紅壤礫石混合介質(zhì)水分蒸發(fā)特性研究

劉大有，費良軍，郝 琨，周念文，馮子娟

(1.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048；2.西安建筑科技大學，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)的分析計算關(guān)系密切。然而，由于成土過程和人類活動的影響，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動通道和孔隙狀況等物理特性發(fā)生改變[2]。國內(nèi)外學者關(guān)于碎石對土壤的含水量和水分溶質(zhì)運移等已有較多研究，王慧芳等[3]通過室外小區(qū)模擬降雨試驗，認為碎石可以促進淺層土壤入滲和存儲。相關(guān)蒸發(fā)研究中，趙丹等[4]利用5種砂石覆蓋度和2個灌水量進行土壤水分蒸發(fā)試驗，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?shù)[石存在于土壤內(nèi)部則改變土壤孔隙狀況，使水分運動更復雜。朱元駿等[6]進行黃土鈣結(jié)石蒸發(fā)研究，認為土壤蒸發(fā)與鈣結(jié)石含量呈負相關(guān)關(guān)系，且與土壤含水率有關(guān)。van Wesemael等[7]研究認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)為研究對象進行蒸發(fā)特性試驗研究，可為紅壤土石混合地區(qū)內(nèi)的農(nóng)田灌溉制度確定，土壤水分預報等提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和礫石

試驗于2019年4月在江西農(nóng)業(yè)大學國土資源與環(huán)境學院試驗室進行，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，晾曬風干。

1.2 試驗裝置

試驗使用蒸發(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，底部是一個封閉柱形蓋堵頭，其直徑11.6 cm，高3 cm。使用電子秤對土柱稱重，電子秤量程30 kg，精度為1 g。

1.3 試驗方法

(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)。

1.4 蒸發(fā)量計算模型

使用3種公式對累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)時間的關(guān)系進行分析，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)量隨時間的變化情況，表達式為：

(2)

式中E為累積蒸發(fā)量(mm)；t為蒸發(fā)歷時(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)下邊界沒有供水時應用廣泛，表達式為：

(3)

式中：E為累積蒸發(fā)量(mm)；t為蒸發(fā)歷時(d)；c為穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)；d為水分擴散參數(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(d)；A、B為蒸發(fā)參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010、SPSS 25和Matlab 2018a軟件進行數(shù)據(jù)處理、繪圖和函數(shù)擬合及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 礫石含量對累積蒸發(fā)量的影響

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。這是因為土壤蒸發(fā)是從表層土壤向空氣擴散的，此時鑲嵌于土壤內(nèi)部的礫石的影響效果不明顯。整個觀測期內(nèi)，H1由于礫石含量最小，從第5個觀測日后略高于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。而礫石作為一個表面相對光滑，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，所以此時礫石的存在相當于增大了土壤內(nèi)部的孔隙體積和數(shù)量，提高了土壤孔性?？紫对谕寥乐袚摫Ｋ屯獾墓δ埽罂紫洞龠M水分上升運動的連續(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)時間之間的關(guān)系，對圖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?？梢钥闯觯N不同模型均可較好地擬合累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時間之間的關(guān)系，R2均大于0.99，對應的最小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)驗證礫石含量w=10%的處理，將累積蒸發(fā)量的試驗實測值和模型模擬值對比，結(jié)果見圖2，實測值和模擬值兩條曲線接近，所有觀測數(shù)據(jù)實測值和模擬值出現(xiàn)最大誤差為8.91%，模型(7)計算礫石含量10%的擬合系數(shù)R2=0.993 5，說明該模型能較好地預測不同礫石含量的紅壤土蒸發(fā)量。

圖2 礫石含量10%的實測值與模擬值對比

試驗將土柱看作一個整體研究，而實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，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。

2.2 蒸發(fā)速率變化規(guī)律

將觀測期內(nèi)累積蒸發(fā)量以天為單位計算日蒸發(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個觀測日，各處理日蒸發(fā)量均達到最大，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)能力占主導作用，此時土表有充足水分向空氣散失，蒸發(fā)速率達到最大。蒸發(fā)過程分為穩(wěn)定蒸發(fā)階段、蒸發(fā)強度隨土壤含水率降低而減少和水汽擴散三個階段。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，土體中礫石影響開始呈現(xiàn)。整個試驗過程蒸發(fā)速率隨時間逐漸降低，其中H3在多個觀測日蒸發(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，而組間差異也達到最小，最后1個觀測日CK～H3蒸發(fā)速率分別為0.746、0.796、0.746、0.846 mm，說明礫石對蒸發(fā)的促進作用有限，當蒸發(fā)歷時長或累積蒸發(fā)量較大時，礫石對土壤蒸發(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數(shù)函數(shù)關(guān)系，使用式(9)進行擬合，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(d)；C、D為擬合參數(shù)。

由表2可知，蒸發(fā)速率和時間擬合決定系數(shù)R2均大于0.90，表示對數(shù)函數(shù)可以較好地描述整個蒸發(fā)過程蒸發(fā)速率Ev和時間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。

3 討論

本文通過室內(nèi)試驗，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]研究認為蒸發(fā)量隨土壤里的鈣結(jié)石質(zhì)量分數(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，朱元駿的試驗在室內(nèi)干旱箱的條件下進行，蒸發(fā)強度大且恒定。隨著蒸發(fā)過程進行，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管作用上升來的水分，此時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的性質(zhì)，且試驗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)的水分運動可能具有兩面性[11]。實際中礫石對土壤蒸發(fā)有多個因素影響，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，本試驗以礫石含量單一因素為研究對象，在實際應用中，還需要綜合考慮上述因素進一步研究。

4 結(jié)語

(1)礫石改變了土壤水分蒸發(fā)運動，土壤累積蒸發(fā)量隨礫石含量的增大而增大。采用3種模型對累積蒸發(fā)量進行擬合，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，對數(shù)函數(shù)可以較好地描述整個蒸發(fā)過程蒸發(fā)速率和時間的變化關(guān)系。