地表覆砂对季节性冻融土壤蒸发影响的试验研究

苗春燕，陈军锋，郑秀清，冯慧君

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省第一水文地质工程地质队，太原 030024)

中国的季节性冻土主要分布在北纬30°以北的干旱半干旱地区，这些地区地表无效蒸发损失高达降水量的50%以上，黄土高原地区无效蒸发达到降水量的65%～75%[1-3]。农业生产常受到干旱缺水的制约，因此减少土壤水分散失是缓解农业水资源严重短缺问题的有效途径之一。随着水资源短缺的问题不断加剧，中国北方干旱半干旱地区季节性冻融期土壤蒸发引起了人们的重视。

地表覆盖物能有效减少土壤水分损失，主要覆盖类型有砾石，秸秆，作物残留物，砂粒以及其他材料[4-8]。非冻融期覆砂可抑制土壤蒸发[9-12]，学者们对有效抑制蒸发的覆盖厚度和覆砂粒径进行了探索研究[13-17]。由于冬春季节土壤水分的相变加剧了蒸发过程的复杂性，因此有关冻融土壤蒸发方面的研究成果相对薄弱。Kaneko[18]利用空气动力学方法估算了土壤冻结(11月至3月)期间的蒸发量。Peng[19]利用土壤水量平衡原理计算了秋浇后冻结土壤蒸发量，发现灌溉水量几乎全被蒸发掉。李天霄等[20]使用主成分分析法分析了哈尔滨地区冻融期间大气压、风向、相对湿度、平均气温、水汽压、风速和地温对土壤蒸发的影响。Wu等[21]研究了冻融期不同溶质含量和潜水埋深下的土壤蒸发量。

虽然冬季土壤冻结后减小了蒸发速率，但一部分地区的冬季土壤蒸发仍然较大，不能被忽略。为了估算冻融期的土壤蒸发量，一些用于模拟水热溶质运移的模型例如SHAW模型[22-24]、CoupModel[25-27]和HYDRUS模型[28-30]等开始用于模拟蒸发过程。利用SHAW模型，Flerchinger[31]预测了不同残留物覆盖下的土壤蒸发，李瑞平等[24,32]模拟了内蒙古河套灌区秋灌条件下的冻融作用过程和土壤含水率、温度、蒸发等水均衡要素的变化；陈军锋等[33]模拟研究了冻融期不同潜水位埋深条件下沙壤土和壤砂土的土壤蒸发规律。

山西省作为我国北方干旱、半干旱气候区的典型代表，人均水资源占有量为全国人均水平的1/6。近年来，冬春季节干旱少雪、春夏连旱、蒸发强烈，导致春播、夏种底墒严重不足，越冬作物受旱“卡脖”，使本已脆弱的农业生产环境雪上加霜。在季节性冻土分布区，春夏季节播前的土壤墒情在很大程度上主要取决于越冬期大田土壤的蒸发特征。研究季节性冻融期不同地表调控措施下土壤蒸发规律，寻求科学、合理、可行的保墒措施，已经成为干旱、半干旱气候区水资源高效利用、农业生产可持续发展的关键问题之一。本文以山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站为实验基地，跟踪监测自然冻融过程中地表覆砂条件下的土壤蒸发量及土壤水热状况，分析季节性冻融期地表覆砂对大田土壤蒸发的影响，为冻融期制定科学合理的保墒措施和有效抑制土壤蒸发提供依据。

1 试验方法和材料

1.1 试验区概况

试验于2016年11月至2017年3月在山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站进行。实验站位于东经112°30′～112°33′，北纬37°26′～37°27′之间，海拔高程773.0～783.0 m，地面坡度3‰，占地面积约0.01 km2。该区地处晋中盆地汾河冲洪积平原区，为大陆性半干旱季风气候区，多年平均气温9.9 ℃，水面蒸发量为1 642.4 mm(小型蒸发器：直径20 cm)。多年平均降水量为415.2 mm，主要集中在每年的6-9月。试验区土壤质地为壤土，历史最大冻深为92 cm(1956年)。

试验期间，1月份气温最低，月平均气温为-1.9 ℃，日气温最低值出现在1月19日，为-17.0 ℃。图1为试验期日最高和最低气温变化图。

图1 冻融期日最高和最低气温变化曲线Fig.1 Maximum and minimum air temperature during the freeze-thaw period

1.2 试验方案

试验设置了无覆盖处理(LD)、覆盖砂粒厚度为1 cm，粒径为0.5～1.5 mm(XS)和1.5～2 mm(CS)的3种地表处理条件。试验前将PVC圆管制成的微型蒸发器(内径为200 mm，壁厚4 mm，高200 mm)垂直插入大田土壤中，共埋设21组。

