地下浸润灌溉条件下土壤蒸发试验研究

材料与方法

2.1 供试土壤

本试验在青海大学理工楼水工大厅水文信息采集与处理试验室进行。供试用土为青海大学农科院专用农田栽培表层土，土层深厚质地较为均匀，取回测量土壤初始含水率及容重，经自然风干、粉碎，通过2 mm筛后利用沉降法对土壤进行颗粒分析，按照我国土壤颗粒分级标准，可得相关物理性质参数如表1所示。

2.2 试验材料及设计参数

本试验所用到的材料有长方体有机玻璃透明箱（规格150 mm×150 mm×160 mm），质地均匀PVA海绵，洗瓶（容量600 mL），恒温干燥箱以及电子天平等。

为较好的模拟地下浸润灌溉条件下的土壤蒸发，透明箱底部开有18个直径为35 mm的小孔，孔中镶嵌PVA海绵柱（图1），通过挤压使洗瓶中自来水流进透明箱底部，PVA海绵柱则迅速吸水饱和形成土壤与灌溉用水的中间输水媒介，土壤微粒从海绵中吸取水分，水分依靠基质势与重力势差值形成的水势梯度完成上渗运动。与此同时，海绵继续吸收水分来维持自身饱和状态，整个输水动态过程衔接紧凑且有条不紊的进行着，灌溉水上渗的高度、及速度主要取决于土壤孔隙大小等物理性质。

2.3 试验设计

首先将装有土样的桶与电子称一并放入干燥箱，并观测电子称读数的变化，直到读数基本恒定为止，此时土壤中水分基本蒸发完全。然后向试验装置中海绵灌水至饱和，根据试验装置尺寸、装土高度及土壤容重确定称取土壤质量，随后将土壤分层装入试验装置，层间打毛以保证土壤均质。同理，普通装置（底部有若干孔、孔中有滤棉而无海绵）装土质量及过程与上述一致。与此同时，向若干普通装置中灌足量的水，静置6 h测得其田间持水量均值。紧接着向试验装置底部灌定量的水，待水完全渗入土壤中时，拆下底板，将海绵柱逐一取出，并将试样连同电子天平（精度为1.0 g）一起放入恒温干燥箱（控温精度为1 ℃）中同时干燥失水，在干燥过程中，试样的重量变化通过电子天平实时读取，所读的数值用于计算试样的蒸发速率以及含水率。

试验共设5组试样，每组试样分别配置3个平行样以减小不确定因素所引起的误差，相关试验参数如表2所示。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

对各组试样所得试验数据进行处理与整合，在土壤初始含水率α不同的条件下，各组试样平均土壤含水率W及平均蒸发速率R随干燥时间 t 的变化如图 2所示。由图2明显可见，干燥曲线（R-t和W-t）的整体趋势是初期蒸发速率最大，与之对应的平均土壤含水率下降幅度亦最大，随着干燥时间的延长，蒸发速率逐渐降低，相对应的平均土壤含水率下降幅度减缓，直至蒸发速率及平均土壤含水率都接近于0，各组试样土壤先后蒸发完全。随着初始含水率的增大，干燥初期时的土壤蒸发速率随之增大，与之对应的平均含水率下降幅度亦增大，试样蒸发完全所需时间有所延长，且相邻的干燥曲线间距缩短。

3.2 土壤初始含水率及干土层对蒸发过程的影响及分析

土壤水分蒸发的过程就是土壤水分通过土壤表面进入大气，从而造成土壤水分逐渐减少，土壤表层逐渐变干的过程。由前人对初始饱和的土体蒸发研究可知，在外部环境条件恒定的情况下，土中水分的蒸发过程主要由 3 个阶段组成：常速率、减速率和蒸发消滞阶段。

试样组E的土壤初始含水率α≈30%（图2b），土壤含水量达到田间持水量，在干燥时间tE（0，57）min，表层含水率较高，输水能力强，土壤表层的蒸发消耗得到充分补给，试样组E平均土壤含水率W的减小与干燥时间t几乎呈直线关系，且平均蒸发速率R相对稳定少变（图2a），在蒸发量大于或近于相同气象条件下的蒸发量，此时土壤蒸发只受气象条件的影响。由于非饱和渗透系数随土壤水分减少而迅速减小，蒸发不断进行，平均土壤含水率W减至26.5%时，由下向上的渗透水分不能满足蒸发力的需要，此阶段即告结束，这一阶段持续时间约为57 min，平均蒸发速率R约为3.92 g/min。

