許 滸，王麗麗，王一杰，周 超，索梅芹，王 健

（1.安徽省（水利部淮委）水利科學(xué)研究院水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蚌埠233000；2.安徽淮海環(huán)?？萍加邢薰?，安徽蚌埠233000；3.安徽淮河水資源科技有限公司，安徽蚌埠233000；4.河北工程大學(xué)，河北邯鄲056021）

0 引言

潛水蒸發(fā)是潛水面處的土壤水分向上運(yùn)動(dòng)到非飽和區(qū)造成潛水量消耗的過程，是地下水的主要消耗項(xiàng)之一［1］，也是地下水埋深較淺區(qū)域植物蒸騰和土壤蒸發(fā)的重要水分來源之一［2］，因此研究潛水蒸發(fā)規(guī)律，制定潛水蒸發(fā)量預(yù)測方程具有重要意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞潛水蒸發(fā)計(jì)算進(jìn)行了多種研究。如王振龍［3］分析了潛水蒸發(fā)與氣象要素的相關(guān)關(guān)系，并通過逐日、逐旬參數(shù)擬合得到砂漿黑土和黃潮土的6個(gè)潛水蒸發(fā)公式。蘇浩［5］等通過分析鞍山市潛水蒸發(fā)影響因素，用雙因素重復(fù)方差分析法比較對(duì)潛水蒸發(fā)影響顯著的因素，建立了潛水蒸發(fā)預(yù)測模型。劉佩貴［6］等通過計(jì)算水面蒸發(fā)與潛水蒸發(fā)的折算系數(shù)，從而建立了不同質(zhì)地裸土潛水蒸發(fā)的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式；高旭光［7］等通過對(duì)凍結(jié)作用下不同粒徑土壤中的潛水蒸發(fā)進(jìn)行研究，并建立了累計(jì)潛水蒸發(fā)量與凍結(jié)時(shí)間的對(duì)數(shù)方程；趙運(yùn)吉［8］采用蒸發(fā)觀測試驗(yàn)的方法對(duì)水稻不同灌溉方式下作物生長期的潛水蒸發(fā)進(jìn)行研究，得出水稻乳熟期蒸發(fā)量最大且隨著地下水位埋深的增加，潛水蒸發(fā)量減少；李飛［9］等對(duì)淮北地區(qū)的潛水蒸發(fā)量進(jìn)行研究，建立了該區(qū)域月潛水蒸發(fā)量的阿維揚(yáng)諾夫公式，并用Visual Modflow 建立的地下水?dāng)?shù)值模型計(jì)算潛水蒸發(fā)量。

許瑩瑩［10］等使用主成分分析的方法，提取出3個(gè)主成分，并建立裸地潛水蒸發(fā)多元回歸預(yù)測模型。陳軍鋒［11］等研究了不同土壤粒徑在0.5 m 地下水位埋深下潛水蒸發(fā)量和潛水回補(bǔ)量的變化特征和高旭光［12］等研究了凍結(jié)氣溫降低過程中3種粒徑土壤中的潛水蒸發(fā)規(guī)律，并擬合了潛水蒸發(fā)量與凍結(jié)時(shí)間的對(duì)數(shù)方程。孟祥軍［13］等研究潛水蒸發(fā)機(jī)理、變化規(guī)律等，用擬合公式估算出遼寧省中部地區(qū)不同土質(zhì)的月潛水蒸發(fā)系數(shù)，進(jìn)而估算了潛水蒸發(fā)量。以上研究對(duì)潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)和埋深的研究較多，在作物生育期不同埋深潛水蒸發(fā)與各氣象因子的關(guān)系擬合方面研究較少。本研究利用五道溝實(shí)驗(yàn)站1991-2020年長系列實(shí)測資料，分析冬小麥各生育期潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對(duì)濕度和氣溫的關(guān)系，計(jì)算冬小麥生育期與各氣象因子的潛水蒸發(fā)系數(shù)，并擬合各生育期關(guān)系曲線。望為研究地下水淺埋區(qū)農(nóng)作物耗水機(jī)理、灌溉制度以及土壤次生鹽堿化等提供理論基礎(chǔ)［14-16］。

1 實(shí)驗(yàn)研究概況

1.1 實(shí)驗(yàn)站概況

五道溝實(shí)驗(yàn)站是淮北平原區(qū)綜合水文實(shí)驗(yàn)站，地處安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣新馬橋鎮(zhèn)原種場內(nèi)，占地面積1.4 萬m2，實(shí)驗(yàn)站所在區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明。多年平均降雨量944.4 mm，年內(nèi)分布不均勻，其中6-9月要占63.2%；多年平均氣溫14 ℃，多年平均水面蒸發(fā)量1 050 mm，地下水位變化范圍1～3 m，屬于地下水淺埋區(qū)。種植農(nóng)作物主要有夏玉米、夏大豆和冬小麥，以一年兩作為主。實(shí)驗(yàn)站土壤類型屬于黃潮土，飽和質(zhì)量含水率為38%～40%，田間質(zhì)量持水率為30%左右，適宜作物生長的質(zhì)量含水率為18%～26%，凋萎質(zhì)量含水率為10%～13%。實(shí)驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有潛水蒸發(fā)、入滲和徑流、土壤水分、蒸散發(fā)、葉面積指數(shù)、氣象、徑流等觀測設(shè)備，積累有長系列的實(shí)驗(yàn)觀測資料。