土壤蒸发量监测采用电子秤(量程为15 kg，精度为0.1 g)称重法，监测频率为5 d一次。称重时采用底托(内径200 mm、高35 mm)将微型蒸发器底端封闭，称重后埋入大田中，保证该阶段蒸发器与下部土壤之间的水分交换量为零。每组蒸发器封底称重2次后废弃，2次之差为该时段内的土壤蒸发量。其他未称重的蒸发器土壤保持自然水热条件。

土壤剖面温度采用预埋的热敏电阻定位监测，与蒸发量同步监测，监测深度为0、5、10和15 cm。土壤含水率采用土钻取土烘干称重法，监测深度为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90和100 cm。试验期间的气象数据采用实验站的自动气象站进行观测，监测项目包括气温、气象站0～20 cm的土壤温度、降水等。气象站地表0 cm、地中10 cm和20 cm土壤温度变化见图2。

图2 试验期气象站地表土壤温度变化曲线Fig.2 Soil temperature during test period

2 试验结果与分析

2.1 冻融期土壤冻融过程

试验地块于11月7日开始冻结，12月26日后冻层锋面快速向下发展，1月24日冻层趋于稳定，随着太阳辐射的增加和深层热量向上传递，冻层于2月中旬开始双向融化，3月15日冻层全部消融。根据试验站地表无覆盖条件下土壤的自然冻融过程，将整个冻融期划分为3个阶段，即不稳定冻结阶段Ⅰ(11月7日至12月26日)、稳定冻结阶段Ⅱ(12月27日至2月2日)和消融解冻阶段Ⅲ(2月3日至3月15日)。试验期土壤最大冻结深度为35 cm，冻融历时128 d。图3为冻融期地表无覆盖条件下土壤自然冻融过程曲线。

图3 冻融期地表无覆盖条件下土壤自然冻融过程曲线Fig.3 Soil freezing and thawing process without surface coverage during the freeze-thaw period

2.2 不同冻融阶段土壤蒸发量特征

不同冻融阶段日平均土壤蒸发速率见表1。不稳定冻结阶段，LD平均土壤蒸发速率为0.21 mm/d。地表覆盖砂层后，砂层下部土壤水分向上运移受到阻碍，上升的土壤水分汽化以水汽形式通过覆盖层扩散到大气中，蒸发速率缓慢；当水汽穿过砂层时还受到一定的砂粒吸附作用。此外，地表覆砂阻碍了地表对太阳辐射的直接吸收，可供蒸发的热量减小。覆砂处理表层土壤温度低于LD 0.22～0.47 ℃，故地表覆砂处理的平均土壤蒸发速率略小于LD，均为0.20 mm/d。可见，不稳定阶段两种粒径覆盖的砂层对土壤蒸发有抑制作用，但效果不明显，蒸发速率较LD降低约4.8%。

表1 不同阶段日平均土壤蒸发速率 mm/dTab.1 Average daily soil evaporation under different stages

注：表中同列数值后相同字母a表示不同地表处理日平均土壤蒸发速率差异不显著(P<0.05)，下同。

稳定冻结阶段，白天气温降到0 ℃以下，0～10 cm土壤水分全部冻结，阻碍了土壤蒸发，LD平均土壤蒸发速率为0.28 mm/d。XS和CS表层0～10 cm平均土壤含水率分别为21.10%和23.24%，高于LD(9.27%)。因此，覆砂处理的冻层较密实，对土壤蒸发速率的影响较大，XS和CS处理的平均土壤蒸发速率为0.26和0.25 mm/d，较LD分别降低7.1%和10.7%。可见，稳定冻结期两种粒径覆盖的砂层抑制蒸发的效果明显，特别是CS抑制蒸发效果显著。

消融解冻阶段，随着太阳辐射增强和气温回升，表层土壤经历数次昼融夜冻循环，地表土壤水分发生剧烈的相变和土壤“返浆”作用，地表液态含水量增加，LD平均土壤蒸发速率较冻结阶段增加了14.3%，达0.32 mm/d。经历冻融期冻融作用后，覆砂有效提高了表层0～10 cm土壤含水量，LD、XS和CS土壤含水率分别为4.6%、13.19%和11.70%。由于XS和CS地表土壤含水率较高且砂粒水分易于散失，故其平均土壤蒸发速率大于LD，分别为0.46和0.44 mm/d，较LD分别高43.8%和37.5%。可见，消融解冻阶段1 cm厚度的覆砂不能抑制土壤蒸发。对3种不同地表处理的土壤蒸发速率数据进行单因素方差分析，结果表明任意两种地表处理的土壤蒸发速率不存在显著性差异。

