華北平原地區(qū)土壤蒸散發(fā)計(jì)算模型研究

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摘要：土壤蒸散發(fā)量的計(jì)算，在墑情預(yù)報(bào)、降雨徑流計(jì)算及水資源評(píng)價(jià)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(cè)資料，綜合考慮“土壤—植物—大氣”系統(tǒng)中的各個(gè)因素對(duì)土壤蒸散的影響，建立了適于黑龍港流域的土壤散量計(jì)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(rùn)的黑龍港地區(qū)水文循環(huán)主要的支出項(xiàng)。近幾十年來(lái)由于人類對(duì)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(kāi)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(gè)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。

　?。?） 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(shí)，土壤蒸發(fā)實(shí)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(bǔ)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(shí)，土壤蒸發(fā)全部以水汽擴(kuò)散方式進(jìn)行。

　?。?） 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?yàn)檎舭l(fā)表面面積增大了、反射率減少了。

　?。?） 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(dòng)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%.

　?。?）土壤色澤及地表特征

　　土壤色澤影響土壤吸收太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)光的反射率不同）。

　　由于風(fēng)的紊動(dòng)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(gè)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(yáng)輻射是汽化潛熱能量的來(lái)源，黑龍港流域天文輻射量較小，但是晴天的機(jī)會(huì)多，獲得太陽(yáng)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(duì)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(kuò)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(qiáng)烈。

　　（2）空氣濕度

　　大氣的相對(duì)濕度是影響蒸發(fā)的重要因素。當(dāng)溫度為17℃~18℃，平均相對(duì)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(qiáng)烈。

　?。?） 風(fēng)速

　　風(fēng)使接近土壤表面的空氣連續(xù)不斷地被擾動(dòng)，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(qiáng)。當(dāng)風(fēng)速為5.4m/s時(shí)，從100m3方形土柱中蒸發(fā)的水量為7.8g/小時(shí)，而當(dāng)風(fēng)速為0時(shí)，蒸發(fā)量?jī)H為0.3g/小時(shí)。[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(lái)，蒸發(fā)也多。

　　1.3 植物類別和生長(zhǎng)期

　?。?）植物品種

　　仙人掌、松樹(shù)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(duì)較大。同一種植物，因?yàn)檫z傳因素、種植密度、生長(zhǎng)狀況不同蒸散發(fā)量不同。

　?。?）植物的生長(zhǎng)階段

　　植物生長(zhǎng)初期，苗小生長(zhǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(jì)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(guò)程。其計(jì)算模型可用下式建立：

　?。?）

　　（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(gè)函數(shù)；

　　——用修正后彭曼公式計(jì)算得到的土壤足夠濕潤(rùn)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(gè)量的確定方法分別討論：

　　2.1 陸面蒸散能力（Em）的計(jì)算。

　　用衡水水文實(shí)驗(yàn)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(jì)算得到的蒸發(fā)值E計(jì)相比較，發(fā)現(xiàn)其差值很有規(guī)律：E計(jì)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(jì)為本站資料代入彭曼公式計(jì)算值。

　　彭曼公式開(kāi)始主要用于水面蒸發(fā)計(jì)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(shí)，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(gè)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(guò)程中，忽略了地?zé)醾鲗?dǎo)。然而土壤的熱量與植物生長(zhǎng)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(chǔ)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(jì)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(jì)算時(shí)段內(nèi)溫度變化 ℃

　　式（5）中，表達(dá)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(cè)定比較困難，但可用Cp、h與土壤濕度的關(guān)系來(lái)表達(dá)。

　　2.1.2植物散發(fā)系數(shù)（R）的確定

　　在有作物生長(zhǎng)的農(nóng)田里，水分一方面通過(guò)土壤表面蒸發(fā)，另一方面通過(guò)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(shí)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(duì)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(guò)對(duì)兩臺(tái)相同土壤蒸發(fā)器不同處理?xiàng)l件下（一個(gè)種作物、一個(gè)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(guó)人布蘭?？死锏?tīng)栍?jì)算的干旱半干旱地區(qū)的蒸散能力而引入的反映生長(zhǎng)階段對(duì)蒸散的影響的改正系數(shù)趨勢(shì)一致。

　　2.2土壤因素（W）的確定

　　土壤水分的蒸散是通過(guò)土壤表面和植被表面進(jìn)行的。在蒸散過(guò)程中，表層以下的水分以毛管水的形式向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)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(duì)衡水實(shí)驗(yàn)站的實(shí)測(cè)資料進(jìn)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(shí)實(shí)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(shí)，土壤逐漸變干，土壤蒸散量迅速變小。下圖為1986、1987年衡水實(shí)驗(yàn)站1.0米土層內(nèi)，相對(duì)有效水分（W-WP）/（Wk-Wp）與實(shí)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(duì)有效水分（W-WP）/（Wk-Wp）小于65%時(shí)，Et/Em與相對(duì)有效水分的關(guān)系接近線性。當(dāng)相對(duì)有效水分大于65%時(shí)，Et=Em.

