王俊鹏，任小龙，蔡 铁，张 鹏，张久成

(1．西北农林科技大学农学院,陕西 杨凌 712100; 2. 陕西省汉中市农产品质量安全监测检验中心,陕西 汉中 723000)

黄土高原雨养农业区土壤水分主要来自于大气降水，通过集雨、蓄水、覆盖等途径提高有限的降水利用效率，这是旱作农业发展的基本途径[1-4]。沟垄集雨系统、覆盖等措施能改善土壤墒情和延长水分有效期，促进农作物和森林植物的生长，对于缺乏灌溉和灌溉成本高的干旱半干旱区非常适用[3-5]。地表为降雨的承接面，雨水被表层土壤所接受，地表土壤水分含量高；土壤水分蒸发依照大气控制阶段，土壤导水率控制阶段和扩散控制阶段进行。邓洋[6]研究表明，初始含水量达到田间持水量的土壤，其蒸发过程与初始饱和的土体蒸发过程一致，当土表形成干层土，其蒸发过程仅由蒸发消滞阶段组成。在低含水率条件下土壤蒸发强度随干层厚度增加而减少。土壤初始含水率较小时，土体干土层厚度是影响蒸发强度的主要因素。Wilson等[7-9]研究认为，土壤含水率是影响土壤蒸发和运动的重要因素。因此，在田间土壤水分管理过程中，降低表土含水量，将有助于抑制土壤蒸发。在自然降雨条件下，要使表层土壤处于干燥状态无法实现，但通过人工聚集、导入等干预措施，使深层土壤成为雨水接受主体，可以达到既接受雨水，又能实现表层土壤干燥的目的，这类研究少见文献报导。本研究通过模拟试验，将降雨聚集导入地表以下，且为不均匀分布，使表层土壤处于低含水量状态，通过测定不同降雨量、不同土层接受雨水的土壤蒸发量，分析改变雨水接受深度对土壤蒸发规律的影响，为构成“降雨-深层土壤-植物-大气”的水循环体系，更好地利用降雨资源寻求理论依据。

1 试验方法

本试验于2014年6-9月在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院遮雨棚内进行。夏季试验6月25日开始，测定15 d，秋季试验9月26日开始，测定18 d。试验采用模拟降雨量方法进行测定。试验设12个处理(表1)，重复3次。蒸发装置为内径19.5 cm、高50 cm、底部密封的塑料筒(图1)。蒸发装置于2013年10月装入过筛表层土，压实后加水至饱和状态，置于露天自然沉降，试验时调整土壤表面低于筒边1 cm。试验土壤类型为黑垆土，土壤容重1.25～1.27 g·cm-3。装土时在蒸发装置中间置入长度分别为10、20 cm和30 cm，内径为1.2 cm的塑料管，塑料管顶部与土壤表面高度相同，用于导入雨水和确定雨水在土壤中的接受深度。模拟10、20 mm和30 mm降雨量，根据塑料筒的横截面积折算的水量分别为298、597 g和895 g。接受深度为H0的处理水用洗瓶均匀洒于土壤表面，其余处理水通过塑料管和漏斗逐渐加入。试验前称量蒸发装置重量，测得土壤含水量为12.3%。试验前7 d测定间隔为1 d，7 d后测定间隔为2 d。

表1 试验各处理水平及代码

图1 试验蒸发装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the evaporator

试验数据采用Excel统计分析。

2 结果分析

2.1 雨水接受深度对土壤蒸发强度的影响

在雨水接受深度相同的条件下，土壤蒸发强度随雨量增加而增大，特别是测定前4 d变化明显(图2)。当雨水接受位置在地表(H0)时，夏季试验的第1天蒸发强度大，10、20 mm和30 mm降雨量处理蒸发强度分别为6.7、8.0 mm·d-1和8.4 mm·d-1，蒸发量分别占降雨量的65.8%、41.2%和26.3%；第2天的蒸发强度大幅下降，仍是降雨量大的处理蒸发强度大；随测定时间延长，蒸发强度减小。其原因在于环境温度高，第1天地表水分未及时入渗于土壤深处，表面土壤水分处于饱和状态，蒸发强度由大气环境因素控制;第2天以后，水分下渗及地表水分减少(表面土壤处于干燥状态)而使水分蒸发急骤减少，后期维持了相对较小的蒸发强度。秋季试验的1～3 d蒸发量大(表2)，较大蒸发强度持续时间较夏季多2 d；第4天后蒸发强度缓慢下降，第7天后趋于平稳，但蒸发强度仍为30 mm雨量的处理大，10 mm雨量的处理最小。其原因在于此时大气温度较夏季低，蒸发强度较夏季低，土壤表面水分饱和状态维持时间相对较长，大气控制水分蒸发阶段时间则相对延长，导致较大蒸发强度维持时间比夏季长，随表层土壤含水量降低，蒸发量随之降低。

