全 文 ：覆膜开孔土壤蒸发实验研究*
李 毅1, 3* * 王全九3, 4 王文焰4 邵明安2, 3
( 1 青海师范大学生命与地理科学学院, 西宁 810008; 2中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;
3 中国科学院水利部水土保持研究所,杨凌 712100; 4 西安理工大学水资源研究所 ,西安 710048)
摘要 为获得灌后覆膜开孔蒸发过程中土壤含水率分布的动态资料,研制了室内垂直一维入渗覆膜开
孔蒸发动态观测实验系统, 并进行了不同覆膜开孔率和不同入渗定额下的覆膜开孔蒸发实验. 根据实测资
料分析了土表覆膜开孔率和入渗定额不同条件下 ,蒸发土壤含水率剖面的时间变化和蒸发结束的含水率
剖面特征. 累积蒸发量随时间变化趋势表明, 两者关系符合 Gardner 理论关系, 且该理论关系系数与不同
覆膜开孔率和入渗定额存在进一步的函数关系, 从而得出覆膜开孔率和入渗定额影响下的累积蒸发量随
时间变化多因子模型. 同时,采用类似的方法分析了覆膜开孔率和入渗定额对相对累积蒸发量和单位膜孔
面积累积蒸发量的影响, 得出了定量函数关系,其拟合的相关系数均很高.
关键词 覆膜开孔率 累积蒸发量 入渗定额
文章编号 1001- 9332( 2005) 03- 0445- 05 中图分类号 S152 7 文献标识码 A
Soil evaporation under perforated plastic mulch. L I Yi1, 3 , WANG Quanjiu3, 4, WANG Wenyan4 , SHAO
Ming!an2, 3( 1College of L if e and Grographical Science , Qinghai Normal Univer sity , Xining 810008, China;
2 I nstitute of Geographical Sciences and Natural Resour ces Resear ch , Chinese A cademy of Sciences , Beij ing
100101, China; 3 I nstitute of Water and Soil Conser vation, Chinese A cademy of Sciences , Yangling 712100,
China; 4 I nstitute of Water Resources in Xi∀ an Univ ersity of T echnology , X i∀ an 710048, China) . Chin . J .
A pp l . Ecol . , 2005, 16( 3) : 445~ 449.
In arid and semiarid r eg ions of nor thw estern China, where evaporation exceeds precipitation, perforated plastic
mulches ar e w idely used to decrease so il water evaporation. To determine the effects of various perforated plastic
mulches on soil w ater evaporation after irrigation, a soil column exper iment was conducted, which consisted o f six
mulches with different perforated rates and four levels of irrigation, and the soil w ater evapor ation from each soil
co lumn w as measured. The results show ed that w ith 100% perforated mulch, the cumulative evapor at ion was 2 8
~ 48. 5 times higher than that of the control, and increased w ith increasing ir rigation amount. There was a linear
relationship betw een cumulative evaporation and time, w hich followed the Gardner∀ s theor y of bar e soil evapo ra
tion. A threefactor ( evaporation time, perforated r ate and irrigation amount) function of cumulative evapor ation
and the funct ions of relativ e cumulat ive evapo ration and cumulativ e evapo ration per unit hole area film w ere es
tablished, which fitted the observed data v er y well.
Key words Open holes ratio of plastic mulch, Cumulative evaporation, Perforated rate.
* 国家杰出青年科学基金资助项目( 40025106) .
* * 通讯联系人.
2003- 10- 23收稿, 2004- 10- 28接受.
1 引 言
地膜覆盖栽培技术作为一种新型种植方式已在
西北干旱、半干旱地区大面积推广应用. 目前, 新疆
覆膜种植面积达 1375 # 105 hm2,其中各种覆膜灌
溉面积为 6706 # 104 hm 2( ∃2001年新疆水利统计
年报%) .覆膜灌溉包括膜孔灌、膜下滴灌、膜侧灌等
多种形式,具有增温、保墒、节水、抑盐的作用.