　　用數(shù)學(xué)式子表示：

　?。╓-WP）/（Wk-Wp）≥65%時(shí)，Et=Em

　?。╓-WP）/（Wk-Wp）＜65%時(shí)，Et＜Em

　　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(shí)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(jì)。由于土壤含水量和凋萎點(diǎn)是隨深度而變化的，如分層計(jì)算，蒸發(fā)量可由土層的水分變化來(lái)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

　?。?）

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

　　（9）

　?。?）式是一個(gè)線性微分方程，對(duì)它兩邊積分后可得時(shí)間間隔t內(nèi)的蒸散量Et為：

　?。?0）

　　式中、為時(shí)段t開(kāi)始和結(jié)束時(shí)1.0米深土層的儲(chǔ)水量，如果時(shí)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(dá)到臨界含水量，時(shí)段t內(nèi)的蒸發(fā)量Et為：

　?。?1）

　　即增加了一個(gè)附加的蒸發(fā)項(xiàng)。

　　如果時(shí)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(guò)臨界含水量，時(shí)段t內(nèi)的蒸發(fā)量Et為：

　　（12）

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

　　在實(shí)際蒸散量的計(jì)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(gè)變動(dòng)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(rùn)的情況下，利用土壤蒸發(fā)器實(shí)測(cè)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(diǎn)的觀念有些不同，因?yàn)楫?dāng)土壤含水率低于生物凋萎點(diǎn)而高于最大吸濕度時(shí)，仍有明顯的蒸散發(fā)生。參考土壤濕度觀測(cè)資料取Wp最大吸收濕度=穩(wěn)定凋萎點(diǎn)/1.34，計(jì)算中取Wp=42mm.通過(guò)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(dá)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(shí)，土壤中的懸著水將隨著土壤表層水分的減少向上運(yùn)動(dòng)，這種從深層向土壤表層的水分補(bǔ)充是比較緩慢的，使蒸散受到一定的限制。在有作物生長(zhǎng)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(shí)，由于深層土壤水分變化較小，對(duì)作物根系的吸收無(wú)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(jì)算中取5月～9月的Wk=220mm，其它月份Wk=300mm.

　　3 、模型的檢驗(yàn)

　　用上述方法計(jì)算的土壤蒸散量其結(jié)果和實(shí)測(cè)值比較，除個(gè)別點(diǎn)（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(shì)是一致的。以1986和1987年為例，月均值相差小于10%的點(diǎn)占55%；月均值相差小于20%的點(diǎn)占80%以上，年蒸散量差值均在10%以內(nèi)。表明該模型能達(dá)到一定的精度。

　　綜合上述分析，本模型把“土壤—大氣—植物”三個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，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(tái)站日常觀測(cè)資料中得到，為實(shí)際應(yīng)用提供了便利條件。

　　結(jié)語(yǔ)：

　?。?）計(jì)算機(jī)的普及為模型的數(shù)學(xué)計(jì)算創(chuàng)造了廣闊的前景，可以在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出任一時(shí)段的土壤實(shí)際蒸散量，進(jìn)而推算土壤的水分狀況。而這些是土壤墑情預(yù)報(bào)和水資源調(diào)度急需解決的問(wèn)題。依據(jù)蒸散模型建立一個(gè)蒸散和土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水資源極度饋乏的河北省尤其必要。

　?。?）土壤蒸散涉及到多個(gè)學(xué)科，模型的準(zhǔn)確性、可靠性還要在以后的實(shí)際運(yùn)用中進(jìn)一步檢驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 裴步詳，蒸發(fā)和蒸散的測(cè)定與計(jì)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

作者：呂增起 付學(xué)功

　　[3] 涂大正，植物生理學(xué)，東北師范大學(xué)出版社，1989年