韩生生
, 1 , 2 , 刘苏峡
, 1 , 2 , 3 , 宋献方
1 , 2 , 3 , 莫兴国
1 , 2 , 3 , 杨丽虎
1 , 3 , 黎大宁
4 1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101 2.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049 3.中国科学院大学中丹学院,北京 100049 4.中国科学院南海海洋研究所,广州 510301 Field evapotranspiration experiment in Zhaoshu Island of Xisha Islands, South China Sea HAN Shengsheng
, 1 , 2 , LIU Suxia
, 1 , 2 , 3 , SONG Xianfang
1 , 2 , 3 , MO Xingguo
1 , 2 , 3 , YANG Lihu
1 , 3 , LI Daning
4 1. Key Laboratory of Water Cycle & Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3. Sino-Danish Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 4. South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China 通讯作者: 刘苏峡（1965-）,女,湖北黄陂人,博士生导师,主要研究方向为水文过程与水文模型。E-mail: liusx@igsnrr.ac.cn 收稿日期: 2019-09-30
接受日期: 2020-04-22
网络出版日期: 2021-01-10
基金资助: 中国科学院战略先导科技专项(A类) .XDA13010303
Received: 2019-09-30
Accepted: 2020-04-22
Online: 2021-01-10
作者简介 About authors
韩生生（1991-）,男,内蒙古赤峰人,博士生,主要研究方向为珊瑚岛礁生态水文研究。E-mail:
hanss.17b@igsnrr.ac.cn 摘要 蒸散是岛礁水循环过程中的重要组成部分,对保护珊瑚岛礁生态有重要意义。2018年6月27日—2018年8月8日利用自制的微型蒸渗仪及蒸发皿,在中国西沙群岛赵述岛开展了野外蒸散观测实验,获得了岛礁砂壤土裸地雨后实际蒸发速率,以及不同下垫面及钙质砂质地情形下潜在蒸散特征。其中,砂壤土裸地实际蒸发观测表明,雨后第2日至第4日平均蒸发速率为（1.6±0.2） mm/d,第5日至第7日迅速下降,7日后蒸发速率逐渐稳定在（0.5±0.2）mm/d,实际蒸发过程受土壤含水量调节,裸地实际蒸发（E ）与蒸发皿潜在蒸发（E o ）的比值E /E o 与土壤表层含水量关系表明两者呈明显的线性相关。蒸散控制实验表明,蒸渗仪潜在蒸散呈现空旷地草地>空旷地砂壤土>林间带草地>林间带砂壤土的规律,林间带遮挡减少草地蒸散比减少裸地蒸发影响更加明显。裸地蒸发速率受岛礁钙质砂质影响,岛礁钙质砂颗粒越大,快速蒸发阶段持续时间越短,蒸发速率越小。微型蒸渗仪日蒸发量和午间蒸发速率呈一定线性相关,其中细粒钙质砂、中粒钙质砂及砂壤土三种土壤类型两者相关性更加明显。 关键词： 珊瑚岛礁 ;
微型蒸渗仪 ;
蒸散 ;
统计模型 Abstract Evapotranspiration is an important component of water balances on coral islands, which plays a pivotal role in the ecological protection of coral reefs. A field experiment using a self-made microlysimeter was carried out in Zhaoshu Island, Xisha Islands, China from June 20th, 2018 to August 16th, 2018, which obtained the change processes of actual evaporation after rainfall, as well as evapotranspiration characteristics of different underlying surface and calcareous sand particles. Soil on coral islands is mainly calcareous sand, which has high porosity and water binding capacity. The actual evaporation observation of sandy loam bare land showed that the average evaporation rate was 1.6±0.2 mm/d from the 2nd day to the 4th day after rainfall, which was followed by a rapid decrease on the 5th-7th days. Evaporation rate stabilized at 0.5±0.2 mm/d gradually after the 7th day. Soil water content took control of evaporation. The ratio of bare surface evaporation rate to pan evaporation rate had a significant linear correlation with surface soil water content, indicating that evaporation of bare land on coral islands could be predicted by pan evaporation and soil water content. Control evapotranspiration experiment showed that potential evapotranspiration rate of different types of microlysimeter followed a rule of ETgrassland in the open field > ETsandy loam in the open field > ETgrassland in forests belt > ETsandy loam in forests belt . The shade of forests could decrease evapotranspiration, however, evapotranspiration of grassland decreased larger than that of sandy loam soil under the forests belt. Evaporation of calcareous sand was affected by the sand textures, the larger the calcareous sand particles. The shorter the duration of rapid evaporation, and the smaller the evaporation rate. Daily evaporation rate (mm/d) and midday evaporation rate (mm/h) showed a significant linear correlation especially for sandy loam soil, fine sand, and medium sand. So, we could estimate daily evaporation of fine sand, medium sand, and sandy loam soil in South China Sea with midday evaporation rate for similar underlying surface and climate conditions. Keywords： coral island ;
microlysimeter ;
evapotranspiration ;
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Bibtex 收藏本文 本文引用格式 韩生生, 刘苏峡, 宋献方, 莫兴国, 杨丽虎, 黎大宁. 西沙赵述岛地表蒸散发实验.