2.3 冻融期土壤蒸发量统计学分析

不同砂层覆盖条件下的土壤日蒸发量统计学分析结果见表2。可见，冻融期3种不同地表处理的土壤蒸发量均值差异不显著。冻融期地表覆砂对土壤蒸发量的变化程度的影响采用变异系数Cv[34]、峰度系数K和偏度系数S来表示。3种地表处理的土壤日蒸发量变异系数为0.60～0.84，属于中等变异，覆砂处理的Cv值明显低于LD，说明冻融期覆砂处理后土壤蒸发量日变化的离散(变异)程度减小。

表2 不同地表处理下土壤日蒸发量的统计分析结果Tab.2 Statistical analysis of the daily soil evaporation under different surface treatments

峰度系数和偏度系数说明变量分布的平坦性和对称性，LD土壤日蒸发量的峰度系数和偏度系数分别为1.79和2.71，明显高于覆砂处理，说明冻融期地表覆砂后土壤蒸发量的平坦性和对称性较LD好，即LD土壤蒸发量受冻融期气象条件影响较大。试验期间出现了几次降水，LD、XS和CS的日蒸发量在12月13日，12月26日，1月9日，1月13日和2月26日出现了极大值，LD蒸发量高达1.05 mm/d，而地表覆砂后的土壤蒸发量受降水的影响略小于LD。因此，LD的变异系数、偏度和峰度系数均较大，冻融期地表土壤覆砂可有效改变土壤蒸发的变化幅度。

2.4 冻融期累积土壤蒸发量

试验期间，3种地表处理的土壤累积蒸发量变化见图4。可见，冻融期LD、XS和CS累积土壤蒸发量分别29.87、34.32和33.43 mm。冻结阶段(不稳定冻结阶段和稳定冻结阶段)，LD的累积蒸发量均大于其他两种处理，说明地表覆砂具有抑制土壤蒸发的效果。消融解冻阶段，气温回升和冻层的双向融化，XS和CS的蒸发速率快速增大，2月6日之后覆砂处理的累积土壤蒸发量逐渐高于LD。

图4 不同地表处理累积土壤蒸发量Fig.4 Cumulative soil evaporation of different surface treatments

冻融期不同冻融阶段3种地表处理的土壤蒸发量见表3。不稳定冻结阶段虽然蒸发速率较大，但其持续时间较短，所以LD、XS和CS土壤蒸发量最小，分别为6.88、6.30和6.13 mm，分别占冻融期累积土壤蒸发量的23.02%、18.34%和18.33%。

由于地表为薄层砂覆盖，地表融化后表层液态水含量急剧增加以及外界频繁的大风天气使得覆砂处理的土壤蒸发量较大。LD、XS和CS在消融解冻阶段累积土壤蒸发量分别为12.97、18.80和18.21 mm，分别占冻融期累积蒸发量的43.42%、54.77%和54.47%。经单因素方差分析，不同阶段的3种地表处理土壤累积蒸发量之间不存在显著差异。

表3 3种处理在冻融期不同阶段的累积土壤蒸发量Tab.3 Cumulative soil evaporation of three surface treatments in different freeze-thaw stages

对冻融期土壤累积蒸发量随时间的变化进行线性方程(E=a+bt)、指数方程(E=aebt)和幂函数(E=atb)拟合，方程中E为累积土壤蒸发量，mm；t为冻融历时，d；a和b均为方程拟合参数。所得拟合方程参数结果见表4。由表4可知，幂函数拟合方程的相关系数R2>0.99，说明冻融期累积土壤蒸发量随时间的变化较好地符合幂函数(E=atb)关系。

表4 3种地表处理土壤累积蒸发量与时间的拟合方程分析Tab.4 Fitting equation analysis of cumulative evaporation and time for three surface treatments

3 结 语

(1)不稳定冻结阶段地表覆砂降低土壤蒸发速率约4.8%；稳定冻结阶段地表覆砂能有效抑制土壤蒸发，XS和CS处理土壤蒸发速率较LD分别降低7.1%和10.7%；消融解冻阶段，LD、XS和CS平均土壤蒸发速率分别为0.32、0.46和0.44 mm/d，砂层覆盖加剧了表层土壤水分蒸发。同样条件下，XS的土壤蒸发速率大于CS。

(2)冻融期地表土壤覆砂可有效改变土壤蒸发的变化幅度，土壤累积蒸发量随时间的变化较好地符合幂函数(E=atb)关系。

(3)冻融期LD、XS和CS累积土壤蒸发量分别为29.87、34.32和33.43 mm。不稳定冻结期土壤蒸发量最小，分别占冻融期累积土壤蒸发量的23.02%、18.34%和18.33%。消融解冻阶段土壤蒸发量较大，分别占冻融期累积土壤蒸发量的43.42%、54.77%和54.47%。