李 倫, 劉海軍, 高壯壯, 楊 麗, 馮東雪

(北京師范大學 水科學研究院 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 100875)

楊樹(Populusspp.)作為中國北方地區(qū)主要的人工林樹種，被廣泛用于公路、鐵路防護林以及城市綠化等方面[1-3]。其生長對水、光、熱等條件都具有較高的要求[4-5]。中國北方多為干旱、半干旱區(qū)，水資源短缺，蒸發(fā)作用強烈[2]。蒸發(fā)作為缺水地區(qū)耗水量的重要組成部分，直接影響著當?shù)氐乃难h(huán)、土壤水分的變化情況，也影響著楊樹的正常生長發(fā)育[6-7]，缺水地區(qū)楊樹大面積種植的可持續(xù)性引起越來越多的關(guān)注。定量計算林間土壤蒸發(fā)量，研究土壤蒸發(fā)規(guī)律及其測量技術(shù)對于林間水分管理以及作物耗水規(guī)律的研究具有重要的意義。國內(nèi)外許多學者從水文學、氣象學等不同的角度，對土壤蒸發(fā)過程及其影響要素進行研究并建立了定量的計算方法。Fox[8]基于能量平衡方程，利用土壤與理想干土柱表面溫差與日累計風速建立了土壤蒸發(fā)的估算公式；Ben-Asher等[9]對Fox的模型進行了改進，引入積分的概念，利用土表溫差與風速建立了相對蒸發(fā)量的計算方法；Alvenas等[10]以土壤熱流的計算公式為基礎(chǔ)，建立了土面蒸發(fā)的估算公式；張建國等[11]分析了土壤蒸發(fā)與水面蒸發(fā)的關(guān)系，通過一維平差處理對防護林土壤蒸發(fā)進行估算；高壯壯等[12]利用不同水分條件下土壤表層溫度的差異，建立了以飽和土壤為參考的不同水分條件下土壤蒸發(fā)量的估算公式。目前，對于土壤蒸發(fā)量的估算多數(shù)都是建立在理論模型的基礎(chǔ)上，模型的準確性、適用性需要根據(jù)實際的應用條件進行調(diào)整和檢驗；模型計算時所需的參數(shù)較為復雜；模型的推廣受到當?shù)貧夂?、下墊面等條件的影響。林下土壤蒸發(fā)不僅受到土壤本身條件的影響，同時受到林木覆蓋等影響，以上公式直接利用會造成較大的誤差。本試驗以河北省邢臺市大曹莊國家級種子試驗站東側(cè)道路兩旁的楊樹林為研究對象，利用微型蒸發(fā)器和20 cm蒸發(fā)皿對林下水面及土壤的實際蒸發(fā)量進行測量，分析防護林地的氣候特征，以水面蒸發(fā)為參考，建立估算土壤蒸發(fā)量的公式，探求估算林下土壤蒸發(fā)量的簡便方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019年8—10月在河北省邢臺市寧晉縣大曹莊國家級種子試驗站(37°29′49.25″N，114°55′40.59″E，海拔26 m)進行。試驗站東側(cè)為406鄉(xiāng)道，楊樹防護林種植于公路兩側(cè)，單側(cè)防護林寬15 m。研究區(qū)1981—2018年的年平均降水量在218～666 mm，多年平均降水量為430 mm，2019年降水量為499.6 mm；多年氣溫平均值為13.03 ℃，平均值日照時長為2 428 h，無霜期約250 d[1,13]。研究區(qū)地勢平坦、土質(zhì)肥沃。防護林地0—60 cm的土壤均為粉壤土(表1)。楊樹樹種為速生107楊(Popolus×euramericanacv. ‘Neva’ )；樹齡為10 a；平均樹高為15.6 m；平均胸徑17.3 cm；平均冠幅為2.25 m；防護林內(nèi)楊樹的株距約為3.0 m，行間距約為3.5 m；林區(qū)無灌溉條件，春秋季節(jié)進行修剪。

表1 研究區(qū)土壤性質(zhì)

