红壤砾石混合介质水分蒸发特性研究

2021-07-05刘大有费良军周念文冯子娟

地下水 2021年3期

刘大有，费良军，郝琨，周念文，冯子娟

(1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048；2.西安建筑科技大学，陕西西安 710000)

土壤水分蒸发是陆地水分循环过程的重要环节，农业水资源研究与陆面蒸发及农田蒸发的分析计算关系密切。然而，由于成土过程和人类活动的影响，土壤中常出现夹杂砾石的土石混合现象[1]，砾石的存在使土壤水分运动通道和孔隙状况等物理特性发生改变[2]。国内外学者关于碎石对土壤的含水量和水分溶质运移等已有较多研究，王慧芳等[3]通过室外小区模拟降雨试验，认为碎石可以促进浅层土壤入渗和存储。相关蒸发研究中，赵丹等[4]利用5种砂石覆盖度和2个灌水量进行土壤水分蒸发试验，结果表明:砂石覆盖抑制蒸发,且抑制作用与砂石覆盖度有关。土表覆盖会改变土壤的边界条件,减少了蒸发面积，阻断土壤与大气之间的水分交换通道，可用于农田保墒[5]。当砾石存在于土壤内部则改变土壤孔隙状况，使水分运动更复杂。朱元骏等[6]进行黄土钙结石蒸发研究，认为土壤蒸发与钙结石含量呈负相关关系，且与土壤含水率有关。van Wesemael等[7]研究认为在降雨后土壤表面较湿润下，碎石与土壤之间的孔隙能够保持连续的水流上升的蒸发过程，因此可以增大蒸发量。

国内学者关于碎石土壤中入渗、蒸发等影响研究多集中于北方地区，对红壤地区相关研究较少，因此以红壤砾石混合介质为研究对象进行蒸发特性试验研究，可为红壤土石混合地区内的农田灌溉制度确定，土壤水分预报等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和砾石

试验于2019年4月在江西农业大学国土资源与环境学院试验室进行，供试土壤取自江西省南昌市昌北科技生态园，取土后风干研磨，过2 mm筛备用。土壤初始含水率为12.4%，装土容重为1.3 g/cm3，土壤质地为壤黏土。在土壤剔除的砾石中保留直径1～3 cm砾石作为供试材料，砾石表面平滑，具有一般的岩石性质。将砾石表面杂物冲洗干净，晾晒风干。

1.2 试验装置

试验使用蒸发器为PVC材质柱形圆管，PVC圆管直径16 cm，高50 cm，壁厚0.4 cm，底部是一个封闭柱形盖堵头，其直径11.6 cm，高3 cm。使用电子秤对土柱称重，电子秤量程30 kg，精度为1 g。

1.3 试验方法

(1)

式中：E土为土柱的日蒸发量(mm)；M0为前一天土柱称重质量(g)；Mt为后一天土柱称重质量(g)；r为蒸发器半径(cm)。

1.4 蒸发量计算模型

使用3种公式对累积蒸发量和蒸发时间的关系进行分析，分别是：

(1)Black蒸发模型[8]

Black 蒸发模型适用于蒸发下边界没有水分持续供给条件下土壤累积蒸发量随时间的变化情况，表达式为：

(2)

式中E为累积蒸发量(mm)；t为蒸发历时(d)；a、b为蒸发参数。

(2)Rose蒸发模型[9]

Rose 蒸发模型形式简单，蒸发下边界没有供水时应用广泛，表达式为：

(3)

式中：E为累积蒸发量(mm)；t为蒸发历时(d)；c为稳定蒸发参数；d为水分扩散参数。

(3)幂函数[10]：

E=A·tB

(4)

式中E为累积蒸发量(mm)；t为蒸发历时(d)；A、B为蒸发参数。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2010、SPSS 25和Matlab 2018a软件进行数据处理、绘图和函数拟合及分析。

2 结果与分析

2.1 砾石含量对累积蒸发量的影响

图1为不同砾石含量下的累积蒸发量曲线，可以看出，随着土壤中砾石含量增加，累积蒸发量逐渐增大。相对于无砾石CK，含砾石土壤累积蒸发量在观测期结束分别增加4.55%、13.24%、22.73%。在蒸发初期阶段中，各处理的累积蒸发量接近，无明显规律。这是因为土壤蒸发是从表层土壤向空气扩散的，此时镶嵌于土壤内部的砾石的影响效果不明显。整个观测期内，H1由于砾石含量最小，从第5个观测日后略高于CK。其余处理均明显高于CK。土体内砾石促进土壤蒸发的原因可能是土壤蒸发初期，土面表层潮湿，含水量大，土壤孔隙内充满水，使土壤中土粒牢固结合。而砾石作为一个表面相对光滑，透水性差的介质镶嵌于土壤中，难以与土壤紧密结合，与土壤接触中在沿砾石边缘部位产生大孔隙，所以此时砾石的存在相当于增大了土壤内部的孔隙体积和数量，提高了土壤孔性。孔隙在土壤中担负保水和通气的功能，大孔隙促进水分上升运动的连续性，因此在一定程度上有利于蒸发。