试样组D的土壤初始含水率α≈25%，较试样组E而言，其土壤含水量不高，灌溉水仅少部分上渗至土表，土壤表层含水率较低，在干燥时间tD（0，120）min，土壤表层的蒸发消耗不能得到充分补给。同理，在干燥时间tE（57，179）min，试样组E土壤蒸发不断消耗水分，土壤含水量不断减小，较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，细毛管中仍充满水。试样组E与试样组D在不同时段内土壤平均蒸发速率R均随土壤含水量减少而呈直线下降（图2a）。此阶段土壤因素逐渐成为影响蒸发力的主要因素，气象因素逐渐退居次要因素。当土壤表层干化时，此阶段结束。这一阶段试样组E持续时间约为122 min，平均蒸发速率R约为2.09 g/min，平均土壤含水率W降至18.8%。试样组D持续时间约为115 min，平均蒸发速率R约为2.50 g/min，平均土壤含水率W降至16.1%。

试样组（A、B、C）的土壤初始含水率W≤20%，土壤含水率较低，在水的重力势能与土壤基质势的综合作用下，灌溉水未能上渗至土表，土表形成一定厚度的干土层，在干燥时间tA-B-C（0，1076）min，蒸发基本上不在土壤表面进行。同理，随着干燥时间的进一步延长，土体中可供蒸发的水分越来越少，孔隙水连通性降低，毛细水作用逐渐削弱，试样组E和试样组D分别在干燥时间tE（180，1440）min及tD（120，1200）min，土壤中的液态水已经不能输送至土壤表面，土体表面均形成干土层，蒸发面移置表层土以下。试样组（A、B、C、D、E）的平均蒸发速率R及平均土壤含水率W在不同时间段内均随干燥时间的延长而缓慢减小，直至平均蒸发速率R以及平均土壤含水率W接近于0（图2a和图2b）。较土壤蒸发前两个阶段而言，因干土层的形成，使蒸发面水汽向大气散失的路径加长，蒸发强度减小。另一方面，由于干土层形成后，土表的吸力梯度不再增加；同时，因含水率已达到较低值，土壤水力传导度随上壤含水率变化较小，蒸发强度减小，速率变缓，此时土壤蒸发主要受干土层厚度的影响。这一阶段为土壤蒸发的主要阶段，蒸发耗时最长且较为稳定。

4 结语

通过对不同初始含水率的粉砂土开展室内干燥试验，测试了土中水分蒸发速率随干燥时间的变化，探究其土壤蒸发过程及蒸发强度的主要影响因素，得到了如下结论。

（1）在地下浸润灌溉条件下，土壤初始含水率对其蒸发过程有着较为显著的影响，对于含水量达到田间持水量的土壤，其蒸发过程与初始饱和的土体蒸发过程一致。随着土壤初始含水率呈一定梯度的递减，上渗至土表的灌溉水减少，使得土表层含水率降低，其蒸发过程先后历经速率递减阶段及蒸发消滞阶段。当土壤初始含水率降低到某一值时，灌溉水未能上渗至土表，土表形成干层土，其蒸发过程仅由蒸发消滞阶段组成。

（2）在低含水率条件下的土壤蒸发，形成干土层后，外界条件基木不变情况下，土壤水分蒸发主要受干土层厚度变化的影响，蒸发强度随干层厚度增加而减少，干土层的形成，相当于土壤表面有一复盖层，一定程度上能够抑制土壤的蒸发作用。

参考文献：

[1]郑 健，胡笑涛，蔡焕杰，等.局部控制地下浸润灌溉土壤入渗特性研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2007，35 （3）：227～232.

[2]唐朝生，施 斌，顾 凯.土中水分的蒸发过程试验研究[J].工程地质学报，2011，19（6）：875～881.

[3]王政友.土壤水分蒸发的影响因素分析[J].山西水利，2003（2）：26～27.

[4]王铁行，陈晶晶，李彦龙.非饱和黄土地表蒸发的试验研究[J].干旱区研究，2014，31（6）：985～999.

[5]张瑜芳，蔡树英，蔡美娟.表土低含水率条件下土壤非稳定蒸发研究[J].武汉水利电力学院学报，1991，24（2）：157～164.

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