地理研究 [J], 2021, 40(1): 172-184 doi:10.11821/dlyj020190860
HAN Shengsheng, LIU Suxia, SONG Xianfang, MO Xingguo, YANG Lihu, LI Daning.
Field evapotranspiration experiment in Zhaoshu Island of Xisha Islands, South China Sea .
Geographical Research [J], 2021, 40(1): 172-184 doi:10.11821/dlyj020190860
1 前言 “十三五”期间,中国积极推进“生态岛礁”建设
[1 ,2 ] 。中国南海地区（
图1 a）是世界上珊瑚礁最发育的地区之一,珊瑚岛礁星罗密布,具有丰富的渔业、旅游业资源,珊瑚岛礁关键的地理位置对中国领土、领海和海洋专属经济区的划分亦有独特作用
[3 ] 。南海岛礁分布有丰富的动植物,部分岛礁是渔民生产生活的重要场所,对岛礁水文水资源的研究,有利于保护岛礁动植物,为岛上居民营造一个良好的生活环境,同时提升岛礁的有限水资源的利用效率,增强岛礁可持续发展水平。
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生成PPT 图1赵述岛地理位置及微型蒸渗仪展示 注：南海诸岛地图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 1Location of Zhaoshu Island and the microlysimeters 由于珊瑚岛礁独特的形成、演变过程及自然条件,使其较陆地水文水资源具有不同的特征,主要体现在：① 地处热带区域,全年高温,盛行台风和对流雨,降雨一年多分为雨季及旱季两季,受台风及厄尔尼诺-南方涛动现象影响明显
[3 ,4 ,5 ] 。② 岛礁水资源特征受岛礁面积及形状的影响较大,珊瑚岛礁面积一般小于几平方公里,由钙质砂堆积而成,降雨入渗速率较大,使得岛礁几乎没有可用的地表淡水
[6 ,7 ] 。③ 珊瑚岛礁一般高出海平面较低,海水入侵影响严重,地下淡水资源有限
[8 ,9 ] 。
蒸散是岛礁水量平衡中非常重要的一个环节,对地下淡水补给具有较大影响。珊瑚岛礁具有太阳辐射强度大,海风盛行,正午时水汽压较低等气象特点,且多分布有茂密的植被,太平洋区域的岛礁蒸散总量约占降雨1/3~1/2,旱季蒸散量可大于降雨量
[10 ] 。蒸散的测定方法主要包括液流法、波文比法、蒸渗仪法和涡度相关法等
[11 ] 。针对于岛礁蒸散开展的实验研究,主要有White等通过布设雨量计、茎流计等设备测定Tarawa Atoll降雨、蒸腾、土壤含水量、地下水位埋深,发现椰树是珊瑚岛水分的主要消耗源,每棵树每天可以消耗60~160L的水分
[10 ,12 ] ;Roupsard等采用涡度相关法测定蒸散,茎流计测定植被蒸腾,利用热量方法研究了土壤及植被热储量等,研究表明南太平洋Vanuatu岛典型椰子树人工林在年尺度上,蒸散量达降雨量的40%,在地表覆盖率为75%的情形下,蒸腾量占蒸散发总量的68%
[13 ] 。目前,由于野外实际蒸散测定一般具有投入较大,需要长时间维护等特点,再加上岛礁面积小,基础条件不足,野外登岛困难等条件制约,使得我们对岛礁蒸散观测研究仍存在很大的局限,微型蒸渗仪作为一种便于移动、底部密封的小型蒸渗仪,其测定结果能与大型蒸渗仪、水量平衡等方法得到的模拟结果很好的吻合,被广泛地应用于裸土、植被棵间、冠层下以及滴灌、覆膜等措施下土壤蒸发的测定中
[14 ,15 ,16 ] 。因此,微型蒸渗仪作为一种既简单又有效的方法可以测定岛礁的地表蒸散特征。目前,中国已经在南海岛礁淡水透镜体时空演变特征
