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。
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)
1.2.1 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(℃)。
1.3.1 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)。
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
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
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。
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。
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。
(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。