摘要：土壤蒸散發(fā)量的 計算 ，在墑情預(yù)報、降雨徑流計算及水資源評價中都占有重要的地位。利用水力式土壤蒸發(fā)器及其配套的氣象、輻射、水面蒸發(fā)儀器觀測資料，綜合考慮“土壤—植物—大氣”系統(tǒng)中的各個因素對土壤蒸散的 影響 ，建立了適于黑龍港流域的土壤散量計算模型。

關(guān)鍵詞：土壤蒸散發(fā) 含水率 土壤—植物—大氣系統(tǒng) 地?zé)醾鲗?dǎo)

1、 土壤蒸散發(fā)影響因素

土壤蒸散發(fā)包括土壤蒸發(fā)和植物蒸發(fā)(散發(fā))，是半干旱半濕潤的黑龍港地區(qū)水文循環(huán)主要的支出項。近幾十年來由于人類對大 自然 改造能力的大幅度提高，土壤蒸散發(fā)量在水文循環(huán)中的比例大幅度提高，局部地區(qū)、部分年份的蒸散發(fā)量甚至大于降水量—深層地下水開采量、外流域引水量的一部分也消耗于蒸散發(fā)。區(qū)域蒸散發(fā)量的主要影響因素有土壤、氣象、作物三個方面。

1.1 土壤因素

影響土壤蒸散發(fā)的土壤因素可分為土壤含水量、地下水埋深、土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)、土壤色澤與地表特征。

(1) 土壤含水量

土壤含水量是影響土壤水分蒸發(fā)的主要因素。土壤含水量高時，土壤蒸發(fā)實質(zhì)上接近自由水面蒸發(fā)，蒸發(fā)率比較穩(wěn)定。隨著土壤含水量減少，非飽和滲透系數(shù)降低，補給蒸發(fā)的水分響應(yīng)減少。當(dāng)土壤含水量減少至非飽和滲透系數(shù)接近零時，土壤蒸發(fā)全部以水汽擴散方式進行。

(2) 地下水埋深

地下水埋深越淺，土壤蒸發(fā)量越大。如果地下水面接近地面，其蒸發(fā)量甚至大于光滑水面的蒸發(fā)量。因為蒸發(fā)表面面積增大了、反射率減少了。

(3) 土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)

土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)關(guān)系孔隙的數(shù)量、體積及其連通性，也影響到非飽和滲透系數(shù)。根據(jù)水分在非飽和土壤移動情況，各種土壤的非飽和滲透系數(shù)的大小為：粘土>輕粘土>細(xì)砂壤土>沙土。設(shè)粘土土壤(直徑小于0.07mm)的蒸發(fā)量為100%，則直徑0.25~0.5mm的土壤蒸發(fā)量為81%，而直徑1.0~2.0mm的土壤為22.2%.

(4)土壤色澤及地表特征

土壤色澤影響土壤吸收太陽輻射，因而影響于土壤溫度和蒸發(fā)。土壤顏色愈深，蒸發(fā)量越大。黃色土壤的蒸發(fā)量比白色的大7%，棕色土壤的蒸發(fā)量比白色的大19%，黑色土壤的蒸發(fā)量比白色的大32%(對太陽光的反射率不同)。

由于風(fēng)的紊動作用，高地的土壤蒸發(fā)量較谷地和盆地的大，粗糙地面的蒸發(fā)量較平滑地面的大。地表坡向不同，吸熱也有差異。15°的南向斜坡的土壤蒸發(fā)量作為100%，則東向斜坡的蒸發(fā)量為86%，北向斜坡為71%.[1]

1.2 氣象因素

主要包括輻射與氣溫、濕度、風(fēng)和降水方式四個方面 內(nèi)容

(1)輻射與溫度

連續(xù)蒸發(fā)必需有連續(xù)供給汽化潛熱的能量，太陽輻射是汽化潛熱能量的來源，黑龍港流域天文輻射量較小，但是晴天的機會多，獲得太陽的能量多，所以土壤蒸發(fā)量大于天文輻射大，但是經(jīng)常陰天的南方地區(qū)。氣溫和地溫對于蒸發(fā)的影響很直接，氣溫決定空氣中飽和水汽含量和水汽擴散的快慢，地溫決定土壤中水分子的活躍程度，因此氣溫和地溫越高，土壤蒸發(fā)越強烈。