1.2 試驗設計

1.2.1 蒸發(fā)量和溫度測量 在防護林行間中心處布置3個20 cm蒸發(fā)皿和自制的6套微型蒸發(fā)器(micro-lysimeter， ML)，測量水面的蒸發(fā)量及林下原狀土的蒸發(fā)量。微型蒸發(fā)器由PVC管加工而成，其中內(nèi)管高度為150 mm，壁厚為3 mm，內(nèi)徑為104 mm；外管內(nèi)徑為120 mm，固定于行間，方便取出和放回內(nèi)筒，同時能夠避免更換土壤時對土體的破壞[14-16]。用微型蒸發(fā)器取原狀土樣時，將內(nèi)管垂直壓入土中，帶土整體挖出后用保鮮膜封底，用皮筋及膠帶固定。每日上午7:00用精度為0.01 g的電子天平測量蒸發(fā)皿及微型蒸發(fā)器的質(zhì)量，3個蒸發(fā)皿與其前1日的質(zhì)量之差的均值為前1日的林下水面蒸發(fā)量，6套微型蒸發(fā)器與前一日的質(zhì)量之差的均值為前1日的土壤蒸發(fā)量。為了保證試驗的精度，每次測量后，將20 cm蒸發(fā)皿內(nèi)的水補充到深度為20 mm，并測量蒸發(fā)皿質(zhì)量，每2 d更換微型蒸發(fā)器中的土壤，雨后要更換微型蒸發(fā)器中的土壤[17-18]。

土壤表層溫度數(shù)據(jù)及蒸發(fā)皿內(nèi)水體的溫度采用TT-T-24型熱電偶進行測量。在蒸發(fā)皿水面下約10 mm處布置3根溫度傳感器，在每個微型蒸發(fā)器內(nèi)土壤表層5—10 mm處埋設3根溫度傳感器，采集器為CR1000(campbell scientifics， USA)，采集頻率為10 s一次，記錄5 min的平均值。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)的采集 氣象數(shù)據(jù)使用試驗站自動氣象站進行采集，包括溫度、輻射、風速、降水等，采集器為CR1000x(campbell scientifics， USA)，采集頻率為10 s一次，記錄10 min的平均值。由于飽和水汽壓差(VPD)與蒸發(fā)關(guān)系緊密，計算了日均VPD，計算公式為[1]：

(1)

式中：VPD為日均飽和水汽壓差(kPa)；Hr為日均相對濕度(%)；t為日均氣溫(℃)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 林下土壤相對蒸發(fā)量(RE) 水面蒸發(fā)量反映了試驗環(huán)境下大氣的蒸發(fā)能力。為了消除每日蒸發(fā)能力變化的影響，計算了土壤相對蒸發(fā)量RE(relative soil evaporation)，其值為時段內(nèi)林地土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值，即：

(2)

式中：Ea為林地土壤日蒸發(fā)量(mm);E0為日水面蒸發(fā)量(mm)。

1.3.2 林下土壤與水面溫度差相對值(RT) 土壤蒸發(fā)會影響表層溫度，因此基于土壤表層溫度的變化來估算土壤蒸發(fā)量。將某一時段內(nèi)的林地土壤表層溫度與該時段內(nèi)水的溫度相減，得到該時段內(nèi)土壤與水的溫度差值ΔT。為了消除絕對溫度的影響，采用溫度差的相對值，計算公式為溫度差除以該時段上水的平均溫度。

(3)

(4)

1.3.3 干擾性數(shù)據(jù)篩選 本試驗為露天試驗，降雨會對試驗結(jié)果造成影響，數(shù)據(jù)分析時剔除了9月9—13日及10月4日降水量較大日期的數(shù)據(jù)(圖1)，除此之外還剔除了儀器出現(xiàn)故障的9月20—25日的數(shù)據(jù)。

圖1 試驗期間降雨及風速的變化過程

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019和Origin 2021軟件進行處理、作圖和曲線擬合，利用SPSS 25.0對各氣象要素與蒸發(fā)量進行相關(guān)性分析。為了評估所建立的模型的精度，采用均方根誤差(RMSE)、平均相對誤差(MRE)和納什效率系數(shù)(NSE)進行評估[19]。

(5)

(6)

(7)

式中：Pi為第i個擬合值;Oi為第i個實測值;Oave為實測平均值;n為擬合值或?qū)崪y值個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 林下土壤和水面蒸發(fā)量及溫度的日變化過程

