西北干旱区农田土壤蒸发量及影响因子分析

吴友杰，杜太生

（1. 湖南农业大学水利与土木工程学院，长沙 410128；2. 中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083）

0 引 言

土壤蒸发作为水分循环系统中的关键要素，是水量平衡与热量平衡的重要组成因素，在水文气象中扮演着十分重要的角色，对土壤-植物-大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）水分循环和水资源评价与管理等具有重要的研究意义[1-2]。土壤蒸发长期以来受到人们的关注。在干旱半干旱地区，水分不断散失会影响种子的发芽和出苗，往往是作物产量的重要限制因子。为减少土壤蒸发损失，保证种子的发芽和出苗率以及提高作物水分利用率和产量，干旱半干旱地区农田广泛利用了覆膜技术。目前，农田覆膜已成为广泛采用的农艺措施[3-4]。作为一种特殊的覆盖方式，塑料薄膜覆盖直接影响土壤温度、土壤水分和土表微气候环境，通过保温保墒促进作物播种出苗和生长发育[5-6]。

相对于大型蒸渗仪和水量平衡法等方法，微型蒸渗仪（micro-lysimeter）操作简单、耗时短且经济有效，是一种简单有效的方法，已被广泛应用于直接测量土壤蒸发量[7-9]。然而，目前微型蒸渗仪在制作和使用过程中仍存在一些争议，如微型蒸渗仪适用的尺寸大小（口径和高度）问题[10-11]，底部处理问题（封底与不封底等）[10,12]，底部所用材料（铁皮和纱网等）问题等。此外，在覆膜条件下，土壤蒸发过程复杂，包括蒸发水汽粘附于膜下形成凝结水，凝结水经二次蒸发后水汽从膜孔和膜缝扩散到大气中，使用微型蒸渗仪测定膜下土壤蒸发的问题更有待深入探讨[3]。虽然在覆膜条件下土壤蒸发远远小于蒸腾所占比例，但它是不可忽略的，尤其是相对于一个长时期的累积来说，膜下蒸发更应该引起重视。针对农田土壤蒸发的估算和其运动过程分析已有一些研究，传统的研究方法有蒸渗仪法[8-9,13-15]，微气象法[16]，遥感法[17]以及水文模型估算法[6,18]。每种方法都有其局限性，如时空尺度局限性、耗时费力以及设备的误差和不确定性等。另外，覆膜条件下的土壤蒸发过程复杂，包括了蒸发水汽粘附于膜下形成凝结水，凝结水经二次蒸发后水汽从膜孔和膜缝扩散到大气中，其水分传输和转化机制难以用传统的方法定量研究[3]。因此，定量化研究农田裸土、覆膜条件下土壤蒸发具有重要的意义。

本研究尝试应用多种微型蒸渗仪方法对裸土和覆膜条件下的土壤蒸发进行测定和比较，明晰其适用性，并采用水量平衡原理结合茎流计的方法测算蒸发量对微型蒸渗仪法进行校对和验证。此外，采用偏最小二乘法研究土壤、气象等属性指标对土壤蒸发量的影响进行综合评估。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年4月至2015年10月在中国农业大学石羊河农业与生态节水试验站进行（37°52'N，102°51'E）。试验区常年干旱，蒸发量大，水面蒸发量大于2 000 mm，日照时间长，年均日照时数在3 000 h以上，多年平均降雨量仅164.4 mm。试验区土壤主要为壤土和砂壤土，表层壤土的干容重和田间持水量均值分别为 1.51 g/cm3和0.28 cm3/cm3[19]。

1.2 试验方法

试验小区分布于试验站玉米农田内，为增加地温，减少棵间蒸发，保证出苗率，试验区农田采用白色聚乙烯塑料薄膜覆盖，膜宽140 cm、厚0.005 mm。玉米于4月中旬播种，9月下旬收获，其生长期可大致划分为前期（播种至6月下旬），中期（6月下旬至8月上旬）和后期（8月上旬至收获）。