(2)空氣濕度

大氣的相對濕度是影響蒸發(fā)的重要因素。當(dāng)溫度為17℃~18℃，平均相對濕度從91%降到75%，日蒸發(fā)量從2.5mm增至6.3mm.在大氣中水汽接近飽和的季節(jié)，土壤蒸發(fā)速度較小。此外地面以上的濕度梯度越大，土壤蒸發(fā)越強烈。

(3) 風(fēng)速

風(fēng)使接近土壤表面的空氣連續(xù)不斷地被擾動，將接近飽和的空氣帶走，以較干燥空氣代替。風(fēng)速越大，蒸發(fā)作用越強。當(dāng)風(fēng)速為5.4m/s時，從100m3方形土柱中蒸發(fā)的水量為7.8g/小時，而當(dāng)風(fēng)速為0時，蒸發(fā)量僅為0.3g/小時。[2]

(4) 降水方式

土壤中可供蒸發(fā)的水分與降水的數(shù)量、降水方式有關(guān)。降水量多，蒸發(fā)量大。同量的降水如果分成幾次小雨降下來，蒸發(fā)也多。

1.3 植物類別和生長期

(1)植物品種

仙人掌、松樹等針葉植物的蒸散發(fā)量小，南方的大葉植物蒸散發(fā)量相對較大。同一種植物，因為遺傳因素、種植密度、生長狀況不同蒸散發(fā)量不同。

(2)植物的生長階段

植物生長初期，苗小生長慢，葉面面積小，土壤蒸散發(fā)以土壤蒸發(fā)為主。隨著植物生長，葉面積增大以及氣溫升高，植物散發(fā)逐步占主導(dǎo)地位，蒸散發(fā)總量增加。生長后期，由于植株衰老，散發(fā)能力降低，蒸散發(fā)總量減少。

2、 土壤蒸散量(Et)計算模型的建立

土壤蒸散是涉及“土壤—植物—大氣”系統(tǒng)的比較復(fù)雜的物理過程。其計算模型可用下式建立：

(1)

(2)

式中：

——反映大氣和植物因素的陸面蒸散能力;

——反映土壤因素的以土壤有效含水量為指標(biāo)的一個函數(shù);

——用修正后彭曼公式計算得到的土壤足夠濕潤情況下的土壤蒸散量，它反映大氣因素;

Q——地?zé)醾鲗?dǎo)修正量;

R——反映植物因素的植物散發(fā)系數(shù);

下面就上述各個量的確定 方法 分別討論：

2.1 陸面蒸散能力(Em)的計算。

用衡水水文實驗站20平方米蒸發(fā)量代表自然水體的蒸發(fā)量E0與彭曼公式計算得到的蒸發(fā)值E計相比較，發(fā)現(xiàn)其差值很有 規(guī)律 ：E計4~8月份系統(tǒng)偏大、9月到次年2月系統(tǒng)偏小。用回歸 分析 方程及相關(guān)系數(shù);

4—8月： 相關(guān)系系數(shù)r=0.943 (3)

9—次年2月： 相關(guān)系系數(shù)r=0.920 (4)

式中E計為本站資料代入彭曼公式計算值。

彭曼公式開始主要用于水面蒸發(fā)計算，但公式的基本假定也適用植被地段表面的情況，即當(dāng)土壤表面有充分水分供應(yīng)時，可以得出主要取決于氣象條件的可能蒸發(fā)值。兩者不同之處在于下墊面差別，可用反射率這個參數(shù)反映。

2.1.1地?zé)醾鲗?dǎo)(Q)的確定

彭曼公式在推導(dǎo)過程中，忽略了地?zé)醾鲗?dǎo)。然而土壤的熱量與植物生長有密切聯(lián)系，白天地表面得到輻射熱量，一部分向地表以下的土層傳導(dǎo)并匯集在土壤中，夜間它又成為表面熱源增大蒸發(fā)。一年中的溫暖季節(jié)土壤吸收和儲存熱量，到寒冷季節(jié)則把熱量釋放出去。