[3 , 17 -20 ] 、岛礁植被生态变化及其遥感监测
[21 ,22 ,23 ,24 ] 方面取得了很大的进展,对于南海岛礁实际蒸散仍然有待进一步研究。
2018年6月27日—2018年8月8日选取西沙群岛赵述岛安装了智能气象站、自制微型蒸渗仪和蒸发皿,监测了岛礁地表蒸散。基于这些现场实测数据,本文阐述了岛礁钙质砂壤土由湿转干过程的实际蒸发规律,探讨了岛礁不同下垫面、土壤质地对蒸散影响,并建立岛礁日蒸发量与午间蒸发速率的数学统计模型,旨在提升对中国南海岛礁蒸散特征及影响因素的认识。
2 材料与方法 2.1 研究区概况 研究区海南省三沙市赵述岛（
图1 b）位于北纬16°59.9',东经112°14.7',长夏无冬、干湿季明显,台风活动频繁,为热带季风气候
[25 ] 。年均气温26℃以上,气温年变幅和日变幅只有6℃左右,降雨主要为台风雨和对流雨,年均降雨量约1500 mm,降雨量的85%主要集中于6—11月份。赵述岛主体为天然岛礁,面积为0.22 km
2 ,西部人工吹填陆域面积为0.07 km
2 ,岛礁植被茂盛且呈环带状分布,外侧分布有成片海滩岩,高程约3 m。岛礁地表成土母质有石灰质腐殖质土、冲积钙质砂两种
[26 ] （钙质砂是一种特殊生物成因的海相岩土介质,CaCO
3 含量超过50%,具有高孔隙比、颗粒形状不规则、颗粒易破碎等性质
[27 ] ）,其中人工吹填区地表类型主要为填岛过程中堆积的吹填钙质砂,以及由石灰质腐殖质土与吹填钙质砂混合而成的钙质砂壤土（主要用于园林及菜地）,岛礁地表渗透性较强,地下水埋深受海平面及潮位影响明显,多介于2.0~3.0 m之间。
实验场地主要分为两块,场地1（
图1 c）为空旷的裸地,长约为20 m,宽约为18 m;场地2（
图1 d）为林间带,两侧林带分别为椰树林与草海桐林,间距为3 m。
2.2 数据采集 蒸散发观测利用自制微型蒸渗仪（
图1 e）。蒸渗仪尺寸选择参照杨宪龙、孙宏勇的研究
[14 ,16 ] ,采用PVC管加工而成,其中内筒高150 mm、内径101.6 mm、筒壁厚4.2 mm;外套筒内径为115.4 mm,筒壁厚为4.8 mm,外套筒固定于土壤中,以便将内筒取出和放回时操作方便,而不破坏周围土壤的结构。微型蒸渗仪蒸散速率测定利用电子天平称重法,电子天平精度为0.01 g,相当于微型蒸渗仪0.0012 mm的蒸散量,称重时间于早晨6:30刚刚日出时开始,下午18:30太阳即将落山时结束。
水面蒸发测定采用自制蒸发皿。为PVC材质,尺寸为内径200 mm,高90 mm,壁厚6.9 mm。蒸发皿安置及测定参照水面蒸发观测规范
[28 ] ,观测过程为将蒸发皿置于场地一空旷处离地面高70 cm的支架上。每日早晨6:30及18:30利用电子天平对蒸发皿进行称重,计算日潜在蒸发速率,早晨称重后将蒸发皿水面加至10 mm深。自制蒸发皿较标准蒸发皿有如下不同：① 自制蒸发皿材质为PVC材质,而标准蒸发皿为铜制,两者导热性不同;② 自制蒸发皿高为90 mm,而标准蒸发皿为100 mm高,标准观测要求每次观测后需要将水位恢复到20 mm高度,即距离蒸发皿口80 mm的距离,蒸发皿高度的不同会导致蒸发皿内水面距离蒸发皿口存在差异,进而使观测结果出现偏差,所以本文在每次观测后将水位添加至10 mm,使水面距离蒸发皿口与标准蒸发皿一致。
气象要素的监测使用便携式智能气象站,气象站高度为2 m,气象数据时间分辨率为10分钟,气象要素包括大气压力、空气温度、空气湿度、风速、太阳辐射量、雨量（
图 2 ）。其中大气压力、空气温度、空气湿度、风速为10分钟平均值,太阳辐射量、雨量为1日总量,各气象要素呈明显的日波动变化,且受降雨天气影响较大,降雨发生,岛礁大气压力、空气温度、太阳辐射明显降低,相对湿度明显增加,风速波动较大。
