研究背景

目前，地下水蒸散（ETg）的計(jì)算方法包括使用蒸滲儀進(jìn)行直接測(cè)量。蒸滲儀實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯訙y(cè)量 ETg ，精度較高 。許多研究人員設(shè)計(jì)了各類蒸滲儀實(shí)驗(yàn)來評(píng)估 ETg 。例如，蒸滲儀已被用于計(jì)算不同作物的蒸散量、對(duì)比不同地下水埋深下相同灌溉處理的 ETg 速率，以及評(píng)估不同地下水位下裸地的蒸發(fā)量。

在當(dāng)前利用蒸滲儀開展的 ETg 研究中，重點(diǎn)在于在特定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)下測(cè)量并對(duì)比 ETg 。然而，蒸滲儀在大規(guī)模 ETg 評(píng)估方面存在局限性，因?yàn)樗鼈冃枰罅吭O(shè)備，使得實(shí)驗(yàn)成本高且耗時(shí)。

懷特（1932 年）基于觀測(cè)到的地下水位規(guī)律性動(dòng)態(tài)變化，提出了一種利用地下水位日波動(dòng)估算地下水蒸散（ETg）的計(jì)算方法。該方法所需數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，且計(jì)算精度隨地下水位監(jiān)測(cè)水平的提高而提升，因此更適用于大規(guī)模、長(zhǎng)期的 ETg 估算。

式中，ETg_white為地下水日蒸散量（毫米/天）；Sy為含水層給水度（無量綱）；r為 0:00 - 04:00 時(shí)段地下水凈恢復(fù)速率，即地下水位每小時(shí)上升或下降的速率（毫米/小時(shí)）； Δs為當(dāng)日地下水位凈變化量（水位下降為正，上升為負(fù)，毫米） 。

然而，該公式所依據(jù)的假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中引入了相當(dāng)大的不確定性，誤差主要源于地下水恢復(fù)速率r和給水度Sy的確定。許多研究人員已開發(fā)出不同方法來優(yōu)化這些參數(shù)。此外，近期研究表明，包括懷特法在內(nèi)的地下水位波動(dòng)法往往會(huì)低估實(shí)際的 ETg 值。不過，現(xiàn)有大多數(shù)研究都聚焦于方法間的相互比較，而非用實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。 

蒸滲儀法能提供定量結(jié)果，可用于驗(yàn)證懷特法的假設(shè)。本研究旨在優(yōu)化懷特法中補(bǔ)給速率時(shí)段的選取，以提高 ETg 預(yù)測(cè)精度，并量化與實(shí)際 ETg 相比的誤差范圍。

研究方法：

本研究在阿克蘇綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家觀測(cè)研究站（ANS）使用了一組大型自動(dòng)補(bǔ)水式蒸滲儀。土柱的橫截面積為 1 平方米，高度為 2 米。蒸滲儀的土柱與補(bǔ)水水柱相連，使其能夠通過土壤蒸發(fā)、植物蒸騰和土壤水分下滲消耗水分。補(bǔ)水裝置會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償消耗的水量，并將補(bǔ)水水柱高度維持在設(shè)定的目標(biāo)水平。

為模擬干旱區(qū)不同地下覆蓋情況和地下水埋深下植物蒸騰與土壤蒸發(fā)的規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)按不同地下覆蓋情況分為三個(gè)主要組。在 A 組和 B 組的土壤表面，分別種植 4 株胡楊和 4 株檉柳幼苗，C 組作為裸地對(duì)照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)于 2023 年 8 月 1 日至 8 月 30 日開展，三組的地下水埋深分別控制在 0.7 米、1.1 米和 1.5 米。實(shí)驗(yàn)設(shè)備每小時(shí)自動(dòng)采集土柱重量以及水柱補(bǔ)水和消耗數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)不同地下水位和植被覆蓋條件下土柱重量的變化。

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，土柱重量隨時(shí)間變化的曲線與懷特法所示的地下水位變化曲線一致，由補(bǔ)水補(bǔ)給和蒸發(fā)消耗導(dǎo)致的土柱重量日變化，能間接反映地下水位的日變化。