如果把土壤分為耕作層和較深的土層(0—40厘米為耕作層，40—160厘米為下層)，土壤熱通量的計算式為：

(5)

式中：Q—土壤熱通量 焦耳

Z—耕作層深度 cm

CP—土壤容積熱容量 焦耳/(cm3.度)

T40—40厘米地溫 ℃

T160—160厘米地溫 ℃

h—平均熱傳導(dǎo)系數(shù)焦耳/(cm. ℃)

△T— 計算 時段內(nèi)溫度變化 ℃

式(5)中，表達土壤性質(zhì)的土壤容積熱容量Cp、平均熱傳導(dǎo)系數(shù)h在 自然 條件下測定比較困難，但可用Cp、h與土壤濕度的關(guān)系來表達。

2.1.2植物散發(fā)系數(shù)(R)的確定

在有作物生長的農(nóng)田里，水分一方面通過土壤表面蒸發(fā)，另一方面通過土壤中的根系吸收到作物體內(nèi)，然后由作物葉面的氣孔輸送到大氣中，實現(xiàn)作物與大氣間的水分交換。各作物在不同的發(fā)育期，根系對土壤水分的吸收能力不同。假設(shè)作物發(fā)育期生理因素用散發(fā)系數(shù)R表示，通過對兩臺相同土壤蒸發(fā)器不同處理條件下(一個種作物、一個裸地)蒸散量的 分析 ，得到種冬小麥、夏玉米等作物本地區(qū)散發(fā)系數(shù)R與美國人布蘭。克里德爾計算的干旱半干旱地區(qū)的蒸散能力而引入的反映生長階段對蒸散的 影響 的改正系數(shù)趨勢一致。

2.2土壤因素(W)的確定

土壤水分的蒸散是通過土壤表面和植被表面進行的。在蒸散過程中，表層以下的水分以毛管水的形式向上運動，運動的速度和土壤的有效含水量有一定的關(guān)系。土壤中水量的多少是蒸散發(fā)生的內(nèi)因。對衡水實驗站的實測資料進行分析表明，直到土壤含水量減少到比田間持水量低到某一數(shù)值時實際蒸散量等于蒸散能力，當(dāng)土壤含水量或有效水分繼續(xù)減少時，土壤逐漸變干，土壤蒸散量迅速變小。下圖為1986、1987年衡水實驗站1.0米土層內(nèi)，相對有效水分(W-WP)/(Wk-Wp)與實際蒸散量和蒸散能力之比Et/Em的關(guān)系圖。

從上圖可知，當(dāng)相對有效水分(W-WP)/(Wk-Wp)小于65%時，Et/Em與相對有效水分的關(guān)系接近線性。當(dāng)相對有效水分大于65%時，Et=Em.

用數(shù)學(xué)式子表示：

(W-WP)/(Wk-Wp)≥65%時，Et=Em

(W-WP)/(Wk-Wp)<65%時，Et

并且 Et= Em.(W-WP)/(Wk-Wp)(6)

式中：W—土層含水量(mm);

Wp———蒸散等于零，即土壤水分不能供蒸散時的土層水量(mm)

Wk—田間持水量(mm)

因此W-Wp—為土層的有效含水量，而Wk-Wp為土層的有效水分總量。假設(shè)在下水位較深，土壤上層與深層水分交換可忽略不計。由于土壤含水量和凋萎點是隨深度而變化的，如分層計算，蒸發(fā)量可由土層的水分變化來表示，設(shè)Wk-Wp=b則

(7)

式中—土壤層次;Z0—土層深度;如Z0=1.0米，則

(8)

即1.0米深土層中的有效水分，在無外界附加水分(如無降水)時土壤含水量隨時間呈單調(diào)下降變化，若Em為時間t內(nèi)的可能蒸散發(fā)量，則由(7)式得：

(9)

(9)式是一個線性微分方程，對它兩邊積分后可得時間間隔t內(nèi)的蒸散量Et為：

(10)