2.3 实验设计 本实验设计分为两部分,① 裸地实际蒸发实验,主要研究降雨后砂壤地蒸发速率及其与土壤水分变化间的关系。微型蒸渗仪类型为砂壤土,布设地点为场地1。② 控制蒸散实验,测定不同下垫面、土壤质地对蒸散的影响,并计算微型蒸渗仪午间蒸发速率,分析其与日蒸发速率间的关系。由于实验仪器数量及人员的限制,本次实验每种蒸渗仪仅设置2组重复,蒸渗仪的布设主要包括,场地1放置砂壤土蒸渗仪、粗粒钙质砂蒸渗仪、细粒钙质砂蒸渗仪、中粒钙质砂蒸渗仪、草地蒸渗仪各2组;场地2放置草地蒸渗仪、砂壤土蒸渗仪各2组,本文实验分析结果为2组蒸渗仪平均值。由于受热带风暴影响,实验主要完成于未发生降雨期,实验期间降雨分布如
图2 f所示。
图2 新窗口打开 |
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生成PPT 图2观测期间岛礁气象监测 Fig. 2Meteorological data during experimental period 2.3.1 裸地实际蒸发实验 赵述岛7月9日至7月21日发生了多起降雨（
图2 f）,其中最后一场降雨日累计降雨量达21.31 mm,裸地实际蒸发实验完成于7月22日至8月6日期间,将7月22日记为雨后第1日,分析雨后一定时间内表层土壤水分及蒸发的变化规律。土壤类型为颗粒分布均一的钙质砂壤土,取样方式为将微型蒸渗仪砸入土壤中,取原状土,为防止微型蒸渗仪中土壤含水量与野外环境产生差异,每隔1~2日重新取土,同时在临近蒸渗仪取样位置取0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm、15~20 cm、20~30 cm深度钙质砂壤土样,装入铝盒中,称重,之后带回实验室,利用烘干称重法测定其质量含水量。根据环刀法测定的砂壤土干容重为1.3 g/cm
3 ,进而利用容重将质量含水量转化为体积含水量。
2.3.2 控制蒸散实验
（1）下垫面类型对蒸散影响实验。选取草地及裸土作为蒸渗仪填充类型,置于空旷地和林间带两块场地,分别为林间带砂壤土蒸渗仪、林间带草地蒸渗仪、空旷地砂壤土蒸渗仪、空旷地草地蒸渗仪四种蒸渗仪。林间带的蒸渗仪距椰树林缘及草海桐林缘分别为1.5m。草地蒸渗仪草种为狗牙根,覆盖率为100%,采样点为路边草坪。采样方法为将蒸渗仪砸入样地后,将草与土一同取出,裸土蒸渗仪采用人工填装的方式进行填充。 实验开始前对微型蒸渗仪加水饱和,由于蒸渗仪底部封死,蒸发起始阶段,当地表土壤含水率高于某一临界值时,尽管含水率有所变化,但土壤水补给充足,地表蒸发强度不随土壤含水率降低而变化,仅受到气象因素的影响
[29 ] 。为确保蒸渗仪在观测期间处于充分供水的状态,本文将空旷地草地蒸渗仪带回实验室,进行烘干,利用观测期蒸渗仪重量、烘干后蒸渗仪重量以及体积计算微型蒸渗仪平均含水量,观测期间空旷地草地蒸渗仪平均土壤含水量由最初的44%下降到24%,蒸渗仪内含水量一直维持较高的水平,而空旷地草地蒸渗仪耗水速率高于其他类型蒸渗仪,说明其他蒸渗仪亦处于充分供水的状态。同时,微型蒸渗仪与蒸发皿在观测期内蒸发速率变化趋势一致,亦表明微型蒸渗仪处于潜在蒸发速率状态。
（2）钙质砂质地对蒸发影响实验。上岛开展实验前取南海某岛礁钙质砂,烘干后过2 mm土壤筛,测得粗砂钙质粒（0.5~2 mm）占32.45%,中粒钙质粒（0.25~0.5 mm）占33.14%,细粒、极细粒钙质砂（0.05~0.25 mm）占34.16%,粉粒（<0.05 mm）及以下粒径占0.25%,说明中国南海岛礁钙质砂质地以粗粒钙质砂、中粒钙质砂和细粒钙质砂为主。因此,野外实验期间,筛取三种级配钙质砂分别将其填装进微型蒸渗仪中,置于空旷地,充分加水饱和,此后不再加水,直至蒸渗仪蒸散趋于慢速稳定的蒸散状态实验结束,观测时间为6月30日到7月7日。