春季覆膜播种后,须为作物破土出苗预设出苗
孔,并在灌水前,在出苗孔基础上增加灌水孔.此外,
田间地膜覆盖率通常达不到 100%, 不可能实现田
面的全覆膜.而出苗孔、灌水孔以及田间实际的非全
覆膜带来了覆膜灌后地表覆膜开孔率不同时水分运
动的新问题.由于覆膜开孔改变了原本不覆膜的土
壤与大气之间水分联系的通道, 因而在蒸发条件一
定情况下,开孔率成为直接影响土面蒸发特性的控
制性因素, 从而影响土壤水分的有效性. 在此前提
下,研究不同覆膜开孔率条件下的蒸发特性对于指
导生产具有重要的现实意义.以往国内外有关蒸发
方面的研究多针对裸土蒸发[ 1, 2, 4~ 7, 9~ 11, 17]或某一
覆盖度下[ 8, 12]的蒸发特征,缺乏不同地表覆膜条件
下的蒸发研究.本文以室内实验为基础,以覆膜开孔
率为主要边界条件,研究开孔率、蒸发时间和入渗定
额等对蒸发过程中水分运动的影响[ 3, 13~ 16] , 为研究
覆膜条件下田间土壤水分循环机制及确立合理灌溉
应 用 生 态 学 报 2005 年 3 月 第 16 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Mar. 2005, 16( 3)&445~ 449
制度提供科学依据.
2 研究方法
21 实验系统
采用垂直一维实验系统完成入渗结束后不同地表覆膜
开孔率的蒸发中土壤水分的动态观测.实验系统包括试验土
筒、水分动态测量系统以及加热系统. 试验土筒长 60 cm, 为
防止土壤与外界环境之间的热交换,土筒由双层有机玻璃材
料制成, 其内截面面积为 10 0 # 125 cm2 , 外截面面积为
11 0# 13 5 cm2. 水分动态测量系统包括 放射源、探头和
定标器.加热系统采用 250 W远红外灯, 蒸发实验中土筒与
供热源间距固定为 19 0 cm. 实验过程中, 用透射法动态观
测剖面土壤含水率,根据实验历时设定观测间隔由密到疏.
同时观测灯照距离相同的水面蒸发量,作为实验条件下的外
界大气蒸发能力. 经实测得到水面蒸发强度为 0 0021 cm∋
min- 1 .
22 供试土样
土样选自新疆石河子盐碱地, 经碾压、粉碎、风干、过筛
测定基本物理性质.采用烘干法测定风干含水率, 环刀装土
用水饱和后烘干测定饱和含水率;对大于 01 mm 的土粒采
用筛分法、小于 01 mm 的土粒采用精度较高的吸管法测定
土壤的机械组成. 测定结果 :土壤风干和饱和含水率分别为
0 035 cm3∋cm- 3和 0 48 cm3∋cm- 3 ; 粘粒、粉粒和砂粒含量
分别为 113、543 和 344 g∋kg- 1 ,参照我国质地分类系统确定
该土质地为粉质壤土.
土样按照设计容重 1 45 g∋cm- 3分层均匀装入实验土
筒. 为比较开孔率、入渗定额、蒸发时间对覆膜蒸发中水分运
动的影响, 进行垂直入渗蒸发实验. 入渗结束后立即用 250
W 远红外灯加热, 土表采用不同开孔率的塑料膜覆盖后开
始蒸发.蒸发结束后即刻在不同深度取样, 烘干测定土壤含
水率. 经烘干法和透射法对比,测量精度可达 98% .
覆膜开孔蒸发的初始条件及试验方案见表 1. 表中开孔
率为开孔总面积与土筒截面积之比, 开孔率为 139%、
2 84%、724%和 30 47% , 开孔数相同, 单孔直径分别为
1 mm、2 mm、28 mm 和 5 mm. 开孔率 0% , 相当于全膜覆
盖;而开孔率为 100% , 相当于裸土蒸发.膜孔呈梅花状交错
分布,间距相等. 入渗定额为 2 50、3 92 和 5 46 m3∋hm- 2,
地表采用不同覆膜开孔率时, 蒸发结束时水分运动尚未达到
所研究土体的最下边界.此种情况下, 水分运动属于半无限
土体水分运动; 而入渗定额为 7 93 m3∋hm- 2的蒸发过程中,
水分运动达到了土体的最下边界并继续运动分布 ,因此将其
归为有限土体水分运动过程.
表 1 覆膜开孔蒸发的初始条件及实验方案
Table 1 Ini tial conditions and experimental schedule for evaporation from fi lm holes in perforated plastic mulch
蒸发初始条件(入渗结束) Init ial condit ions
入渗深度
Inf ilt ration depth
( cm)
入渗时间
Inf iltration t ime
( min)
入渗定额
Inf iltrat ion quota
( m3∋hm- 2)
蒸发的实验方案 Ex perim ental sch edule for evaporat ion
地表覆膜开孔率
Open hole ratio of the
plast ic mulch on surface ( % )
蒸发时间
Evaporat ion time
( d)
水分运动
Soil w ater
movement
13. 0 406 2. 50 0; 30. 47; 100 3. 5 A
22. 5 1094 3. 92 0; 30. 47; 100 6. 0 A
33. 0 2188 5. 46 0; 30. 47; 100 6. 0 A
46. 5 3948 7. 93 0; 1. 39; 2. 84; 7. 24; 30. 47; 100 10. 0 B
A:半无限土体Half unlim ited soil; B:有限土体 Limited soil.