1.2 資料選取與實(shí)驗(yàn)方法

本文選取的是五道溝實(shí)驗(yàn)站1991-2020年大型地中蒸滲儀0.3 m2口徑的黃潮土種植冬小麥時(shí)期實(shí)測資料，地下水位埋深控制在0.2、0.4、0.6、1.0、2.0、3.0、4.0 m、5 cm，為每日8∶00 觀測。氣象資料選取1991-2020年冬小麥生育期間日水面蒸發(fā)（E601）、地表溫度、絕對(duì)濕度（觀測高度2 m）、氣溫（觀測高度2 m）等氣象因子實(shí)測資料，每日8∶00，14∶00，20∶00觀測3次。試驗(yàn)在自然環(huán)境條件下進(jìn)行。本研究利用五道溝實(shí)驗(yàn)站1991-2020年長期觀測資料，將冬小麥全生育期分成4 個(gè)階段（分別為出苗-分蘗期、分蘗-越冬期、返青-拔節(jié)期和抽穗成熟期），主要分析了潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對(duì)濕度和氣溫的關(guān)系，計(jì)算了冬小麥各生育期與各氣象因子的潛水蒸發(fā)系數(shù)，并擬合了各生育期曲線方程。

2 冬小麥生育期實(shí)測潛水蒸發(fā)量的變化特征

不同埋深下冬小麥多年平均潛水蒸發(fā)量變化過程如圖1所示。從圖1 可知，2月下旬之前為冬小麥出苗-分蘗期和分蘗-越冬期，潛水蒸發(fā)量較小，變化趨勢較平穩(wěn)，主要是因?yàn)闅鉁氐?，莖葉發(fā)育緩慢，需水量較?。?月下旬至4月下旬為返青-拔節(jié)期，氣溫升高，冬小麥生長加快，莖葉增長快，為需水高峰期，在5月上旬之前，小麥處于抽穗期，小麥開花，開始授粉，此時(shí)處于第二個(gè)需水高峰期；5月中下旬，小麥成熟，作物的生理活動(dòng)減弱，需水量小，潛水蒸發(fā)出現(xiàn)減小趨勢；冬小麥各生育期潛水蒸發(fā)都隨埋深的增加而減少，超過3 m 以后減小幅度更大。主要是因?yàn)榈叵滤裆钶^淺時(shí)，潛水面的水分向上運(yùn)動(dòng)補(bǔ)充土壤水的速度較快。

圖1 不同潛水埋深下冬小麥生育期內(nèi)多年平均潛水蒸發(fā)變化過程線Fig.1 Variation process line of annual average phreatic water evaporation during the growth period of Winter Wheat under different phreatic depths

3 冬小麥生育期潛水蒸發(fā)分別與各氣象要素特征分析及關(guān)系擬合

3.1 冬小麥生育期潛水蒸發(fā)與各氣象因子的相關(guān)分析

用SPSS 軟件對(duì)冬小麥生育期不同埋深潛水蒸發(fā)量與各氣象因子進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表1。由表1 可知，在冬小麥整個(gè)生育期間，不同埋深潛水蒸發(fā)量與4 個(gè)氣象因子均在0.01 水平上顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.7 以上）。因此本文逐個(gè)分析潛水蒸發(fā)量與各氣象因子的關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行曲線擬合。

表1 冬小麥生育期不同埋深潛水蒸發(fā)量與各氣象要素相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of correlation coefficient between phreatic water evaporation and meteorological elements at different depths in winter wheat growth period

3.2 水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對(duì)濕度和氣溫與潛水蒸發(fā)變化特征及關(guān)系擬合

3.2.1 水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對(duì)濕度和氣溫與潛水蒸發(fā)變化特征

不同埋深條件下潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化過程如圖2所示。由圖2 可知，在2月下旬之前，水面蒸發(fā)大于潛水蒸發(fā)，主要是因?yàn)槎←溙幱诔雒?分蘗和分蘗-越冬期需水量較?。辉?月下旬之后，冬小麥處于返青-拔節(jié)期，水面蒸發(fā)和潛水蒸發(fā)均出現(xiàn)明顯增加趨勢，4月上旬為冬小麥需水高峰期，埋深1 m 以淺潛水蒸發(fā)大于水面蒸發(fā)。水面蒸發(fā)與潛水蒸發(fā)具有相似的曲線變化。

圖2 冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)變化過程線Fig.2 Variation process line of phreatic water evaporation and water surface evaporation during winter wheat growing period