（3）蒸发日内变化过程测定。6月28日到7月9日开展的蒸发实验,每隔1.5~2.5个小时称重一次,计算微型蒸渗仪日内不同时间的蒸发速率,并选取午间11:00—13:00时间段内的蒸发速率,研究午间蒸发速率与日蒸发速率的相关关系。微型蒸渗仪的类型包括砂壤土蒸渗仪、粗粒钙质砂蒸渗仪、中粒钙质砂蒸渗仪、细粒钙质砂蒸渗仪四种。
3 结果与分析 3.1 雨后钙质砂壤土蒸发变化过程 土壤蒸发主要分为大气蒸发力控制的快速蒸发阶段、土壤导水率控制的蒸发快速降低阶段、水汽扩散控制的低速蒸发阶段
[30 ] 。赵述岛雨后钙质砂壤土实际蒸发过程如
图 3 a所示,第2~5日蒸发速率相对平稳,为（1.6±0.2）mm/d,占蒸发皿潜在蒸发速率的32%;第6~7日迅速下降,至第7日后蒸发速率逐渐稳定于（0.5±0.2）mm/d,占蒸发皿潜在蒸发速率的8%。利用相同的方法,王会肖
[31 ] 1993年7—8月在英国测定砂土雨后蒸发速率结果表明,雨后第1日蒸发速率为4.6 mm/d,第2日迅速降至的2.6 mm/d,第3日 以后土壤蒸发速率小于1.0 mm/d,6日后稳定于0.5 mm/d。李王成等2005年7—8月在甘肃省石羊河流域农业与生态节水试验站分别测定砂土及壤土雨后的蒸发速率,砂土前3日维持较高的蒸发速率,而后迅速下降并维持较低的水平,壤土与砂土蒸发变化趋势也大体相同,但是蒸发速率较高,雨后12日内维持在1.5 mm/d
[32 ] 。对比赵述岛与其他区域蒸散表明,赵述岛钙质砂壤土与其他区域砂土蒸发规律相近,大气蒸发力控制的快速蒸发阶段短暂,土壤水控制蒸发阶段蒸发速率较低。本次实验未能测定赵述岛第一日蒸发速率,第二日其便进入土壤水控制的蒸发阶段,土壤水控制蒸发阶段,赵述岛实际蒸发速率大于英国利兹大学与甘肃石羊河试验站测定结果,但是远远小于甘肃石羊河站壤土蒸发速率。
土壤含水量是影响裸土蒸发的主要因素之一,Shawcroft等1983年采用微型蒸渗仪研究表层土壤含水量与土壤蒸发的关系,表明两者具有很好的相关性
[33 ] 。在实验室利用高速离心机测定该土壤样品土壤水分特征曲线,已知水势为0.2 atm时土壤含水量是田间持水量,水势为15 atm时是凋萎系数
[29 ] ,测定结果得到钙质砂壤土凋萎含水量为4.2%、田间持水量为11.9%、饱和含水量为44%。赵述岛土壤含水量监测结果如
图3 b,在30 cm深度内,土壤含水量随深度的增加而增加,增加速率呈减少的趋势;
图3 b表明,雨后2~4日土壤表层0~10 cm失水较快,10~30 cm含水量变化不大;雨后5~6日不同层次土壤水分含量均明显下降,此后0~5 cm深度土壤含水量逐渐稳定于2%~3%区间,20~30 cm深度土壤含水量逐渐稳定于10%。观测结果说明,2~4日土壤0~10 cm层以重力失水为主,并向10~30 cm层传递水分,而5~6日10~30 cm深度内重力水亦基本排空,土壤含水量逐渐趋于稳定,这与监测土壤蒸发在第7日亦进入缓慢阶段的趋势一致。7日后,30 cm内土壤水分消耗以蒸发为主,表层土壤水受蒸发的影响而下降,但是底层土壤含水量趋于稳定。
图3 新窗口打开 |
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生成PPT 图3雨后实际蒸发速率变化 Fig. 3The actual evaporation rate after rainfall 进入土壤水控制蒸发阶段,裸土实际蒸发速率
E 、潜在蒸发速率
E o 及表层土壤含水量