图2 相同雨量和不同雨水接受深度土壤蒸发量变化图Fig.2 Change of soil evaporation in different rainwater receiving depths under the same precipitation

表2 地表接受雨水前3 d蒸发量及其占降水量的比例

雨水接受深度为地表下10 cm(H10)时，不同降雨量情况下，土壤蒸发强度较地表接受雨水处理减少，其动态特征有较大变化。在夏季，该处理的水分蒸发特征与地面接受雨水处理第2天以后水分蒸发特征相近，初期蒸发强度随降雨量增加而增大。如第1天30、20 mm和10 mm降水量处理蒸发强度分别为3.9、3.1 mm·d-1和1.9 mm·d-1，为同期地表接受蒸发强度的49.47%、36.99%和28.75%，其蒸发强度较地面接受雨水较小的原因在于表层土壤水分含量较低，土壤蒸发需经土壤扩散到达地面，抑制了土壤水分的蒸发；在秋季，该接受深度处理的水分蒸发特征曲线与夏季不同，降雨量为20 mm和30 mm的处理差异较大，蒸发强度第1天较小，第2天最大，之后下降，到第5天与同期地面接受雨水的处理接近，而蒸发强度始终小于同期地面接受雨水的处理，其原因在于较多的水分从雨水导入层向上部土壤中扩散，扩散速度大于蒸发速度，使地表土壤含水量增加，水分蒸发强度增大。

在接受雨水深度为地表下20 cm(H20)和30 cm(H30)时，初期蒸发强度较地表和10 cm接受雨水的处理小，随时间延长，蒸发强度的变化也小。在夏季，雨水接受深度20 cm处理第1天时，30、20、10 mm降水量处理蒸发量分别为2.6、2.2、1.7 mm·d-1，为同期地表接受蒸发强度的32.48%、27.24%和25.70%；雨水接受深度30 cm处理第1天时，30、20、10 mm降水量处理蒸发强度分别为1.6、1.3、0.9 mm·d-1，仅为同期地表接受处理蒸发强度的21.02%、15.85%和12.98%。综上，其原因在于雨水入渗土层距离地面较长，即使水分以液态形式从入渗土层向上扩散，终未能到达土壤表面，只能以汽态形式向上部移动，从而导致不同雨水量处理水分蒸发强度差异较小。结果表明：不同的雨水接受深度可以改变土壤水分初期蒸发强度，随雨水接受深度的增加，土壤水分初期蒸发强度减小，使雨水在土壤中保持的时间不同程度地延长，地表、接受雨水深度为10 cm和20 cm处理差距明显，接受雨水深度30 cm处理与20 cm处理差异较小；因此，要全年能够有效减少水分蒸发，雨水接受深度应在20 cm以下。

2.2 雨水接受深度对土壤累积蒸发量变化的影响

累积蒸发量可以判断各处理对土壤蒸发抑制的效果。从图3可以看出，累积蒸发量P30H0处理最高，达22.28 mm，P10H30处理最小，为1.58 mm，各处理累积蒸发量大小依次为：P30H0>P20H0>P30H10>P10H0>P20H10>P10H10>P30H20>P20H20>P10H20>P30H30>P20H30>P10H30；P10H0曲线在第4天后平缓上升，与P30H10曲线在第13天发生交叉，说明P30H10在第13天后累积蒸发量大于P10H0，原因在于P10H0随时间延长，土壤中水分含量降低，蒸发强度亦随之降低，从而导致累积蒸发量的差异。结果表明：随测定时间的延长，相同雨水接受深度条件下，累积蒸发量随雨量增加而增大；降雨量相同，累积蒸发量随雨水接受深度增加而减小，表明累积蒸发量不仅与接受深度有关，且与降雨量大小有关。

通过回归分析，地面和10 cm接受雨水处理累积蒸发量(E)-时间(t)关系为对数增长(P30H0：E=0.1838ln(t)+0.1197，R2=0.9959；P30H10：E=0.1334ln(t)+0.0581，R2=0.9950)，曲线起点(常数项,第1天蒸发量)随雨水接受深度增加而大幅减小，相同深度时因雨量增加而增大。时间的变量系数在同深度情况下随雨量增加而增大，因深度增加而减小。20 cm和30 cm接受雨水累积蒸发量-时间关系则呈线性相关(如P30H20：E=0.0112t+0.018，R2=0.9924)，在相同接受深度，直线斜率和截距随雨量增加而增大。根据累积蒸发量与时间的回归方程，各处理蒸发10 mm土壤水分所需时间如表3所示，与测定结果拟合相近。结果表明：雨水接受深度变化可以改变特定时段土壤蒸发特征曲线，较小的雨水接受深度与地表接受降雨蒸发特征曲线近似，较大的雨水接受深度的土壤蒸发曲线特征与地表接受雨水完全不同，蒸发强度较地表接受雨水大幅度减小；加深接受雨水深度，对小降雨量时土壤蒸发抑制的效果更好。

