劉大有,費(fèi)良軍,郝 琨,周念文,馮子娟
(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安建筑科技大學(xué),陜西 西安 710000)
土壤水分蒸發(fā)是陸地水分循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié),農(nóng)業(yè)水資源研究與陸面蒸發(fā)及農(nóng)田蒸發(fā)的分析計(jì)算關(guān)系密切。然而,由于成土過程和人類活動(dòng)的影響,土壤中常出現(xiàn)夾雜礫石的土石混合現(xiàn)象[1],礫石的存在使土壤水分運(yùn)動(dòng)通道和孔隙狀況等物理特性發(fā)生改變[2]。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于碎石對(duì)土壤的含水量和水分溶質(zhì)運(yùn)移等已有較多研究,王慧芳等[3]通過室外小區(qū)模擬降雨試驗(yàn),認(rèn)為碎石可以促進(jìn)淺層土壤入滲和存儲(chǔ)。相關(guān)蒸發(fā)研究中,趙丹等[4]利用5種砂石覆蓋度和2個(gè)灌水量進(jìn)行土壤水分蒸發(fā)試驗(yàn),結(jié)果表明:砂石覆蓋抑制蒸發(fā),且抑制作用與砂石覆蓋度有關(guān)。土表覆蓋會(huì)改變土壤的邊界條件,減少了蒸發(fā)面積,阻斷土壤與大氣之間的水分交換通道,可用于農(nóng)田保墑[5]。當(dāng)?shù)[石存在于土壤內(nèi)部則改變土壤孔隙狀況,使水分運(yùn)動(dòng)更復(fù)雜。朱元駿等[6]進(jìn)行黃土鈣結(jié)石蒸發(fā)研究,認(rèn)為土壤蒸發(fā)與鈣結(jié)石含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且與土壤含水率有關(guān)。van Wesemael等[7]研究認(rèn)為在降雨后土壤表面較濕潤下,碎石與土壤之間的孔隙能夠保持連續(xù)的水流上升的蒸發(fā)過程,因此可以增大蒸發(fā)量。
國內(nèi)學(xué)者關(guān)于碎石土壤中入滲、蒸發(fā)等影響研究多集中于北方地區(qū),對(duì)紅壤地區(qū)相關(guān)研究較少,因此以紅壤礫石混合介質(zhì)為研究對(duì)象進(jìn)行蒸發(fā)特性試驗(yàn)研究,可為紅壤土石混合地區(qū)內(nèi)的農(nóng)田灌溉制度確定,土壤水分預(yù)報(bào)等提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)于2019年4月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)室進(jìn)行,供試土壤取自江西省南昌市昌北科技生態(tài)園,取土后風(fēng)干研磨,過2 mm篩備用。土壤初始含水率為12.4%,裝土容重為1.3 g/cm3,土壤質(zhì)地為壤黏土。在土壤剔除的礫石中保留直徑1~3 cm礫石作為供試材料,礫石表面平滑,具有一般的巖石性質(zhì)。將礫石表面雜物沖洗干凈,晾曬風(fēng)干。
試驗(yàn)使用蒸發(fā)器為PVC材質(zhì)柱形圓管,PVC圓管直徑16 cm,高50 cm,壁厚0.4 cm,底部是一個(gè)封閉柱形蓋堵頭,其直徑11.6 cm,高3 cm。使用電子秤對(duì)土柱稱重,電子秤量程30 kg,精度為1 g。
(1)
式中:E土為土柱的日蒸發(fā)量(mm);M0為前一天土柱稱重質(zhì)量(g);Mt為后一天土柱稱重質(zhì)量(g);r為蒸發(fā)器半徑(cm)。
使用3種公式對(duì)累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行分析,分別是:
(1)Black蒸發(fā)模型[8]
Black 蒸發(fā)模型適用于蒸發(fā)下邊界沒有水分持續(xù)供給條件下土壤累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化情況,表達(dá)式為:
(2)
式中E為累積蒸發(fā)量(mm);t為蒸發(fā)歷時(shí)(d);a、b為蒸發(fā)參數(shù)。
(2)Rose蒸發(fā)模型[9]
Rose 蒸發(fā)模型形式簡單,蒸發(fā)下邊界沒有供水時(shí)應(yīng)用廣泛,表達(dá)式為:
(3)
式中:E為累積蒸發(fā)量(mm);t為蒸發(fā)歷時(shí)(d);c為穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù);d為水分?jǐn)U散參數(shù)。
(3)冪函數(shù)[10]:
E=A·tB
(4)