1.2.1 微型蒸渗仪方法

土壤蒸发采用微型蒸渗仪测定。微型蒸渗仪由 PVC管材料制成，由内筒和外筒组成，内筒直径和高度为 10和20 cm，外筒直径和高度为11和20 cm。外筒被固定在裸土中，表面与土壤齐平，内筒取原状土。

布置田间覆膜试验前，选择一块裸地对微型蒸渗仪展开裸土试验，采用4种处理方式：1）用滤纸和纱网处理蒸渗仪底部，确保水分和热量均可以自由传输，记为“不封底微型蒸渗仪”；2）采用铁片和塑料薄膜封底，阻止桶内和桶外土壤水分的相互交换，同时可以确保热量的传递，记为“封底微型蒸渗仪”；3）选取一部分蒸渗仪进行5 d一次的更换新土，记为“换土微型蒸渗仪”；4）另外选取一部分蒸渗仪不换土，记为“不换土微型蒸渗仪”，但在每次降雨和灌溉后对所有微型蒸渗仪进行换土，如表1所示。各种处理的微型蒸渗仪设3个重复，随机分布于玉米农田内，每天19:00用精度0.1 g的天平秤量一次以计算每日蒸发量。对蒸发日变化进行测定，日间每小时对微型土壤蒸渗仪称量一次。灌溉和降雨时段内无测量数据。每日（或小时）土壤蒸发量根据下式计算

式中E为土壤每日（或小时）蒸发量，mm/d或mm/h；S为微型蒸渗仪蒸发面积，cm2；ΔMi为蒸渗仪每日（或小时）质量变化量，g；N为微型蒸渗仪总个数。

裸土试验结束后，选取最优的微型蒸渗仪对农田覆膜条件下的土壤蒸发测定展开试验，尝试使用 3种处理微型蒸渗仪的方法对进行测定。第一种为蒸渗仪表面不覆膜（E（LB）），即表面为裸土；第二种为蒸渗仪表面覆膜（E（LM））并开小孔，其开孔率（Hole Rate，HR）亦即塑料薄膜的破损率，其值为裸露土体的表面积与总面积的比值，与试验田的覆膜破损率保持一致；第三种为蒸渗仪表面不覆膜但将其测量结果乘以开孔率（E（LB×HR））。试验初期，玉米农田放苗孔的开孔率较为稳定，因为播种时所采用的播种机口径为 3.0 cm，株距和行距分别为18和50 cm，HR约为0.5%。试验过程中，由于人为活动和其他一些因素（如风和杂草等）的影响，试验区覆膜会受到不同程度的破损，因此本研究每隔约两周时间对覆膜的破损率进行一次估算，用相机采集照片后应用Photoshop软件对照片进行处理并估算。此外，为验证Photoshop计算的准确性，采用网格法进行局部采样校正。田间试验的具体方法描述见表1。

表1 试验设计和方法描述Table 1 Experimental design and method description

1.2.2 茎流计结合水量平衡方法E（F-B）

大量研究表明采用常规的水量平衡法计算蒸发蒸腾量（ET）结合茎流计测定植物蒸腾量（T）的方法估算土壤蒸发量（E=ET-T）是相对准确可行的[19-22]。本研究采用茎流计结合水量平衡方法E（F-B）对微型蒸渗仪法进行对比验证分析（E=ET-T），需采用Flow32-1K包裹式茎流系统（Dynamax，Houston，TX，USA）对玉米茎液流进行监测，其原理是利用热量平衡法，通过测量茎内水分运输过程中产生的热量变化，确定植物茎液流和植物的水分消耗[23]。每套Flow32-1K系统有8个包裹式传感器，随玉米茎粗的增大选用的传 感器型号也随之改变，一般选用SGB16、SGB19和SGB25这3种规格。安装包裹式茎流系统均在玉米拔节后期或抽穗前期进行，在试验区随机选取 8株玉米进行测定（根据实际情况可适当地更换植株）。茎流数据采集间隔为1 min，每15 min计算一次平均值并存储。为防止连续加热对植株造成伤害，每隔10 d左右将传感器卸下，并进行相应维护。