式中、為時段t開始和結(jié)束時1.0米深土層的儲水量，如果時段t內(nèi)有附加降水(如在第n日有降水P)，且降水后土壤含水量未達到臨界含水量，時段t內(nèi)的蒸發(fā)量Et為：

(11)

即增加了一個附加的蒸發(fā)項。

如果時段t內(nèi)有附加降水(如在第n日有降水P)，且降水后土壤含水量超過臨界含水量，時段t內(nèi)的蒸發(fā)量Et為：

(12)

如時段內(nèi)有兩次以上降雨，可根據(jù)上述原理，按計算模型得出蒸散量。

在實際蒸散量的計算中，由于土壤性質(zhì)和作物種類及發(fā)育期的不同，臨界含水量Wk有一個變動的范圍。為了確定比較可靠的Wk值，在不同的作物及同一作物的不同發(fā)育期，在已知土壤為不夠濕潤的情況下，利用土壤蒸發(fā)器實測的蒸散量反求臨界含水量Wk.由上式得：

(13)

其中與生物學(xué)上的凋萎點的觀念有些不同，因為當(dāng)土壤含水率低于生物凋萎點而高于最大吸濕度時，仍有明顯的蒸散發(fā)生。 參考 土壤濕度觀測資料取Wp最大吸收濕度=穩(wěn)定凋萎點/1.34，計算中取Wp=42mm.通過反求發(fā)現(xiàn)：作物在不同的發(fā)育階段臨界含水量Wk有明顯的 規(guī)律 變化。如冬小麥在播種到返青臨界含水量與裸地基本相同，平均值為300mm，在拔節(jié)后迅速減小到230mm，至灌漿達到最小值180mm，主要發(fā)育期臨界含水量平均為了220mm.在土壤蒸散條件下，當(dāng)土壤水分低于田間持水量時，土壤中的懸著水將隨著土壤表層水分的減少向上運動，這種從深層向土壤表層的水分補充是比較緩慢的，使蒸散受到一定的限制。在有作物生長的土壤中，作物根系散布在較深的土層中，當(dāng)土壤表層因蒸發(fā)而使水分減少時，由于深層土壤水分變化較小，對作物根系的吸收無明顯影響，相應(yīng)的臨界含水量必然低于裸土和作物小苗期的臨界含水量。模型計算中取5月～9月的Wk=220mm，其它月份Wk=300mm.

3 、模型的檢驗

用上述 方法 計算的土壤蒸散量其結(jié)果和實測值比較，除個別點(由于土壤蒸發(fā)器維修、土柱換土造成土柱含水率分布與自然狀況不一致，蒸散量受影響)相差較大外，總的變化趨勢是一致的。以1986和1987年為例，月均值相差小于10%的點占55%;月均值相差小于20%的點占80%以上，年蒸散量差值均在10%以內(nèi)。表明該模型能達到一定的精度。

綜合上述分析，本模型把“土壤—大氣—植物”三個系統(tǒng)聯(lián)系起來，幾乎考慮了影響作物蒸散量的所有因素，而這些因素又都不難從現(xiàn)有氣象臺站日常觀測資料中得到，為實際 應(yīng)用 提供了便利條件。

結(jié)語：

(1)計算機的普及為模型的數(shù)學(xué)計算創(chuàng)造了廣闊的前景，可以在短時間內(nèi)計算出任一時段的土壤實際蒸散量，進而推算土壤的水分狀況。而這些是土壤墑情預(yù)報和水資源調(diào)度急需解決的 問題 。依據(jù)蒸散模型建立一個蒸散和土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)對水資源極度饋乏的河北省尤其必要。

(2)土壤蒸散涉及到多個學(xué)科，模型的準(zhǔn)確性、可靠性還要在以后的實際運用中進一步檢驗。

參考 文獻 ：

[1] 裴步詳，蒸發(fā)和蒸散的測定與計算，氣象出版社，1989年

[2] 施成熙，農(nóng)業(yè)水文學(xué)，農(nóng)業(yè)出版社，1984年