θ 呈
E/E o =
aθ+b 规律,其中
a 、
b 为经验常数
[30 ] 。分别拟合距地
表0 ~5 cm、0~10 cm、0~15 cm、0~30 cm不同深度土层平均土壤含水量的与蒸发的相关关系（
图4 a）,以及表层0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm、15~30 cm各层土壤平均含水量的与蒸发的相关关系（
图4 b）。
图4 a结果表明,不同深度
θ 与
E 的拟合方程
R 2 介于0.83~0.88之间,可见
E/E o 与土壤表层含水量呈明显的线性相关关系,其中拟合方程斜率介于3.00~4.14之间,在15 cm深度内,
E/E o 与土壤含水量拟合结果较好,而15~30 cm内平均土壤含水量
R 2 低于0~15 cm的模拟结果（
图4 b）。
图4 新窗口打开 |
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生成PPT 图4土壤蒸发与土壤含水量拟合结果 Fig. 4Fitting figure between potential evaporation and soil water content 3.2 不同下垫面类型对蒸散影响 下垫面对蒸散的影响主要体现在林带遮蔽对地面辐射和风速等气象因素的影响。草地及裸土在空旷地及林带间潜在蒸散对比结果如
图5 所示,该阶段平均水面蒸发为（4.8±0.6）mm/d,空旷区的草地潜在蒸散为蒸发皿蒸发的1.3倍,与McIlroy,IC
[34 ] 在澳大利亚维多利亚州利用蒸散仪的研究结果相近。四组蒸渗仪潜在蒸散呈现空旷地草地>空旷地砂壤土>林间带草地>林间带砂壤土的规律。草地蒸散大于裸土蒸发,其中空旷地区域的草地蒸渗仪比裸土蒸渗仪日潜在蒸散量大2.9±0.8 mm,而林间带区域两者差值为0.5±0.1 mm;空旷地和林间带区域的草地蒸渗仪日潜在蒸散量差值为4.3±1.1 mm,裸土蒸渗仪日潜在蒸发量差值为2.0±0.2 mm。空旷地草地蒸渗仪潜在蒸散大于空旷地砂壤土蒸渗仪潜在蒸发,甚至大于蒸发皿水面蒸发,这是因为在供水充足的情形下,蒸散速率主要受植物生理及大气状况的控制,草地叶片与大气的接触面较大,蒸腾较为强烈,同时,植被周围裸露地表气流紊乱,水汽传输不均匀,导致土壤蒸发速率亦较高
[35 ] 。林带限制了辐射及风速,从而减小了微型蒸渗仪蒸散速率,尤其对草地蒸渗仪影响明显。
图5 新窗口打开 |
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生成PPT 图5不同下垫面对蒸散速率的影响 Fig. 5Effect of vegetation on evapotranspiration rate 3.3 钙质砂质地对蒸发影响 岛礁不同时期形成的地表物质具有明显的质地差异,对不同质地钙质砂蒸发速率的研究,有利于揭示不同成岛物质对岛礁蒸发的影响。实验结果表明（
图6 ）细粒钙质砂在6月30日到7月5日呈高速蒸发状态,蒸发速率为5.8 mm/d,与水面蒸发相近,尔后迅速降低;中粒钙质砂前三日保持与细粒钙质砂相近的蒸发速率,蒸发速率为5.7 mm/d,尔后迅速下降,第7日时趋于平稳;粗粒钙质砂平均蒸发速率小于其他两种粒径钙质砂蒸发速率,为（1.9±0.2）mm/d,整个过程保持平稳,由于粗粒钙质砂渗透速率较大,水分入渗快且表层大颗粒持水性较差,导致粗粒钙质砂表层含水量在观测间隔内迅速下降,未能观测到粗粒钙质砂初始高速蒸发阶段。中粒钙质砂蒸发速率在第4日后迅速下降,原因是在蒸发由能量控制阶段向水分控制阶段过渡时,由于中粒钙质砂的持水性偏低,表层含水量下降较快,使得蒸发速率下降明显。细粒钙质砂由于持水性好于中粒钙质砂,高速蒸发的时间长于中粒钙质砂,下降速率较慢。可见,同一气象条件下,钙质砂质地控制着快速蒸发的持续时间以及蒸发速率的大小。