3 结果与分析
31 入渗蒸发的水分剖面
采用 透射法观测蒸发中不同地表覆膜条件和
入渗定额下的土壤水分剖面变化.图 1显示了入渗
定额为 546 m3∋hm- 2的不覆膜土壤蒸发水分剖面
变化.
不同条件下蒸发的含水率剖面变化存在类似
性.由图 1和其它开孔率及不同入渗定额条件下的
含水率剖面动态可见,其主要特征: 1)初始入渗深度
附近是土壤水分吸湿和脱湿的分界点. 不同入渗定
额的入渗深度下,蒸发导致上层土壤含水率逐渐降
低;而在下层,随时间的增加, 水分向下运动使湿润
长度增加. 2)在外界大气蒸发能力一定时,表土含水
率降低的速率与蒸发前期入渗定额的大小成反比.
蒸发的表层 0 cm含水率降低很快,而且入渗深度越
浅, 0 cm 含水率减低越快.
图 1 蒸发水分剖面变化
Fig. 1 Soil w ater variation during evaporat ion.
I :入渗定额 Inf ilt rat ion quota.下同 The sam e below .数字表示蒸发时
间 Numbers are evaporat ion t ime( min) .
由图 2可见, 初始入渗深度基本是蒸发过程中
脱湿区与吸湿区的分界点,脱湿区的含水量梯度随
开孔率的增大而增大. 同一入渗定额条件下,当开孔
率由 0~ 100%逐渐增加时,覆膜开孔蒸发的剖面土
壤含水率由低到高变化, 表层 0 cm 含水率差别最
大,并随开孔率增大而减小;全覆膜蒸发剖面含水率
446 应 用 生 态 学 报 16卷
图 2 不同开孔率和入渗定额的覆膜蒸发含水率剖面比较
Fig. 2 Comparison of soil w ater prof ile w ith dif ferent hole opening rat ios
and inf iltrat ion quotas.
数字表示开孔率 Numbers are hole opening ratios; infil:入渗结束 In fil
t rat ion overs.
比其他开孔率高,裸土蒸发最低.各开孔率条件下的
蒸发水分剖面均比入渗结束时变缓,湿润深度增加
且剖面含水率差别变小.
32 不同因素影响下的蒸发特征
321覆膜开孔蒸发的累积蒸发量 对不同地表覆
膜开孔率和入渗定额条件下的蒸发结束剖面水量分
析计算,可得出累积蒸发量的变化趋势(图 3) .
由图 3可见,入渗定额为 793 m3∋hm- 2的蒸发
中,当覆膜开孔率由 0%增至 284%,累积蒸发量陡
增;开孔率在284% ~ 100%增加时,累积蒸发量增
图 3 累积蒸发量随开孔率变化趋势
Fig. 3 Cumulat ive evaporat ion varying w ith open ratio.
加趋势变缓. 入渗定额分别为 250、392 和 546
m3∋hm- 2的蒸发中, 累积蒸发量同样随开孔率增加
而呈增加趋势.
研究证实, 累积蒸发量与时间平方根成正
比[ 1, 2, 4, 5] .本实验中, 入渗定额不同条件下开孔率
累积蒸发量随时间变化的趋势与之相符, 可表示为:
E= t 1/ 2 ( 1)
不同开孔率和入渗定额影响下的实测累积蒸发
量与时间平方根线性关系的系数列于表 2和表 3.
表 2 不同开孔率和入渗定额影响下的 (半无限土体)
Table 2 parameters influenced by hole opening ratios and infil tration
quota( hal f unlimited soil)
I
( m3∋hm- 2) U( %) E re
250 100 0058 1
3047 0046 07931
0 002 03448
392 100 0085 1
3047 0075 08824
0 0004 00471
546 100 0071 1
3047 0060 08451
0 0014 01972
表 3 入渗定额为 793 m3∋hm- 2的 (有限土体)
Table 3 parameter determined at infiltration quota of 793 m3∋hm- 2
( limited soil)
u ( % ) 0 139 284 724 3047 100
00015 001425 00435 004801 005284 006237
Ere ( = /100)00234 02285 06975 07698 08471 100
根据表 3, 可对同一入渗定额下的 与 u 建立
幂函数关系[ 16] :
= u ( 2)
在拟合关系中, 由于在全覆膜条件下无法完全
抑制水的损失(水汽运动和边壁影响无法避免) , 因
此将开孔率为 0%时的拟合值取为非零值(在此取
为 000001) .此外, 对初始均匀情况下覆膜蒸发研
究也表明[ 16] , 覆膜开孔率与累积蒸发量的系数间存
在幂函数关系. 因此, 对入渗定额为 250、392 和
546 m 3∋hm- 2的覆膜蒸发来说, 采用 3个覆膜开孔
率确定式( 2)中幂函数的系数是可行的.