不同埋深條件下潛水蒸發(fā)量與地表溫度隨時(shí)間的變化過程如圖3所示。由圖3 可知，10月份到12月份，隨著地溫的減小，潛水蒸發(fā)量也逐漸減??；12月到2月，地溫較低，土壤結(jié)冰，潛水蒸發(fā)變化比較平穩(wěn)；2月下旬之后，氣溫回升，地溫升高，不同土層潛水蒸發(fā)出現(xiàn)上升趨勢。

圖3 冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)與地表溫度變化過程線Fig.3 Variation of phreatic water evaporation and surface temperature during the growth of Winter Wheat

絕對(duì)濕度反應(yīng)的是每立方米空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量。不同埋深條件下潛水蒸發(fā)量和絕對(duì)濕度隨時(shí)間的變化過程見圖4所示。由圖4 可知，絕對(duì)濕度和不同埋深潛水蒸發(fā)在冬小麥生育期間變化都表現(xiàn)出先減小保持平穩(wěn)到逐漸增大的趨勢，10月到12月隨時(shí)間逐漸減小，1月到2月變化趨勢較平穩(wěn)；2月到5月呈現(xiàn)增加趨勢，在5月上旬，潛水蒸發(fā)量減小。

圖4 冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)與地表溫度變化過程線Fig.4 Variation process line of phreatic water evaporation and surface temperature during the growth of Winter Wheat

根據(jù)氣溫和不同埋深條件下潛水蒸發(fā)資料繪制出隨時(shí)間的變化過程，見圖5所示。由圖5 可知，氣溫變化與潛水蒸發(fā)量變化趨勢大致相同，當(dāng)氣溫減小時(shí)，不同埋深潛水蒸發(fā)量減??；當(dāng)氣溫增大時(shí)，不同埋深潛水蒸發(fā)量增大。在1 m埋深以淺，氣溫對(duì)潛水蒸發(fā)量影響較大。

圖5 冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)與氣溫變化過程線Fig.5 Variation process line of phreatic water evaporation and temperature during winter wheat growing period

3.2.2 水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對(duì)濕度和氣溫與潛水蒸發(fā)的量化關(guān)系

根據(jù)1991年10月-2020年5月冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)、水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對(duì)濕度和氣溫實(shí)際觀測資料，得到不同生育期不同埋深的潛水蒸發(fā)系數(shù)B1、B2、B3、B4（潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值，潛水蒸發(fā)量與地表溫度的比值，潛水蒸發(fā)量與絕對(duì)濕度比值，潛水蒸發(fā)量與氣溫比值），見表2。

表2 冬小麥生育期不同埋深潛水蒸發(fā)系數(shù)結(jié)果表Tab.2 Results of phreatic water evaporation coefficient at different depths in winter wheat growth period

3.2.3 潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深的曲線擬合

以潛水蒸發(fā)系數(shù)作為因變量，埋深作為自變量，對(duì)不同埋深潛水蒸發(fā)系數(shù)和埋深進(jìn)行曲線擬合。對(duì)于潛水蒸發(fā)系數(shù)B1來說，冬小麥出苗-分蘗期指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達(dá)到0.991 6，其他生育期，多項(xiàng)式擬合效果最好，擬合精度達(dá)到0.987 4。對(duì)于潛水蒸發(fā)系數(shù)B2來說，冬小麥出苗-分蘗期指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達(dá)到0.990 7，其他生育期，使用多項(xiàng)式函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達(dá)到0.988 5。對(duì)于潛水蒸發(fā)系數(shù)B3來說，冬小麥出苗-分蘗期使用指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達(dá)到0.991 1，其他生育期多項(xiàng)式函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達(dá)到0.987 0。對(duì)于潛水蒸發(fā)系數(shù)B4來說，冬小麥出苗-分蘗期指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達(dá)0.990 8；其他生育期多項(xiàng)式函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達(dá)0.980 2。冬小麥不同生育期潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深擬合方程、適用范圍及擬合精度見表3。

表3 冬小麥各生育期潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深擬合曲線結(jié)果Tab.3 Fitting curve results of phreatic evaporation coefficient and buried depth of winter wheat at different growth stages

4 結(jié) 語

本文構(gòu)建了基于4個(gè)氣象因子的潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深的擬合關(guān)系，其中出苗-分蘗期指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，其他生育期二項(xiàng)式函數(shù)擬合效果最好，R2均達(dá)到0.89 以上，擬合精度較高，可用于淮北地區(qū)黃潮土冬小麥生育期間潛水 蒸發(fā)計(jì)算。

本文針對(duì)淮北平原北部黃潮土種植冬小麥時(shí)的潛水蒸發(fā)進(jìn)行了研究，對(duì)其他地區(qū)不同土壤、不同作物潛水蒸發(fā)計(jì)算有待進(jìn)一步研究?！?/p>

致謝：本文得到“河北省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心”的幫助，在此表示感謝！