图6 新窗口打开 |
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生成PPT 图6不同钙质砂质地对蒸发速率的影响 Fig. 6Effect of different calcareous sand texture on evaporation rate 3.4 岛礁午间蒸发和日总蒸发相关关系 微型蒸渗仪蒸发具有明显日内变化规律（
图7 ）,日出后,蒸发速率逐渐升高,至中午达到最高后逐渐下降,晚间蒸发速率维持在较低的状态,说明蒸发的日变化过程主要受辐射的影响,午间辐射高,相应的蒸发速率较快。对比微型蒸渗仪日蒸发量与午间（11.00—13.00）蒸发速率发现,两者存在一定的相关性,为此,对微型蒸渗仪每日午间蒸发速率与日总蒸发量进行线性拟合,求得两者之间的相关关系。
图7 新窗口打开 |
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生成PPT 图7日蒸发速率与午间蒸发关系 Fig. 7Relationship between day evapotranspiration rate and hour evapotranspiration rate at midday 午间蒸发速率观测值与日蒸发量观测值线性拟合（
n =57）结果为：
y =0.17+8.12×
x ,其中
x 为午间蒸发速率（mm/h）,
y 为日蒸发量（mm/d）,拟合
R 2 为0.94（
P <0.05）,证明两者具有显著的相关关系。分别对每一种钙质砂的午间蒸发速率与日蒸发量进行线性拟合,结果（
表1 ）表明,细粒钙质砂、中粒钙质砂及砂壤土三种钙质砂类型两者拟合效果较好,而粗粒钙质砂拟合
R 2 仅为0.68。由于南海不同的岛礁的地表类型主要为钙质砂,且具有相近的气候条件,可以通过建立午间蒸发速率与日蒸发量的统计模型,利用午间蒸发速率推算砂壤土、细粒钙质砂、中粒钙质砂的日蒸发量,为岛礁蒸发变化规律研究提供一定的借鉴。
Tab. 1 表1 表1 不同钙质砂午间蒸发速率与日蒸发速率对比
Tab. 1
Comparison between noon evaporation rate and daily evaporation rate of different calcareous sands 土壤类型 slope intercept R 2 细粒钙质砂 8.12 0.30 0.95 中粒钙质砂 8.38 0.26 0.99 粗粒钙质砂 4.99 0.80 0.68 砂壤土 6.73 0.30 0.98
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下载CSV 4 讨论 4.1 岛礁蒸散特征 蒸散过程的维持必备三种条件,不断的热能补给、蒸发面与大气之间存在水汽压梯度、以及蒸发面不断的水分补给
[29 ] ,中国南海西沙群岛处于热带地区,具有比较好的水热条件,蒸发潜力较大。本研究利用智能气象站观测了2018年6月27日—2018年8月8日期间的气象数据（
图2 ）,得到岛礁白天辐射较高,相对湿度多介于55%~80%,蒸发速率较大,而夜间除无辐射外,相对湿度多>85%,使得岛礁晚间蒸散速率较低,在土壤较为干燥的情形下,大气中的水汽甚至会向土壤扩散（
图7 ）。利用Penman-Monteith公式估算岛礁潜在蒸发ET
o ,与岛上蒸发皿实测潜在蒸发
E o 观测结果对比（
图8 ）表明,ET
o 值比
E o 高0.8mm/d,ET