式中E為累積蒸發(fā)量(mm);t為蒸發(fā)歷時(shí)(d);A、B為蒸發(fā)參數(shù)。
利用Microsoft Excel 2010、SPSS 25和Matlab 2018a軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、繪圖和函數(shù)擬合及分析。
圖1為不同礫石含量下的累積蒸發(fā)量曲線,可以看出,隨著土壤中礫石含量增加,累積蒸發(fā)量逐漸增大。相對(duì)于無礫石CK,含礫石土壤累積蒸發(fā)量在觀測期結(jié)束分別增加4.55%、13.24%、22.73%。在蒸發(fā)初期階段中,各處理的累積蒸發(fā)量接近,無明顯規(guī)律。這是因?yàn)橥寥勒舭l(fā)是從表層土壤向空氣擴(kuò)散的,此時(shí)鑲嵌于土壤內(nèi)部的礫石的影響效果不明顯。整個(gè)觀測期內(nèi),H1由于礫石含量最小,從第5個(gè)觀測日后略高于CK。其余處理均明顯高于CK。土體內(nèi)礫石促進(jìn)土壤蒸發(fā)的原因可能是土壤蒸發(fā)初期,土面表層潮濕,含水量大,土壤孔隙內(nèi)充滿水,使土壤中土粒牢固結(jié)合。而礫石作為一個(gè)表面相對(duì)光滑,透水性差的介質(zhì)鑲嵌于土壤中,難以與土壤緊密結(jié)合,與土壤接觸中在沿礫石邊緣部位產(chǎn)生大孔隙,所以此時(shí)礫石的存在相當(dāng)于增大了土壤內(nèi)部的孔隙體積和數(shù)量,提高了土壤孔性??紫对谕寥乐袚?dān)負(fù)保水和通氣的功能,大孔隙促進(jìn)水分上升運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性,因此在一定程度上有利于蒸發(fā)。
圖1 不同處理累積蒸發(fā)量隨時(shí)間變化曲線
為了定量分析存在礫石條件下的土壤累積蒸發(fā)量與時(shí)間的關(guān)系,分別利用Black蒸發(fā)模型、Rose蒸發(fā)模型和冪函數(shù)擬合累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時(shí)間之間的關(guān)系,對(duì)圖1中不同含量礫石累積蒸發(fā)量變化曲線擬合結(jié)果見表1。可以看出,三種不同模型均可較好地?cái)M合累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時(shí)間之間的關(guān)系,R2均大于0.99,對(duì)應(yīng)的最小R2分別為0.999 0、0.996 7、0.998 3,根據(jù)最小決定系數(shù),三種模型中Black蒸發(fā)模型擬合效果最優(yōu)。
選用Black蒸發(fā)模型描述累積蒸發(fā)量與礫石含量關(guān)系,根據(jù)表1可知,擬合參數(shù)a、b均隨礫石含量增大而遞增,具體表現(xiàn)為:礫石含量從0增大到20%,a從7.329增大到9.376;b從1.906增大到3.848。經(jīng)分析,蒸發(fā)參數(shù)a與礫石含量w呈線性關(guān)系;參數(shù)b與礫石含量w呈二項(xiàng)式關(guān)系:
表1 蒸發(fā)模型擬合效果分析
a(w)=0.102 2w+7.395 2R2=0.989 7
(5)
b(w)=0.0034w2-0.1594w-2.004 7R2=0.937 6
(6)
將公式(5)和公式(6)代入公式(2)。得礫石含量與累積蒸發(fā)量關(guān)系模型:
(7)
利用模型(7)驗(yàn)證礫石含量w=10%的處理,將累積蒸發(fā)量的試驗(yàn)實(shí)測值和模型模擬值對(duì)比,結(jié)果見圖2,實(shí)測值和模擬值兩條曲線接近,所有觀測數(shù)據(jù)實(shí)測值和模擬值出現(xiàn)最大誤差為8.91%,模型(7)計(jì)算礫石含量10%的擬合系數(shù)R2=0.993 5,說明該模型能較好地預(yù)測不同礫石含量的紅壤土蒸發(fā)量。
圖2 礫石含量10%的實(shí)測值與模擬值對(duì)比
試驗(yàn)將土柱看作一個(gè)整體研究,而實(shí)際中紅壤土與礫石間質(zhì)量和透水性存在差異,在礫石含量大的處理中土壤質(zhì)量較小,灌入等量的水導(dǎo)致初始含水率較大,為消除其影響,采用蒸發(fā)系數(shù)μ,公式為:
(8)
式中:E為累積蒸發(fā)量(mm);I為供水總量(mm)。計(jì)算不同處理的蒸發(fā)系數(shù)見圖3。
圖3 蒸發(fā)系數(shù)變化