2.3 雨水接受深度对雨水蒸发率的影响

表4结果表明，土壤蒸发率P10H0处理最高，P30H30处理最小，其它处理的蒸发率在以上二者之间，其蒸发率顺序为：P10H0>P10H10>P20H0>P30H0>P20H10>P30H10>P10H20>P20H20>P10H30>P30H20>P20H30>P30H30。在降雨量相同时，接受雨水深度增加蒸发率大幅度减小，当降雨量为10 mm，接收深度分别为0、10、20 cm和30 cm时，6 d水分蒸发损失率分别为100.68%、64.55%、26.76%和9.36%，18 d水分蒸发损失率分别为141.14%、109.03%、49.16%和24.75%。

图3 土壤累积蒸发量动态变化图Fig. 3 The dynamic change of soil cumulative evaporation

表3 不同处理下土壤累积蒸发10 mm水分所需的天数/d

在接受雨水深度相同时，随雨量的增大而蒸发率减小，当接受雨水深度为20 cm，降雨量分别为10、20、30 mm时，在6 d内水分蒸发率分别为26.76%，13.57%和9.71%，18 d水分蒸发率分别为49.16%、30.65%和24.44%。结果表明：在相同环境条件下，与地面接受雨水相比，地表以下土层接受雨水可降低土壤蒸发损失，随深度增加，土壤蒸发率降低，且蒸发率也与降雨量有关，雨量增加，蒸发率则降低；即增加雨水在土壤中的接受深度，或使雨水从均匀分布变为局部集中分布以增加接受深度，能延长雨水在土壤中的滞留时间，提高雨水的转化率。

表4 不同时段土壤蒸发率变化/%

3 结论与讨论

1)雨水接受深度变化可以改变土壤蒸发强度，随接受深度增加，土壤蒸发强度减小，使雨水在土壤中保持的时间不同程度延长；不同季节土壤蒸发强度存在差异，适宜的抑制蒸发深度在地表20 cm以下。

2)不同降雨量相同深度条件下土壤蒸发动态变化特征相近，雨水的接受深度增加可以降低水分的蒸发，地表和地面下10 cm蒸发量集中在降雨后5 d内，随时间延长，蒸发量趋稳，但仍较深层接受雨水蒸发量大；不同雨水接受深度可以改变雨水蒸发的特征，表现为较小的接受降雨深度与地表接受降雨蒸发近似，只是蒸发量减小，较大的深度其雨水蒸发特征与地表接受雨水完全不同，蒸发量较地表接受雨水大幅度减小。

3)和地表接受雨水相比，随深度增加，雨水蒸发率降低；且蒸发率也与降雨量有关，雨量增加，蒸发率降低，既增加雨水在土壤中的接受深度，又能更好地使雨水保持在土壤中，提高雨水的转化率。

土壤水分蒸散是一个复杂过程，影响因素很多，除气象因素外，土壤含水率是一个重要因素[10]。本研究主要影响因素为降雨量和雨水的接受深度，地面接受30 mm雨水蒸发量和钟芳等[11]研究中不覆盖10 d蒸发量32.8 mm相近；地表下30 cm接受雨水的土壤蒸发抑制率为79.22%～82.46%，高于小麦秸秆覆盖土壤水分株间蒸发抑制率26.27%～48.32%(土壤水分44.7～82.5 mm)[12]；雷涛等[13]研究表明蓄水坑灌溉条件下，蒸发强度随灌水量增加而增大，且差异显著，因蓄水坑灌地表始终处于干燥状态，对蒸发有抑制作用。本研究采用改变雨水接受深度、降低表层土壤含水量的方法，能有效抑制土壤水分蒸发，其结果与相关研究结论一致。在农作物种植模式下，将接受降雨位置改变为地面以下似乎难以实现，但在果园可通过人工改造果园地为漏斗状集水面，覆盖疏水材料实现雨水聚集，在最低点打孔并置入导水管，可将雨水引入到地面下任意深度，从而改变雨水接受的深度。本研究结论是模拟条件下短期测定的结果，能否在生产上达到预期效果，有待田间试验研究验证。