基于不同阶段稻田潜水蒸发量的试验分析

张 威

(辽宁省水利事务服务中心，沈阳 110003)

0 引 言

潜水蒸发是指在浅层的地下水埋深的情况下通过地下水补充给土壤水的过程[1]，它是四水转化的重要组成部分，也是地下水消耗的重要途径，而地下水埋藏深度、土壤质量以及作物生长期等构成了影响潜水蒸发的主要因素，通过分析其变化规则是潜水蒸发随着地下水埋藏深度的增加而减少，当埋藏深度不大时，随着土壤颗粒逐渐增大，潜水蒸发量也随之增大。

1 影响潜水蒸发的因素

1.1 地下水埋深

地下水埋深决定了潜水蒸发过程中的水分输送距离[2]，但随着埋深的增加，输送距离同时相应增大，而作物根系吸收地下水的能力也越来越差[3]，潜水蒸发量也将越来越小。不同地下水埋深与潜水蒸发系数变化过程线，见图1-2。

图1 地下水埋深与潜水蒸发系数变化过程线

图2 地下水埋深与潜水蒸发系数变化过程线

从图1和图2可以看出，当地下水埋深从0.5m逐渐增大到2.0m时，潜水蒸发会随着地下水埋深的增大反而会迅速减小[4]，当地下水埋深从2.0m增大到3.5m时，潜水蒸发量逐渐趋近于零。在相同的埋深下，砂土的潜水蒸发系数明显>黏土的潜水蒸发系数，即砂的潜水蒸发量>黏土的潜水蒸发量， 这是因为黏土的黏度大于沙子的黏度，并且土壤的黏度越大，其水容量越大，从而抑制潜水蒸发[5]。

1.2 非饱和带岩性

理论分析表明，较粗的毛细管具有很强的输水能力，但水分上升高度却很小，细的毛细管的水分上升高度较大[6]，但是受到薄膜的水阻塞的影响，其输水能力较弱。从这个意义上说，过粗或过细的岩性颗粒都不利于毛细管水的移动和运输[6]，试验结果表明(图1和图2)，砂土的潜水蒸发系数非常大，表明砂土是最适合淹没蒸发的岩性[7]，结果表明，砂土是潜水蒸发最适合的岩性，潜水蒸发与土壤的粒径及结构有关。

1.3 作物生长期

作物潜水蒸发与裸土的区别主要就是作物具有蒸腾作用，不同埋深下沙土的月蒸发系数，见图3。从图3中不难看出，在峰值需水期间，潜水蒸发系数最高[8]，此外，随着地下水埋藏深度越大，反而潜水蒸发系数也相对较小。

图3 同土壤的月平均潜水蒸发系数

1.4 降水的影响

当地下水深度<1.0m时，受降水影响的潜水蒸发更明显，潜水蒸发与降水的变化过程线，见图4。从图4可以看出，C值的变化与降水的变化通常具有相反的特征，且降水期间的C值相对较小，潜水蒸发已大大减少，

在降水持续一段过程之后，受降水影响的水面蒸由于在降水之后迅速减少[9]，所形成潜水蒸发的时间不会滞后。

图4 潜水蒸发与降水的变化过程线

2 实验分析

台安径流实验站建于1963年，占地面积7500m2，该站的潜水动态实验室主要用于观测潜水蒸发，并已有1991-2019年的近29a的观测资料。它的主要设备是地面蒸渗仪，由26个量筒和一个地下室组成，而地下室的作用用于观测地表径流和潜水蒸发组成。利用该设施对不同土壤不同地下水埋深有无作物生长条件下的潜水蒸发实验。站内设有E601蒸发器，用于观测水面蒸发量。另外，站内设有雨量计、百叶箱、露天蒸发皿等气象设备。

2.1 稻田蒸发原理

以台安径流试验站为例，应用地面渗透仪观察台安径流实验站的潜水蒸发，潜水蒸发实验示意图，见图4。

当试验土样⑴中的水分开始蒸发时，试验土样逐渐变得开始脱水，此时，小管⑺中的水开始通过蒸发管⑸补充到试验土样⑴中，其结果是小管⑺中的水位逐渐开始下降。大筒⑼和小管⑺通过连通管连接，因此，大筒⑼比小管⑺的侧压力大，大筒⑼中的水会逐渐流入小管⑺当中，大筒⑼中的压力将会逐渐减弱，其气压小于外部气压，外部空气将会排到大筒⑼中，导致管两侧的压力处于平衡状态，如遇降水入渗时，其入渗量便会通过蒸发管⑸进入小管⑺中，由于小管⑺中的水位稳定时与入浸管⑻的水位相同，因此，在渗透量进入小管⑺之后，小管⑺中的水将通过入渗管到达下面的量杯中。由于渗透后的水量存在蒸发现象，则小筒⑺中的水进入测试土壤样品⑴中，重复上述过程便可以确定潜水蒸发。