圖2為試驗期間林下土壤及水面的日蒸發(fā)量和兩者日均溫度隨時間的變化曲線。由圖2可知，試驗期間防護林內(nèi)土壤及水面總的蒸發(fā)量分別為31.37和87.84 mm。和土壤蒸發(fā)相比，水面的日蒸發(fā)量變化更為劇烈，最大蒸發(fā)量為4.21 mm/d，日最小值不足0.5 mm/d；而土壤的日蒸發(fā)量較為穩(wěn)定，在1 mm/d左右波動。土壤和水面溫度在試驗期間變化趨勢一致，隨著時間推移，溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

圖2 試驗期間土壤、水面的日蒸發(fā)量及日均溫度的變化過程

2.2 蒸發(fā)量與氣象要素的關(guān)系

對氣象要素與林下土壤及水面的日蒸發(fā)量分別進行相關(guān)性分析，結(jié)果詳見表2。由表2可以看出，林下水面蒸發(fā)與日總輻射及當日最高氣溫均呈現(xiàn)極為顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.761，0.575；水面蒸發(fā)與日均氣溫呈現(xiàn)出較為顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.373；土壤蒸發(fā)僅與日總輻射存在顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.331。輻射和空氣溫度為熱力因子，為蒸發(fā)過程提供能量，可以通過控制水體能量的變化來影響蒸發(fā)。試驗期間的土壤及水面的蒸發(fā)量與日均風速的相關(guān)關(guān)系均不顯著。風速為動力因子，主要通過影響水汽分子的擴散速度影響蒸發(fā)，日均風速較低時，蒸發(fā)量受風速影響較小，但是當日均風速較大時，兩者的蒸發(fā)量有明顯提高(如8月29日、9月15日和9月30日)。水面蒸發(fā)與日均飽和水汽壓差呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與日均相對濕度呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.579和-0.397，土壤蒸發(fā)與兩者相關(guān)關(guān)系不顯著?？諝鉂穸群惋柡退麎翰顬樗忠蜃?，可以通過影響大氣及物體表面的水汽壓差來影響蒸發(fā)。

表2 氣象要素與土壤及水面蒸發(fā)量相關(guān)分析結(jié)果

2.3 相對蒸發(fā)量RE與溫度差相對值RT的關(guān)系

充分供水條件下，水體的溫度主要受到氣象條件的影響。但是當土壤中的水分逐漸消耗、含水量逐漸下降時，土壤蒸發(fā)量也逐漸下降，這時由于蒸發(fā)量的下降造成土壤溫度比充分供水條件下的溫度高，土壤蒸發(fā)條件下的溫度和充分供水條件下的溫度差與土壤蒸發(fā)量是相關(guān)的。為了尋求能最大程度反映土壤蒸發(fā)量的溫度差，本研究分別分析了8月25日至10月7日數(shù)據(jù)測量期間數(shù)據(jù)較好的26 d的日均相對溫度、白天8：00—18:00，10：00—16:00時與12：00—14:00平均相對溫度差值RT與日相對蒸發(fā)量RE的關(guān)系(見圖3)。由圖3可以看出，基于擬合公式的決定系數(shù)(R2)，12：00—14：00時平均的RT與日相對蒸發(fā)量RE擬合效果(圖3)要優(yōu)于其他時段。

2.4 土壤蒸發(fā)量公式擬合與驗證

從圖3可以看出，利用12：00—14：00時的平均溫度差相對值RT與日相對蒸發(fā)量RE所建立的關(guān)系估算土壤蒸發(fā)量的效果最好(回歸公式的決定系數(shù)R2最大)。但是對于圖中建立的三次函數(shù)，隨著RT的繼續(xù)增大，RE會逐漸降低，甚至會出現(xiàn)小于0的情況，與實際不符。由圖3可知，開始時隨著RT的增大，RE快速減小，當RT大于某一值時，RE逐漸趨近于一個常數(shù)，因此本文用分段函數(shù)擬合。為了滿足模型建立和驗證使用的數(shù)據(jù)相互獨立，選擇將試驗期間的蒸發(fā)及溫度數(shù)據(jù)分為A組(9月14日至10月5日，共14日)和B組(8月25日至9月9日，共12日)其中A組數(shù)據(jù)用于關(guān)系擬合，B組數(shù)據(jù)用于所建立關(guān)系的驗證。利用A組數(shù)據(jù)擬合的公式如式(8)，擬合曲線如圖4所示，利用B組數(shù)據(jù)驗證結(jié)果如圖4所示，模型檢驗指標RMSE，MRE和NSE詳見表3。