将根据实测资料确定的不同入渗定额条件下
和 的值列于表 4.
表 4 不同入渗定额影响下的参数
Table 4 Parameters influenced by infiltration quota
I ( m3∋hm- 2) 250 392 546 793
00404 00331 00286 00248
00603 00999 01864 02103
R 2 09765 09993 09994 09294
分析可知,表4中 和均与入渗定额I 成定量
关系,分别表示为:
4473 期 李 毅等: 覆膜开孔土壤蒸发实验研究
= - 0 0028I + 0 0454 R2 = 09223 (3)
= - 0 0042I 2 + 0 0738I - 0 1051
R2 = 09567 (4)
将式(3) 和式(4) 代入式(2) , 并将得出的表达
式代入式(1) , 得到多因素影响下的累积蒸发量模
型:
E = (- 00028I + 00454) u(- 00042I∋I+00738I- 01051) t1/ 2 (5)
上式对时间求导,可得蒸发强度随覆膜开孔率、
入渗定额及时间变化的函数形式:
e = (- 00014I + 00227) u(- 00042I∋I+00738I- 01051) t- 1/ 2 (6)
322覆膜开孔率对相对累积蒸发量的影响 对容
重、初始含水率及土壤质地不变的同一土壤来说, 表
面覆膜开孔率不同表明上边界对蒸发的作用, 而与
土壤本身的性质无关.将蒸发历时相同、不同覆膜开
孔率条件下的累积蒸发量与开孔率 100%的累积蒸
发量相比较,称为相对累积蒸发量( Ere ) . 该值实际
上是某一开孔率下的 值与开孔率为 100%的值
比,即:
E re= / 100 ( 7)
E re的物理意义是单位时间内某一覆膜开孔率
的蒸发量与裸地蒸发量的比值. Ere与开孔率之间的
定量关系可表明不同覆膜条件下累积蒸发量相对于
不覆膜时的变化趋势.
将不同覆膜开孔率和入渗定额条件下的 Ere 值
分别列于表2和表3.为确定 Ere随覆膜开孔率及入渗
定额变化的定量关系,将 4个入渗定额下 Ere 同绘于
同一直角坐标系,依据入渗定额为 793 m3 ∋ hm- 2 的
点据趋势,对入渗定额分别为 250、392和546 m3 ∋
hm- 2 的 Ere 趋势线, 内插开孔率分别为 139%、
284% 和 724% 的 Ere .而全覆膜蒸发条件下 Ere 不
为零.为表达 Ere在开孔率大于零时的定量关系,对各
点平移(将覆膜开孔率大于零的 Ere 与开孔率为 0%
的 Ere 相减) ,根据内插点和开孔率的变化趋势得到:
E re = [ A ln( u ) + B ] + C ( 8)
式中, A ln( u ) + B 为相对开孔率 0% 时的 E re 与开
孔率的定量关系, 是开孔率 > 0的 Ere 与开孔率为
0% 的 E re 的差值; C 为开孔率0% 的 E re ,表明全覆
膜蒸发量占裸土蒸发量的比例.
表 5 相对累积蒸发量拟合参数
Table 5 Fitted parameters of Ere
I ( m3∋hm- 2) 250 392 546 793
A 01203 01271 01327 01458
B 0082 02364 03853 03536
C 03448 01972 00471 00234
R 09899 09437 09056 08723
进一步分析式( 8)各参数与入渗定额的关系,分
别得到线性和二次函数表达式:
A = 0 0046I + 0 1085 R2 = 09950 ( 9)
B = - 00192I 2 + 02528I - 0438
R 2 = 0 9862 (10)
C = 0 0151I 2 - 0 2181I + 0 803
R 2 = 0 9916 (11)
将式(9) ~ 式(11) 代入式( 8) ,整理可得相对累
积蒸发量的最终表达式:
E re = ( 0 0046I + 0 1085) ln( u ) + (- 00192I 2 +
02528I - 0 438) (12)
式(7) + 式(12) ,得:
u = [ ( 00046I + 01085) ln( u) + (- 00192I 2 +
0 2528I - 0438) ] 100 (13)
上式表明了覆膜开孔率、入渗定额影响下累积
蒸发量系数的变化趋势. 由于 100 代表了裸土累积
蒸发量的特征,因此对同一质地土壤而言,当入渗定
额确定后,可根据式(13) 和裸土蒸发的性质估算覆
膜开孔蒸发条件下累积蒸发量参数 ; 而且 表征
了累积蒸发量与蒸发时间的关系. 由式( 12) 和式
(13) 可估算覆膜开孔蒸发特征. 该方法省去了对覆
膜开孔蒸发特征测定繁冗耗时的工作, 对于获得覆
膜开孔蒸发特性很有意义.