根据稻田蒸发试验的安排，水稻在不同生育阶段每个测筒中的地下水埋藏深度分别见表1和表2。

1.试验土样；2.定水位；3.滤层；4.试筒；5.蒸发管；6.径流管；7.小筒；8.入渗管；9.大筒；10.支架；11.潜水面

表1 水稻不同生育阶段每个测筒地下水埋深 m

表2 水稻不同生育阶段每个测筒地下水埋深 m

2.2 影响稻田潜水蒸发因素

2.2.1 地下水埋深

由于目前使用浅湿灌溉方式，间隔几天就会灌溉，使得稻田表面的水层在逐渐消失后[9-10]，稻田土壤中的水分便开始蒸发。当地下水埋深比较浅时[8]，浅层地下水将从土壤毛细管转移到上层土壤，连根系也吸收地下水，地下水埋深不同，相应的蒸发量也不尽相同，稻田地下水不同埋深的潜水蒸发，见表3-4，从稻田地下水不同埋深的潜水蒸发，不难看出，地下水埋深的不断加大，其潜水蒸发量便会持续减少。

表3 稻田地下水不同埋深的潜水蒸发

表4 稻田地下水不同埋深的潜水蒸发

由于受测试条件所限，这4种土壤的试验研究设置在2个地下水埋深，稻田不同地下水埋深与潜水蒸发的过程线，见图6。从图6可知，各种土壤的0.5m地下水埋深对应的潜水蒸散量均>1.0m地下水埋深所对应的潜水蒸发量，这与潜水蒸发的相对减少是一致的[9]。稻田地下水不同埋深的潜水蒸发，见表5。

表5 稻田地下水不同埋深的潜水蒸发

图6 稻田不同地下水埋深与潜水蒸发的过程线

上述表5和图6是2019年8月8日是稻田地下水埋深与潜水蒸发的变化过程，即从上午10时开始，直到第2天上午8时结束。从图6不难看出，在0.75m和0.5m地下水埋深对应的潜水蒸发过程线比较相似，并且整天过程线的波动很小，与其他埋藏深度为0.25m的埋藏深度相比，还可以发现一天中的波动非常大，经过4h后即大约在14时，潜水蒸发强度达到最高，并且是一天中的高峰，在0.5m和0.75m处也有一个峰值，但是它滞后了大约4h，并出现在大约18:00，但该值<0.25m的埋深。

2.2.2 土壤质量

从表3、4可知，土壤不同其潜水蒸发也是不相同的，但对于0.5m的埋深深度，最大的潜水蒸发是黏土，其次是亚沙、然后是沙土，最小是亚黏土，当浅水埋藏深度为1.0m时，沙土的潜水蒸发量最大，其次是黏土，亚黏及亚砂土。

2.3 水稻生育期

水稻分蘖前期逐日潜水蒸发过程线，见图7。从图7可以看出，每个埋藏深度的潜水蒸发量与水面蒸发量一致，当水面蒸发发生变化时，各个埋深虽对应的潜水蒸发同样具有相同的趋势，同时，埋深越大，潜水蒸发滞后就越大，而地表蒸发对潜水蒸发的影响相对较小[10]。而当水面蒸发量达到峰值时，各埋藏深度的每日潜水蒸发量也将增加，但是，不同地下水埋深的增加速度和时间是不同的[11]，浅层埋深变化快，增幅较大，埋深变化较为缓慢，变化幅度较小，说明当地下水埋深较小时，大气蒸发对潜水蒸发有一定影响[11]，但随着深度的增加而减小。

图7 水稻分蘖前期逐日潜水蒸发过程线

从图7可以看出，潜水蒸发的性能在不同的生长期是不同的，早期生长处于分蘖初期和分蘖后期，在地下水埋深0.25m到0.75m时，潜水蒸发蒸发非常小。并且与水面蒸发的差异很大，此时，单株植物很小，而植物的蒸腾作用也相对很小，是由于植物相互之间的蒸发引起的。分蘖后期与分蘖初期的潜水蒸发量相比，分蘖后期的潜水蒸发量较大，这是由于每周大约要灌溉1次，水在分蘖后期吸水量大所致。

生长期包括拔节孕穗期，抽穗开花期和乳熟期[12]，在拔节阶段，由于植物生长，其蒸发量相对较大，根系可以吸收土壤中更多的水，不同埋深的蒸散量也在逐渐增加，它们之间的差异减小了，甚至在0.25m深度处均匀的水面蒸发也非常接近潜水蒸发，潜水蒸发的突然减少通常说明处在灌溉或降雨，这同样会增加土壤水分同时抑制潜水蒸发[13]，开花和乳熟阶段与拔节孕育阶段基本类似，潜水蒸发和水面蒸发之间的关系与拔节孕育阶段大致相同。生育期末即是在黄熟期，水面蒸发和潜水蒸发的变化相对稳定且较大[14]，由于在此生长期缺少降雨又没有进行灌溉[，潜水蒸发并没有受到抑制，导致平均日蒸发量大。水稻不同生长阶段的平均每日潜水蒸发量，见表6。

表6 水稻不同生长阶段的平均每日潜水蒸发量 mm

3 结 语

通过以上分析可以看出，潜水蒸发在水稻整个生育阶段，其强度达到峰值，而随着地下水埋深的增加，其相应的潜水蒸发却是在逐渐减少[14]，潜水蒸发因土壤不同而不同，当埋深在0.5-1.0m，潜水蒸发量最大的是砂土，最小是亚砂土，结果表明，潜水蒸发与大气蒸发基本一致，埋藏深度越浅，一致性越强。在稻田的不同生长阶段，它也会影响潜水蒸发。