o 高于
E o 的原因一方面是自制蒸发皿材质由为PVC材质,导热率低于标准铜制桶状蒸发皿,使其受光照影响较小,器皿内温度偏低,进一步降低蒸发皿的蒸发量。其次,水分供给充足条件下岛礁植被蒸腾较大导致,亦会导致ET
o 模拟数值较高。实际蒸散发能力受土壤水分补给的限制,土壤含水量受土壤质地影响,中国南海岛礁土壤类型以钙质砂为主,大孔隙发育,绝大部分孔隙集中在很窄孔隙范围的孔隙内,一旦达到一定吸力,这些孔隙中的水分会很快排空,土壤含水量急剧下降
[30 ] ,导致土壤含水量在降雨后很短时间内便呈较低的水平,使得土壤含水量成为限制岛礁蒸散的主要因素。
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生成PPT 图8Penman-Monteith公式模拟潜在蒸发（ETo ）与蒸发皿观测潜在蒸发（E o ）对比 Fig. 8Comparison of simulated ET using Penman-Monteith equation (ETo ) and observed ET with evaporation pan (E o ) 植被因素对岛礁蒸散的影响较大,中国南海天然岛礁多分布有茂密的植被,且有大量深根性植物,其蒸腾作用会将深层的水分通过根系提取到地面,从而增加蒸散量
[10 , 36 ] ,由于实验条件的限制本次未对岛礁植被影响蒸散进行测定。
4.2 岛礁微型蒸渗仪蒸散实验的特点 微型蒸渗仪简单经济,但是由于其底端封死,无法测定植被蒸腾根系吸收土壤水分的过程
[37 ] ,使得本次实验仅能测定裸土及草地蒸散。同时,降雨对微型蒸渗仪的应用影响很大,一方面降雨导致实验中断,必须更换土样;另一方面降雨水分在微型蒸渗仪侧壁及底部附着水分,增加了测定蒸散的不确定性。
本文分别对裸土蒸发与土壤表层含水量、午间蒸发速率与日总蒸发量进行拟合分析,得到了很好的拟合结果,但是仍存在实验数据不足的问题,需要对模拟结果开展进一步的验证。对于统计模型的拓展性,由于南海岛礁的主要土壤类型是相近的,且具有相近的气候条件,所以是可以应用到南海其他岛礁,但是由于本次实验未观测草本及树木的午间蒸散量,所以对于是否可以将该相关关系拓展到其他下垫面类型仍然需要进一步开展工作。
5 结论 岛礁地表蒸散发速率主要受土壤含水量影响,研究区钙质砂壤土孔隙较大,持水性较低,与陆源砂渗透性质相近,使得降雨后,砂壤土含水量迅速下降,实际蒸发速率处于较低的水平。通过拟合裸土蒸发与土壤表层含水量的相关关系结果表明,E/E
o 与土壤表层含水量呈明显的线性相关关系,可以利用蒸发皿蒸发与钙质砂表层含水量预测岛礁裸地实际蒸发。
不同下垫面及土壤质地对地表蒸散影响表明,蒸渗仪潜在蒸散规律呈现空旷地草地>空旷地砂壤土>林间带草地>林间带砂壤土的规律。林带遮挡会明显降低地面蒸发,但是林间带遮挡对草地蒸散影响大于裸土蒸发;成岛条件不同使岛礁不同区域钙质砂质地存在较大差异,钙质砂颗粒越大,快速蒸发持续时间越短,蒸发速率越小。
钙质砂午间蒸发速率与日总蒸发量呈现线性相关,其中细粒钙质砂、中粒钙质砂及砂壤土拟合效果较好,而粗粒钙质砂拟合
R 2 仅为0.68,由于南海不同岛礁的地表类型及气候条件相近,可以利用午间蒸发速率推算砂壤土、细粒钙质砂、中粒钙质砂的日蒸发量。
致谢 感谢中科院武汉岩土力学研究所朱长岐老师团队及渔民冯业,阿力等的帮助。感谢二位匿名评审专家及编辑在论文评审中所付出的时间和精力,使本文获益匪浅。
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,1,2, 刘苏峡
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