323 覆膜开孔对单位膜孔面积累积蒸发量的影响
将某一覆膜开孔率条件下的累积蒸发量与覆膜开
孔总面积之比定义为单位膜孔面积的累积蒸发量
( ER ) .实测资料分析表明, ER 随覆膜开孔率增大而
急剧减小;覆膜开孔率为 0~ 100% 时, 不同入渗定
额条件下的 ER 数量级变化较大. 由于初始水盐均
匀的覆膜蒸发中, ER 随覆膜开孔率变化的关系采
用乘幂关系拟合的相关系数很高[ 16] . 因此, 仍采用
该函数拟合入渗定额不同的 ER 随覆膜开孔率变化
趋势.即:
ER = Du
- F
(14)
式中, ER 为单位膜孔面积的累积蒸发量( cm- 1) ; D、
F 分别为拟合参数, D 为开孔率为 0% 的 ER , F >
0;入渗定额不同条件下 D、F 的拟合值见表 6, 开孔
率为 0% 的值也近似取为 00001.
由表 6可见, 不同入渗定额的 D 差异很小, 而
参数 F 则随入渗定额的增加而减小. 由于式( 9) 中
指数为负, 因此开孔率在 0 ~ 100% 时, 开孔率越
小, E R 越大;入渗定额越大, 曲线变化范围越小. 将
D 和F 随入渗定额变化趋势点绘在直角坐标系中,
经回归分别得到其三次和线性函数表达式:
448 应 用 生 态 学 报 16卷
表 6 单位膜孔面积的累积蒸发量拟合参数
Table 6 Fitted parameters for ER
I ( m3∋hm- 2) 250 392 546 793
D 22534 24633 2127 20875
F 09381 09001 08136 07358
R 2 09999 09999 09999 09999
D = 0 0321I 3 - 0 5048I 2+ 2381I - 1 045
R2 = 10 ( 15)
F = - 0 0387I + 1 038 R 2 = 09841 ( 16)
将式(15)、式( 16) 代入式(14) ,则 ER 可表示为
开孔率和入渗定额的函数:
ESR = (00321I 3 - 0 5048I 2 + 2 381I -
1 045) u00387I- 1 038 ( 17)
通常用烟囱效应来解释物质运动受周边影响的
现象.在此,采用(膜孔效应)来解释单位膜孔面积的
累积蒸发量随覆膜开孔率的增大而急剧减小的特
征.实际上,膜孔效应与烟囱效应的机理是类似的.
4 结 论
41 对不同的入渗定额,蒸发中的剖面含水率随时
间延长而逐渐变化,初始入渗湿润深度附近是土壤
水分吸湿和脱湿的分界点. 在外界大气蒸发能力一
定时, 表层含水率的变化受前期不同入渗定额和开
孔率的影响,其中入渗定额的影响比开孔率小.
42 不同覆膜开孔率条件下的累积蒸发量与时间
关系符合 Gardner 理论关系, 同一入渗定额下相应
的蒸发系数与开孔率可建立幂函数关系, 且其幂函
数的系数与入渗定额呈线性关系,从而得到多因素
影响下累积蒸发量模型.
43 得出了开孔率和入渗定额影响下相对累积蒸
发量的函数关系,可通过裸土蒸发特征估算覆膜开
孔蒸发特征.
44 单位膜孔面积累积蒸发量可采用覆膜开孔率
的幂函数表达. 其系数与入渗定额存在良好的线性
关系, 从而得到根据入渗定额和覆膜开孔率确定的
单位膜孔面积累积蒸发量的数学关系.
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作者简介 李 毅, 女, 1974 年生, 副教授. 主要从事土壤
水、盐、热耦合迁移及微观水土过程的研究, 发表论文 20 余
篇. T el: 01086564736; Email: liy imm@ tom. com
4493 期 李 毅等: 覆膜开孔土壤蒸发实验研究