采用蒸發(fā)系數(shù)以比例形式描述土壤水分損失,圖3表明不同處理加入1 kg水分后土柱水分總蒸發(fā)量范圍為25~31 mm,占土壤總水量的50%~63%,說明觀測期內(nèi)總體蒸發(fā)較強(qiáng),超過一半水分散失。從圖3中還可以看出,隨著礫石含量增加,蒸發(fā)系數(shù)呈升高趨勢。其中,礫石含量20%的蒸發(fā)系數(shù)比無礫石大0.115。說明礫石增大土壤蒸發(fā),降低了土壤保水能力。
將觀測期內(nèi)累積蒸發(fā)量以天為單位計(jì)算日蒸發(fā)量,即土壤水分蒸發(fā)速率,如圖4。圖4中蒸發(fā)速率的峰值出現(xiàn)在第1個(gè)觀測日,各處理日蒸發(fā)量均達(dá)到最大,但組間無明顯差異,這符合土壤蒸發(fā)階段變化規(guī)律。蒸發(fā)初期,大氣蒸發(fā)能力占主導(dǎo)作用,此時(shí)土表有充足水分向空氣散失,蒸發(fā)速率達(dá)到最大。蒸發(fā)過程分為穩(wěn)定蒸發(fā)階段、蒸發(fā)強(qiáng)度隨土壤含水率降低而減少和水汽擴(kuò)散三個(gè)階段。在第二階段,土壤表面的含水率低,蒸發(fā)所需水分從更深層土壤獲取時(shí),土體中礫石影響開始呈現(xiàn)。整個(gè)試驗(yàn)過程蒸發(fā)速率隨時(shí)間逐漸降低,其中H3在多個(gè)觀測日蒸發(fā)速率最大,說明礫石含量越大,蒸發(fā)速率越大。在第13、14天,各處理蒸發(fā)速率最小,而組間差異也達(dá)到最小,最后1個(gè)觀測日CK~H3蒸發(fā)速率分別為0.746、0.796、0.746、0.846 mm,說明礫石對(duì)蒸發(fā)的促進(jìn)作用有限,當(dāng)蒸發(fā)歷時(shí)長或累積蒸發(fā)量較大時(shí),礫石對(duì)土壤蒸發(fā)的影響減小。
圖4 蒸發(fā)速率變化規(guī)律
根據(jù)圖4曲線趨勢分析得,蒸發(fā)速率由大到小變化的過程符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,使用式(9)進(jìn)行擬合,結(jié)果見表2。
表2 蒸發(fā)速率擬合結(jié)果
Ev=C·lnt+D
(9)
式中:Ev為蒸發(fā)速率(mm·d);t為蒸發(fā)歷時(shí)(d);C、D為擬合參數(shù)。
由表2可知,蒸發(fā)速率和時(shí)間擬合決定系數(shù)R2均大于0.90,表示對(duì)數(shù)函數(shù)可以較好地描述整個(gè)蒸發(fā)過程蒸發(fā)速率Ev和時(shí)間t的變化關(guān)系,其中H3擬合參數(shù)C、D最大,其余處理擬合參數(shù)H2>CK>H1,說明H1和CK蒸發(fā)速率相差不大,擬合參數(shù)變化規(guī)律不明顯。
本文通過室內(nèi)試驗(yàn),探究了紅壤土夾雜四種含量的礫石情況下土壤水分蒸發(fā)量隨時(shí)間變化的過程。研究結(jié)果與國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果有所不同,如朱元駿[6]研究認(rèn)為蒸發(fā)量隨土壤里的鈣結(jié)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少。造成這種結(jié)果出現(xiàn)差異的原因可能有兩方面,一方面,朱元駿的試驗(yàn)在室內(nèi)干旱箱的條件下進(jìn)行,蒸發(fā)強(qiáng)度大且恒定。隨著蒸發(fā)過程進(jìn)行,土柱表土的含水量下降,土粒間變得疏松,孔隙的數(shù)量和體積也增多,使得土壤內(nèi)部有更多的空間來容納毛細(xì)管作用上升來的水分,此時(shí)土壤種的礫石反而增加了水流彎曲度,阻礙了水分上升路徑,減少了蒸發(fā)面積,從而抑制了蒸發(fā)。另一方面,由于紅壤相比黃土具有持水性強(qiáng)的性質(zhì),且試驗(yàn)期屬于南方典型的雨季月份,溫度較低,空氣濕度大,含有礫石的土柱中土壤質(zhì)量小,初始含水率更高,直至觀測結(jié)束淺層土體仍較濕潤。說明土石混合介質(zhì)的水分運(yùn)動(dòng)可能具有兩面性[11]。實(shí)際中礫石對(duì)土壤蒸發(fā)有多個(gè)因素影響,不僅需要考慮含量,還有種類、大小、與土壤結(jié)合方式、分布狀況等因素,本試驗(yàn)以礫石含量單一因素為研究對(duì)象,在實(shí)際應(yīng)用中,還需要綜合考慮上述因素進(jìn)一步研究。
(1)礫石改變了土壤水分蒸發(fā)運(yùn)動(dòng),土壤累積蒸發(fā)量隨礫石含量的增大而增大。采用3種模型對(duì)累積蒸發(fā)量進(jìn)行擬合,其中Black蒸發(fā)模型擬合度最高。
(2)蒸發(fā)速率呈先快后慢的趨勢,符合不同蒸發(fā)階段變化規(guī)律,對(duì)數(shù)函數(shù)可以較好地描述整個(gè)蒸發(fā)過程蒸發(fā)速率和時(shí)間的變化關(guān)系。