采用水量平衡法计算玉米作物蒸发蒸腾量（ET，mm），方程如下[8,20]：

式中P为计算周期内的总降水量；I为总的灌水量；Q为地下水补给量；R为地表径流量；D为渗漏量；Wt0和Wt1分别代表在t0和t1时刻0～100 cm的土壤水存储量，由水分监测系统ECH2O（Decagon Devices，Inc.，Pullman，WA，USA）测定计算获得。以上各分量的单位均为mm。

由于试验区降雨强度一般很小，试验期间最大次降雨量为23.2 mm，最大的灌水量为56 mm。试验区地势平坦，下雨和灌溉会有积水但不会存在径流；经分析土壤水分动态变化情况，灌水后水分入渗最大深度 75～80 cm，灌水前后埋设于90 cm深度的水分传感器未见明显变化，因此，在计算深度100 cm（根系活动层内）内不存在渗漏。此外，地下水埋藏深度较深（约30 m），前人通过长期监测土壤水分动态变化规律发现该地地下水补给量约为 0，可忽略[22-23]。因此，水量平衡方程可以简化为：

1.2.3 影响因子分析

为深入分析影响土壤蒸发的主要影响因子，试验测定了土壤表层土壤含水量（Soil Water Content，SWC）、土壤温度（Temperature，Temp）、玉米叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）、太阳辐射（Solar Radiation, SR）、空气相对湿度（Relative Humidity, RH）等。其中SWC和Temp采用ECH2O土壤水分测定系统（Decagon Devices，Inc.，Pullman，WA，USA）进行测定；采用卷尺测量玉米叶面积，测量每片叶完全展开的长和宽，单叶叶面积=长×宽×0.74[22]，叶面积指数=单株叶面积/该植株所占地表面积；采用自动气象站（Hobo，Onset Computer Crop，USA）连续监测SR、RH等相关气象因子。

利用 XLSTAT 软件（version 2010.3.06，Addinsoft2010，New York，USA）进行偏最小二乘法建模，记为Full_PLS模型。在Full_PLS模型中，根据各个自变量的变量投影重要性（Variable Importance in the Projection，VIP）值[24]，对VIP值小于0.80的自变量进行筛选移除,再进行回归，直至回归模型中自变量的 VIP值均为0.8以上，得到基于VIP值逐步筛选自变量PLS模型（based on VIP for stepwise selection of independent variable PLS model，BSVIP_PLS）。模型的具体数学推导过程及介绍详见文献[25]。采用该模型综合评估以上土壤属性和气象指标对土壤蒸发量的影响。

根据不同自变量 VIP值计算各个自变量对土壤蒸发的影响贡献率，由以下公式计算[26]：

ET ( )

PIWW

t t

1 0

式中Ci为自变量i对土壤蒸发的影响贡献率，%；VIPi为BSVIP_PLS模型中的自变量i对土壤蒸发影响的VIP值；n为BSVIP_PLS模型中自变量的个数；r为模型的复相关系数。

2 结果与分析

2.1 不同微型蒸渗仪测量的裸土蒸发

大量研究表明，采用微型蒸渗仪直接测量土壤蒸发量是相对精确有效的[7-9]，但微型蒸渗仪的底部处理问题仍存在一定的争议。本研究发现，封底和不封底微型蒸渗仪的测量结果相近（图 1），两者拟合的线性关系为E(不封底)=1.008E(封底)（R2=0.876）。在第 3 天和第 20 天后 2种方法测定的蒸发存在一定的差异，主要原因可能是灌溉和降雨的影响，使封底蒸渗仪底部存在积水。在不受降雨和灌溉影响的情况下，微型蒸渗仪内外土壤水分交换较少，对测量的土壤蒸发影响较小；同时亦可说明微型蒸渗仪高度 20 cm是合理的设计高度，在表层土壤20 cm以下的土壤水分向上传输较少。前人对微型蒸渗仪研究中，通过对比分析10、15、20和25 cm高度的蒸渗仪测量结果后，推荐使用高度为20 cm的微型蒸渗仪[12,15]，与本研究结论相似。

