件下紫色土與黃壤之間及同一土壤類型條件下3個溫度之間的累積蒸發(fā)量差值均變大，但在0～120 min內(nèi)均無明顯差異。從120 min至試驗結(jié)束，3種溫度條件下的紫色土水分累積蒸發(fā)量均小于黃壤，這可能是因為黃壤容重較小，孔隙度較大，土壤水分更易流失。同一累積時長下，2種土壤的累積蒸發(fā)量均表現(xiàn)為40 ℃>30 ℃>20 ℃，說明溫度升高可以增加土壤水分耗散量。此外，紫色土和黃壤的累積蒸發(fā)量與初始含水量的比值(累積蒸發(fā)失水比)均隨著溫度的升高而逐漸增大(圖4b)，但溫度為20 ℃時，2種土壤的累積蒸發(fā)失水比曲線基本重合，溫度為30 ℃和40 ℃時，中后期紫色土累積蒸發(fā)失水比小于黃壤，差異不顯著。試驗條件范圍內(nèi)，土壤水分總蒸發(fā)量變化范圍為8.56%～15.23%，占土壤初始含水量的43%～65%，說明土壤水分主要通過蒸發(fā)而損失。其中，20 ℃下紫色土水分累積蒸發(fā)失水比對比40 ℃由43.33%增加至61.52%，黃壤由43.30%增加至64.48%。

圖4 土壤水分累積蒸發(fā)量及其占土壤初始含水量比例隨時長變化

Gardner等[11]認(rèn)為，累積蒸發(fā)量與時間的平方根呈線性關(guān)系，本試驗對土壤水分累積蒸發(fā)量與時長的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果可表示為:

E=atb

(1)

式中：E——累積蒸發(fā)量(%)；t——時間(min)；a，b——常數(shù)，a和b的取值見表2。下同。

表2 土壤水分累積蒸發(fā)量與烘干時長的擬合曲線參數(shù)

由方程E=atb可知，當(dāng)t=1時，E=a，可知方程式中a值為初始累積蒸發(fā)量(第1 min內(nèi)的蒸發(fā)量)。隨著溫度的增加，2種土壤的a值均逐漸增加。當(dāng)溫度條件相同時，紫色土a值大于黃壤，但沒有明顯的差異，這與圖4(a)中的結(jié)果相同。

由E=atb推算土壤水分平均蒸發(fā)速率：

V=dE/dt=abt(b-1)

(2)

式中：V——土壤水分平均蒸發(fā)速率(%/min)。

由公式(2)可知，ab與t(b-1)共同決定土壤水分平均蒸發(fā)速率，不同試驗條件下ab和(b-1)值見表3。

表3 不同試驗條件下ab和b-1值

紫色土和黃壤的ab值均表現(xiàn)為：40 ℃>30 ℃>20 ℃，說明溫度升高可明顯提高土壤初期蒸發(fā)速率。影響土壤水分蒸發(fā)速率的另一個因子(b-1)表現(xiàn)規(guī)律相反，紫色土和黃壤均為：40 ℃<30 ℃<20 ℃，說明溫度越高，土壤水分平均蒸發(fā)速率減小階段的變化率越大。隨著時間的增加，40 ℃下(b-1)值較20 ℃的相對減少量大于30 ℃下較20 ℃減少量，所以隨著時間的延長，20 ℃，30 ℃和40 ℃下土壤水分平均蒸發(fā)速率差異會逐漸減小。

3 討 論

土壤水分耗散與溫度及土壤類型密切相關(guān)，不同溫度下水汽壓梯度不同，不同類型土壤的顆粒組成及孔隙度存在差異，這些均導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)量及蒸發(fā)速率等土壤水分耗散指標(biāo)存在差異。本研究中土壤水分時段蒸發(fā)量數(shù)據(jù)的多重比較分析表明，土壤水分時段蒸發(fā)量遞增階段，不同溫度之間紫色土水分時段蒸發(fā)量差異顯著(p<0.05)，黃壤水分時段蒸發(fā)量差異也達(dá)到了顯著水平(p<0.05)，土壤水分時段蒸發(fā)量遞減階段，僅黃壤30 ℃與40 ℃之間存在顯著差異(p<0.05)，說明在高含水率時土壤水分蒸發(fā)量受溫度影響較大，可能是因為在烘干初期土壤水分飽和條件下，土壤蒸發(fā)水量主要由液態(tài)水通量提供，由于水汽壓梯度的存在，土壤水分蒸發(fā)速率迅速增大，而飽和水汽壓受溫度影響較大[12-13]。因此，在高溫晴熱天氣下，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注干旱對水田的影響。

本研究中同一溫度條件下紫色土水分時段蒸發(fā)量、時段蒸發(fā)速率、平均蒸發(fā)速率及累積蒸發(fā)量均小于黃壤，供試土壤容重為紫色土>黃壤，這與An等[14]對容重變化與土壤水分特征的依賴關(guān)系的研究結(jié)果相符。黃壤容重較小，較大孔隙可能較為豐富，而土壤水分主要儲存在土壤較大孔隙中，較大孔隙的毛管勢較小，只需要較小的吸力值，就能引起土壤含水量的變化，同時土壤孔隙度是土壤容重的函數(shù)，容重越小，孔隙度越大，土壤越容易失水[15]。李開元等[16]研究表明初始含水率越高，土壤累積蒸發(fā)失水比越小，而本試驗條件下，紫色土初始含水率小于黃壤，但累積蒸發(fā)失水比表現(xiàn)為紫色土≤黃壤，與其結(jié)果相反，原因可能在于供試黃壤有機(jī)質(zhì)含量較低，保水性差[17]，在旱情易發(fā)季節(jié)，可以通過及時施用農(nóng)家肥等有機(jī)肥來預(yù)防干旱。

土壤水分耗散受多種因素影響，本試驗于室內(nèi)模擬條件下進(jìn)行，與野外實際水分耗散條件存在風(fēng)速、空氣濕度及土層厚度等差異，土壤水分耗散量不同，但變化規(guī)律具有一致性[18]。此外，本研究供試土壤的有機(jī)質(zhì)、容重、質(zhì)地等因素均存在一定差異，關(guān)于土壤水分耗散特征影響因素的研究需要進(jìn)一步展開。

4 結(jié) 論

(1) 同一土壤類型，土壤水分時段蒸發(fā)量、時段蒸發(fā)速率、平均蒸發(fā)速率及累積蒸發(fā)量均隨溫度的升高而增大，但在烘干后期低含水率階段，不同溫度間相應(yīng)指標(biāo)值漸趨一致。

(2) 紫色土與黃壤水分時段蒸發(fā)量、時段蒸發(fā)速率和平均蒸發(fā)速率均呈先增后減最后穩(wěn)定趨勢。紫色土累積蒸發(fā)量小于黃壤，隨著時間的推移，兩者差值不斷增大。30 ℃和40 ℃下土壤累積蒸發(fā)失水比均表現(xiàn)為紫色土小于黃壤，20 ℃下2種土壤累積蒸發(fā)失水比近似相同。

(3) 紫色土和黃壤水分累積蒸發(fā)量與時間的關(guān)系均可用函數(shù)E=atb表達(dá)，式中，參數(shù)a為土壤水分蒸發(fā)初期的累積蒸發(fā)量，隨溫度的升高而增大。