表3 A，B組數(shù)據(jù)的模型檢驗指標

圖3 日相對蒸發(fā)量RE與日不同時間段平均相對溫度差值RT的關(guān)系

圖4 日相對土壤蒸發(fā)量(RE)和溫度差相對值(RT)的擬合曲線(A組)及曲線驗證(B組)

(8)

式中：RE為日土壤相對蒸發(fā)量； RT為日12：00—14：00平均溫度差相對值。

通過A組數(shù)據(jù)建模和B組數(shù)據(jù)驗證的結(jié)果看出，實測和估算的日相對蒸發(fā)量RE的R2均達到了0.9，RMSE分別為0.087，0.043，MRE的絕對值小于10%，NSE均大于0.9，表明該擬合公式可用于計算試驗區(qū)林下土壤蒸發(fā)量。

3 討 論

土壤蒸發(fā)對土壤溫度的影響使得利用土壤溫度變化估算土壤蒸發(fā)成為可能。馬已安等[6]以一次供水的不同表面條件的土壤與水面進行對比，將裸地的蒸發(fā)過程劃分為3個階段，將壓砂地土壤蒸發(fā)劃分為2個階段。高壯壯等[12]以一次供水與充分供水條件下的土壤蒸發(fā)為研究對象，發(fā)現(xiàn)兩者的溫度差相對值隨著蒸發(fā)過程的進行逐漸增大，當蒸發(fā)進行到水汽擴散階段時，溫度差相對值趨于穩(wěn)定。本試驗中，基于溫度差變化將RE變化過程分為了兩個階段。在第一階段，初始時，土壤含水量相對較高，土壤水分供水相對充足，蒸發(fā)對土壤溫度影響小，土壤與水面溫度差值不大，RT接近于0；隨后土壤含水量的降低，蒸發(fā)所利用的輻射能量逐漸減少，部分輻射能量轉(zhuǎn)化為感熱通量提高了溫度，這時RT逐漸增加，RE也逐漸減小；當RT>0.11后， RE趨近常數(shù)0.164，此時土壤中的液態(tài)水分含量極低，土壤蒸發(fā)進入到水汽擴散階段，土壤溫度已不受土壤含水量的影響，而主要受輻射的影響[28]。

使用微型蒸發(fā)器進行土壤蒸發(fā)測定簡單實用，但是在應用過程中仍然面臨著一些問題亟待解決。微型蒸發(fā)器無法測定植物根系吸收水分造成的土壤水分變化的過程[29]，未來可進一步結(jié)合植物蒸騰耗水進行研究，整體分析楊樹防護林蒸散發(fā)過程。不同土壤質(zhì)地條件下，土壤含沙量，土壤孔隙、熱容量等性質(zhì)的不同會改變土壤水分的運動特征進而影響土壤表層溫度及蒸發(fā)量[6,12,26]，本文僅研究了粉壤土條件下的防護林土壤蒸發(fā)，條件比較單一，今后可改變土壤質(zhì)地，研究其對蒸發(fā)的影響。含水量是影響土壤蒸發(fā)的重要條件，不少學者從含水量的角度研究了蒸發(fā)量與含水量間的變化規(guī)律[2,6,20-21,26]。本文主要嘗試利用水面及土表溫度差相對值來建立估算土壤蒸發(fā)量的經(jīng)驗公式，但是土壤含水量的測定對土壤蒸發(fā)規(guī)律的研究以及劃分蒸發(fā)階段有十分重要的意義，在今后的土壤蒸發(fā)量估算的研究中，將ML內(nèi)的土壤含水量納入測定范圍。

4 結(jié) 論

(1) 林下影響水面蒸發(fā)的氣象因素排序為輻射、飽和水汽壓差和溫度；但是林下土壤含水量總體較低，使得土壤蒸發(fā)與氣象要素關(guān)系較弱。

(2) 林下土壤相對蒸發(fā)量RE隨土壤與水體溫度差相對值RT變化過程可以分為兩個階段：RE隨RT的增加逐漸減小，當RT大于0.11時，RE趨近于常數(shù)0.164，認為此時蒸發(fā)過程已經(jīng)進入到水汽擴散階段。

(3) 構(gòu)建了基于土壤—水體溫差的土壤蒸發(fā)量公式，經(jīng)驗證估算的土壤蒸發(fā)量與實測的土壤蒸發(fā)量接近(R2=0.9)，因此本研究提出的方法為原位測量并估算林下土壤蒸發(fā)提供了新思路。