图1 封底和不封底微型蒸渗仪测定的土壤蒸发量比较Fig.1 Comparison of soil evaporation determined by micro-lysimeters with and without back cover

相关研究表明[9,27-28]，在一般情况下，微型蒸渗仪需要3～5 d换一次土以确保测量精度。然而，试验区覆膜条件下，若常换土则会带来膜的大量破坏，为减少试验区覆膜的破坏，本研究对微型蒸渗仪进行一定的改进并尽量减少换土次数。由图 2可知，换土和不换土微型蒸渗仪测量的结果相似，两者测定的蒸发量在第4天和第5天的结果差异较大，可能的原因是在换土后的土壤空间差异较大，蒸渗仪内土壤水分含量与不换土相比存在较大差异。两者所拟合的线性关系的R2为0.890（图2b）。不换土的微型蒸渗仪测量裸土的土壤蒸发是可行的，表明本次裸土试验改进的“不封底不换土”的微型蒸渗仪测量裸土蒸发量是可行的。可见，在西北干旱地区，降雨量小而蒸发量大的条件下测量裸土的土壤蒸发，采用不封底（底部纱网）且不换土微型蒸渗仪测量结果误差较小，基于其制作简单、经济且坏破性小，因此建议采用。

图2 换土和不换土微型蒸渗仪测定的土壤蒸发量比较Fig.2 Comparison of soil evaporation determined by micro-lysimeters with and without soil replacement

2.2 覆膜条件下农田的土壤蒸发量测定

为验证 Photoshop计算农田覆膜开孔率（HR）的准确性，采用网格法进行局部采样校正，该方法采用的均一材质纱网其面积和质量具非常良好的线性关系，如图3a所示，通过在试验区随机采样后剪取网格，用分析天平（精度为0.0001g）进行称重，通过质量-面积关系进行换算，即可求得膜的破损度（开孔率）。计算结果发现，网格法和Photoshop方法所估算的覆膜开孔率基本一致，如图3b所示，两者的线性方程为y=1.008x（R2=0.9405）。表明，采集照片并用 Photoshop处理分析的方法是可行的。最后结果显示，生长过程中，膜的开孔率变化范围为0.5%～5.0%。

图3 网格法和Photoshop方法估算覆膜开孔率的比较Fig.3 Comparison of mesh method and Photoshop method in estimating the hole rate

农田覆膜条件下采用3种微型蒸渗仪方法（见表1）测定的土壤蒸发量如图 4所示。方法 E（LB×HR）估算的膜下蒸发量均值为0.06 mm/d，显著低于由覆膜的微型蒸渗仪E（LM）直接测量的土壤蒸发量0.96 mm/d，此外，尽管E（LM）方法中覆膜比例为95.0%～99.5%（相应的开孔率仅为0.5%～5.0%），但覆膜的微型蒸渗仪直接测量的土壤蒸发量仍然较大，未见明显小于由裸土微型蒸渗仪E（LB）直接测量的土壤蒸发量1.24 mm/d。因此说明，覆膜条件下尽管膜的覆盖率很大，但膜下土壤蒸发水汽经膜孔扩散到外界的量仍然较大。而传统的研究方法采用裸土蒸发量乘以农田覆膜开孔率（HR）的方法 E（LB×HR）估算的膜下蒸发量严重偏低。

Li等[8]的研究表明利用覆膜微型蒸渗仪的方法（本研究的E（LB×HR）方法）测定膜下的土壤蒸发是可行的，与模型估算和能量平衡方法估算的结果相似。该研究中，膜的覆盖比例约为 71%，膜宽 1.1 m，膜与膜之间是0.45 cm宽的裸土，考虑放苗孔在内，农田的裸土比例约为 30%，所以用微型蒸渗仪测量的蒸发量乘以裸土比例即为农田土壤蒸发量，结果约为0.2～0.8 mm/d，小于本研究E（LM）方法所估算的结果0.6～1.3 mm/d，而大于E（LB×HR）方法所估算的结果0.05～0.08 mm/d。造成这些差异的原因可能主要来源于薄膜的覆盖方式不同，本研究采用地表全覆盖模式，而 Li等[8]采用间隔性覆盖模式，此外，按覆膜比例的折算方法（E（LB×HR）估算膜孔蒸发量可能很大程度低于真实值。