因此，用土柱重量變化來替代地下水位波動(dòng)。假設(shè)在兩個(gè)時(shí)刻（間隔為 t）采集土柱重量 —m2和m1（對(duì)應(yīng)水位為h2和h1），優(yōu)化后的懷特公式：

式中Δ m為當(dāng)天土柱重量的凈變化量（減重為正，增重為負(fù)，mm）。

利用 2023 年 8 月 2 日至 8 月 30 日采集的每小時(shí)重量數(shù)據(jù)，計(jì)算了每日 ETg。

主要結(jié)論：

1、       ETg的日變化：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裸地的蒸散量符合常規(guī)規(guī)律，即地下水埋深越大，蒸散速率越低。相反，由于植被覆蓋條件存在差異，胡楊和檉柳的蒸散速率呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，意味著地下水埋深越大，蒸散速率越高。對(duì)于這兩種耐旱物種而言，較淺的地下水埋深未必與更高的蒸騰速率相關(guān)。在此次研究中，地下水埋深為 1.5 米處的植物對(duì)地下水的消耗量最高。

2、       ETg的組成和水文分割

本研究設(shè)計(jì)了干旱區(qū)裸地和典型植被在不同地下水位埋深下的蒸發(fā)與蒸騰實(shí)驗(yàn)。將不同地下水位埋深下胡楊（P. euphratica）和檉柳（T. ramosissima）的總蒸散量，減去對(duì)應(yīng)埋深下裸地的蒸發(fā)量，作為植物蒸騰量，通過計(jì)算測(cè)量結(jié)果直接定量確定蒸散的水文分割。結(jié)果顯示。隨著地下水位埋深增加，蒸騰 / 蒸散占比上升，進(jìn)一步表明總蒸散量的增加是由植物蒸騰導(dǎo)致的 。

3、       用于評(píng)估地下水蒸散（ETg）的懷特法

將 ETg_w (20 - 4)、ETg_w (0 - 4) 和 ETg_w (20 - 8) 與觀測(cè)到的 ETg（ETg_obs）進(jìn)行線性擬合，結(jié)果表明，用于估算地下水恢復(fù)速率的夜間時(shí)段越長(zhǎng)，計(jì)算出的 ETg 值與觀測(cè)到的 ETg 越接近。對(duì)胡楊（P. euphratica）進(jìn)行線性擬合后，R2 值在 0.70 - 0.85 之間；對(duì)檉柳進(jìn)行線性擬合后，R2 值在 0.77 - 0.85 之間，表明與觀測(cè)到的 ETg 存在較強(qiáng)的線性關(guān)系。在相同植被覆蓋條件下，地下水埋深越大，植被蒸騰在總 ETg 中所占比例越高，采用懷特法計(jì)算的相對(duì)誤差越小，估算值也更接近實(shí)際 ETg 值。

本文中使用的自動(dòng)補(bǔ)水稱重式蒸滲儀可以參照澳作公司的SoilScope控制型蒸滲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可人為設(shè)定蒸滲罐體內(nèi)的水位，得到實(shí)時(shí)潛水蒸發(fā)量，也可自動(dòng)記錄水分、水勢(shì)的瞬時(shí)值，在與大田水勢(shì)梯度一致的情況下，得到罐體內(nèi)的土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，水位變化量、滲漏量。

配置恒水位控制系統(tǒng)同時(shí)控制罐體內(nèi)部水位和大田地下水位，自動(dòng)跟蹤大田水位，保持罐體內(nèi)水位與大田的地下水位在相同的水平。自動(dòng)水位調(diào)控方式，相當(dāng)于把罐體內(nèi)的地下水位與大田地下水位連通，用于模擬自然的田間水分狀況。

SoilScope系統(tǒng)底部的地下水連通器可實(shí)現(xiàn)底部的注水或排水，且質(zhì)地堅(jiān)硬，能承載數(shù)十噸重的土體重量。