图1 不同处理累积蒸发量随时间变化曲线

为了定量分析存在砾石条件下的土壤累积蒸发量与时间的关系，分别利用Black蒸发模型、Rose蒸发模型和幂函数拟合累积蒸发量与蒸发时间之间的关系，对图1中不同含量砾石累积蒸发量变化曲线拟合结果见表1。可以看出，三种不同模型均可较好地拟合累积蒸发量与蒸发时间之间的关系，R2均大于0.99，对应的最小R2分别为0.999 0、0.996 7、0.998 3，根据最小决定系数，三种模型中Black蒸发模型拟合效果最优。

选用Black蒸发模型描述累积蒸发量与砾石含量关系，根据表1可知，拟合参数a、b均随砾石含量增大而递增，具体表现为：砾石含量从0增大到20%，a从7.329增大到9.376；b从1.906增大到3.848。经分析，蒸发参数a与砾石含量w呈线性关系；参数b与砾石含量w呈二项式关系：

表1 蒸发模型拟合效果分析

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)

将公式(5)和公式(6)代入公式(2)。得砾石含量与累积蒸发量关系模型：

(7)

利用模型(7)验证砾石含量w=10%的处理，将累积蒸发量的试验实测值和模型模拟值对比，结果见图2，实测值和模拟值两条曲线接近，所有观测数据实测值和模拟值出现最大误差为8.91%，模型(7)计算砾石含量10%的拟合系数R2=0.993 5，说明该模型能较好地预测不同砾石含量的红壤土蒸发量。

图2 砾石含量10%的实测值与模拟值对比

试验将土柱看作一个整体研究，而实际中红壤土与砾石间质量和透水性存在差异，在砾石含量大的处理中土壤质量较小，灌入等量的水导致初始含水率较大，为消除其影响，采用蒸发系数μ，公式为：

(8)

式中：E为累积蒸发量(mm)；I为供水总量(mm)。计算不同处理的蒸发系数见图3。

图3 蒸发系数变化

采用蒸发系数以比例形式描述土壤水分损失，图3表明不同处理加入1 kg水分后土柱水分总蒸发量范围为25～31 mm，占土壤总水量的50%～63%，说明观测期内总体蒸发较强，超过一半水分散失。从图3中还可以看出，随着砾石含量增加，蒸发系数呈升高趋势。其中，砾石含量20%的蒸发系数比无砾石大0.115。说明砾石增大土壤蒸发，降低了土壤保水能力。

2.2 蒸发速率变化规律

将观测期内累积蒸发量以天为单位计算日蒸发量，即土壤水分蒸发速率，如图4。图4中蒸发速率的峰值出现在第1个观测日，各处理日蒸发量均达到最大，但组间无明显差异，这符合土壤蒸发阶段变化规律。蒸发初期，大气蒸发能力占主导作用，此时土表有充足水分向空气散失，蒸发速率达到最大。蒸发过程分为稳定蒸发阶段、蒸发强度随土壤含水率降低而减少和水汽扩散三个阶段。在第二阶段，土壤表面的含水率低，蒸发所需水分从更深层土壤获取时，土体中砾石影响开始呈现。整个试验过程蒸发速率随时间逐渐降低，其中H3在多个观测日蒸发速率最大，说明砾石含量越大，蒸发速率越大。在第13、14天，各处理蒸发速率最小，而组间差异也达到最小，最后1个观测日CK～H3蒸发速率分别为0.746、0.796、0.746、0.846 mm，说明砾石对蒸发的促进作用有限，当蒸发历时长或累积蒸发量较大时，砾石对土壤蒸发的影响减小。

图4 蒸发速率变化规律

根据图4曲线趋势分析得，蒸发速率由大到小变化的过程符合对数函数关系，使用式(9)进行拟合，结果见表2。

表2 蒸发速率拟合结果

Ev=C·lnt+D

(9)

式中：Ev为蒸发速率(mm·d)；t为蒸发历时(d)；C、D为拟合参数。

由表2可知，蒸发速率和时间拟合决定系数R2均大于0.90，表示对数函数可以较好地描述整个蒸发过程蒸发速率Ev和时间t的变化关系,其中H3拟合参数C、D最大，其余处理拟合参数H2>CK>H1，说明H1和CK蒸发速率相差不大，拟合参数变化规律不明显。

3 讨论

本文通过室内试验，探究了红壤土夹杂四种含量的砾石情况下土壤水分蒸发量随时间变化的过程。研究结果与国内相关研究结果有所不同，如朱元骏[6]研究认为蒸发量随土壤里的钙结石质量分数的增加而减少。造成这种结果出现差异的原因可能有两方面，一方面，朱元骏的试验在室内干旱箱的条件下进行，蒸发强度大且恒定。随着蒸发过程进行，土柱表土的含水量下降，土粒间变得疏松，孔隙的数量和体积也增多，使得土壤内部有更多的空间来容纳毛细管作用上升来的水分，此时土壤种的砾石反而增加了水流弯曲度，阻碍了水分上升路径，减少了蒸发面积，从而抑制了蒸发。另一方面，由于红壤相比黄土具有持水性强的性质，且试验期属于南方典型的雨季月份，温度较低，空气湿度大，含有砾石的土柱中土壤质量小，初始含水率更高，直至观测结束浅层土体仍较湿润。说明土石混合介质的水分运动可能具有两面性[11]。实际中砾石对土壤蒸发有多个因素影响，不仅需要考虑含量，还有种类、大小、与土壤结合方式、分布状况等因素，本试验以砾石含量单一因素为研究对象，在实际应用中，还需要综合考虑上述因素进一步研究。