对于蒸发日变化（图4a），在早上和晚上E（LM）方法估算的蒸发量比 E（LB）大。很可能是因为在覆膜情况下膜下凝结水补给到表层土壤，使早晨表层土壤保持较高的含水量，午后，膜下的土壤表层温度大于裸土温度，蒸发强度较大。此结果与Zhao等[9]采用微型蒸渗仪测定葡萄园裸土蒸发日变化分布趋势相似。对于蒸发的生长期变化（图4b），由E（LM）和E（LB）方法估算的蒸发量可知，生长前期，日均蒸发量为 1.33～1.45 mm/d，是因为玉米生长前期叶面积指数小，太阳直射地表导致蒸发较大；到生长中期，随叶面积指数增大，蒸发减小，平均值为0.69～1.12 mm/d，E（LM）与E（LB）方法估算的蒸发量出现了较大差异，可能的原因是叶面积指数增大使蒸渗仪接收到的太阳辐射减少，表面覆膜开孔的微型蒸渗仪中，由蒸发拉力作用而提升到膜下形成凝结水减少，进而从膜孔扩散到外界的水分减少，导致与 E（LB）的蒸发量差异变大。到生长后期，蒸发量略大，平均值为0.85～1.13 mm/d。应用E（LM）与E（LB）方法估算玉米生长前期的覆膜和裸土蒸发量差距不大，可能原因是尽管E（LM）方法所用的微型蒸渗仪表面覆膜开孔，但玉米生长期内较多的膜下凝结水返回到土壤表层，使其土壤含水量较裸土含水量大，从而蒸发量大。

图4 3种微型蒸渗仪测定土壤蒸发日变化和生长期变化Fig.4 Daily and growth period variations of soil evaporation determined by three micro-lysimeter methods

图5为覆膜条件下3种微型蒸渗仪和基于茎流计-水量平衡方法测定的覆膜条件下的土壤蒸发量变化情况，总体上 E（LB）方法测定的土壤蒸发较高，生长期平均值为1.24 mm/d；而E（LB×HR）估算的膜下土壤蒸发量最小，每日蒸发趋近于0，不能反映实际情况，也说明以往认为农田覆膜条件下蒸发量可忽略的观点是错误的。如图5中基于茎流计-水量平衡方法E（F-B）所测量的蒸发量，可知覆膜条件下蒸发量依然较大，均值为1.02 mm/d。介于E（LB）和E（LM）方法所测定的蒸发之间，E（LM）所测定的蒸发均值为0.96 mm/d。说明了虽然农田覆膜，但土壤蒸量依然较大，不可忽略，而采用各种微型蒸渗仪直接测定的蒸发量存在一定偏差。Wu等[19]2017年采用稳定同位素方法结合瑞利（Rayleigh）分馏原理估算农田覆膜条件下的土壤蒸发，量化分析了膜下土壤水分发生蒸发并形成水汽过程，发现72.6%蒸发水汽在膜下冷凝形成凝结水，其中70.0%发生二次蒸发再次形成水汽扩散到外界，平均蒸发量约为0.80 mm/d，蒸发比例约为21.2%。覆膜条件下，裸土面积占的比例虽然很小，但土壤蒸发比例依然较大。

从蒸发变化情况可以看出，各方法测量的土壤蒸发随时间变化不十分明显，在6月下旬至7月中旬期间蒸发较小，主要原因是该时期玉米叶面积指数较大，使地表接收到的太阳辐射减少；7月下旬至8月下旬蒸发量较高，可能主要原因是该时期温度较高，同时由于该时段农田灌溉水量较大使土壤表层水分含量较大，导致蒸发量大。

图5 不同方法测定的土壤蒸发量随时间变化Fig.5 Variations of soil evaporation determined by different micro-lysimeters with time

综上可知，应用微型蒸渗仪测定裸土土壤蒸发是可行的，但在覆膜条件下其测量结果存在一定偏差，尤其是采用E（LB×HR）方法，测量结果偏差较大，E（LM）方法测量结果可近似的（略偏低）反映实际情况。农田覆膜后，膜下土壤蒸发水汽传输和转化是一个相对复杂的过程，其水汽凝结于膜下后经二次蒸发扩散到外界的过程难以用传统的方法测定，此外覆膜开孔下从膜孔蒸发的水汽也难以量化[29]。

2.3 土壤蒸发的影响因子分析

偏最小二乘法（Partial Least Squares，PLS）被应用于许多学科领域，是解决自变量共线性的有效方法。

本研究采用偏最小二乘法探讨了对E（F-B）法所测定蒸发数据进行分析，如图6所示。可见，根据PLS全模型的 VIP值大小进行各自变量逐步筛选，发现空气相对湿度RH的VIP值小于0.8，表明RH对土壤蒸发的影响最小；PLS模型的VIP值大于0.8的变量中，其值大小依次为：土壤含水率（SWC）、太阳辐射（SR）、叶面积指数（LAI）、覆膜开孔率（HR）、温度（Temp）。不同影响因素对土壤蒸发的影响贡献率分别为：SWC 23.9%、SR 18.3%、LAI 17.0%、HR 14.5%和Temp 13.9%。

前人通过试验研究冬小麦农田土壤蒸发及其主要影响因素，发现的小麦越冬期，影响土壤蒸发的主要因素是气象因子；返青期，土壤蒸发的表层土壤含水量的关系最为密切；此外小麦的叶面积指数是影响土壤蒸发的重要因素[15]。一些研究表明，影响土壤蒸发的主要因素可分为内因和外因两种，内因即土壤特征结构本身，如土壤类型、土壤水分含量等，外因即气象因素如辐射气温等，其中内因影响最大的为表层土壤水分含量，外因为辐射[30-34]。其研究结果与本研究结果相似，本研究通过采用偏最小二乘法量化分析得到了不同影响因素对土壤蒸发的影响贡献率，更能有效地明晰影响土壤蒸发的主要因素，见表2。

图6 影响因子对土壤蒸发的重要性值Fig.6 VIP values of influence factors to soil evaporation

表2 影响因子对土壤蒸发的贡献率Table 2 Contribution rates of influence factors tosoil evaporation

3 结 论

本研究采用微型蒸渗仪方法测定裸土和覆膜条件下玉米农田土壤蒸发量，应用茎流计-水量平衡法（E（F-B））对计算结果进行对比分析，并采用偏最小二乘法探讨了影响土壤蒸发的主要因子。具体结论如下：

1）在西北干旱地区，降雨量小而蒸发量大的条件下微型蒸渗仪测定裸土蒸发是可行和准确的，在裸土条件，“封底”微型蒸渗仪和“不封底”微型蒸渗仪以及“换土”蒸渗仪和“不换土”微型蒸渗仪所测定的土壤蒸发结果具有良好的一致性。从制作简单、经济且破坏性小角度考虑，建议采用不封底（底部纱网）且不换土微型蒸渗仪。

2）覆膜条件下，采用传统的“裸土微型蒸渗仪乘以膜孔率”的方法（E（LB×HR））测量蒸发显著偏低，采用“覆膜开孔”的微型蒸渗仪法（E（LM））和裸土微型蒸渗仪法 E（LB）测定的蒸发量未见显著差异，但与（E（LB×HR））测定结果均存在显著差异。通过应用茎流计-水量平衡法（E（F-B））对计算结果进行对比分析发现传统的微型蒸渗仪方法测定覆膜条件下的土壤蒸发存在一定偏差，E（LM）方法测量结果可近似的（略偏低）反应实际情况，蒸发量约为0.96 mm/d。农田覆膜条件下，尽管裸土面积占的比例很小（0.5%～5%），但土壤蒸发量依然较大，均值为1.02 mm/d。

3）影响农田土壤蒸发的因素主要有土壤含水率、太阳辐射、叶面积指数和覆膜开孔率，而影响最大的为土壤含水率和太阳辐射，相对贡献率分别为23.9%和18.3%。