土壤含水量对蒸散的影响及其日蒸发模型.docx
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土壤含水量对蒸散的影响及其日蒸发模型
土壤含水量对蒸散的影响及其日蒸发模型
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研究论文技术报
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土壤含水量对蒸散的影响及其日蒸发模型!
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型接叠j盟艾里西尔常萍王让会/
月'中国科学院新疆生物土壤沙漠研究所'鸟鲁末齐..o1¨
摘要根据土面与水面蒸发/or.,（土水面蒸发/or.,）与土壤舍水量的关_禾,土水面舞
发/or.,的日变化过程,取厦毛管特水量和置低土壤舍水量等数据,用加权平均法建1立日
煳词黜熏徼
1前言'水膜,不容易逸出,不能被植物利用,在土壤
在土壤水分遥感研究中,需要配合卫星
数据进行地面光谱测量和土壤水分样本分
析.陆地卫星过顶采集一景地面遥感数据不
到30秒钟,可是我们一个样点观测平均约需
1O分钟,除去早晚太阳高度角过低的时间和
中午吃饭的时间,一天约能观测30个样本.
再加上辅助样地分散达二三十公里之遥,测
定全部样本约需6天.这样,距离卫星数据时
间过长的土壤水分样本数据需要进行订正才
能用于相关分析,本研究就是探索土壤样本
水分含量订正办法,建立订正模式.其订正模
式对于土壤水分含量预测也有重要价值
2土壤水分的形式及特点
土壤水分依作用力的形式可分为吸湿
水,膜状水,毛管水,重力水.
吸湿水:
依靠分子引力吸附形成的薄层
*本文为新疆自治区八五重要科研项目于项土壤水分
遥感监涌研究成果之一本文承蒙王积强先生审阅,特此
感谢.
区,州（地）,县各级政府农牧业生产部门生产
管理的需要.
3.4冰雪,水域不是土壤,不存在土壤含水
新疆气象199G年第19卷第1期
烘干的情况下,水分子可以逸出对光谱有徽
弱影响.
膜状水:
仍然靠分子引力吸附加厚,形成
膜状水.有极少部分被植物利用.无可利用
水时,植物将凋萎.对光谱有吸收影响.
毛管水:
靠管界面引力而保持的水分.它
又有两种形成,一为毛管悬着水,靠降水或灌
溉供给且与地下水无联系;二为毛管上升水,
为地下水上升的毛管水.毛管水是可被植物
利用的有效水.对光谱吸收影响明显.
重力水:
当所有毛管孔隙都被充满时,多
余的水将受重力作用下移,成为不稳定的重
力水.排水通畅时容易消失.重力水对光谱
有吸收作用,但也有多次折射,反射作用.故
含水量过多时,反射率有回升现象.
土壤水分中还有少量化学结合水,汽态
水,冬季还会形成冰.土壤水实际上和无机
盐,有机物形成复杂的土壤溶液,这些对作物
和光谱都有不同程度的影响.土壤平常所能
保持的最大毛管悬着水量称田间持水量.毛
量的概念,可以用另外的方法先区分出来.
3.5土壤含水率的等级应优先考虑农牧业
部门的分类方法,与它们接轨.参考文献略
21
管空隙都充满时的毛管水量称毛管持水量.
据新疆生土所李和平的资料,几种土壤类型
的毛管持水量如下:
表l几种类型土壤的毛管持水量
引起土壤水分减少的植物蒸腾,土壤蒸
发的速率将因上述几种土壤水分形态的土壤
吸水力的大小,按照重力水,毛管水膜状水
的顺序依次降低.
3影响土壤水分蒸散的因素
影响土壤水分蒸散因素有植被盖度,天
气条件,土壤含水量等.
植被盖度影响土壤水分散失的情况是复
杂的.例如作物盖度高,叶面积指数大,植物
的蒸腾强度大,土壤水分散失快.植物枝叶的
遮荫减少太阳的直射却会降低棵间土壤水分
蒸发速率.植被盖度高,会增加地面粗糙度,
降低风速,从而减少棵间地面蒸发.植物群落
内通气性差,引起夜间地温上升,从而增加空
气相对湿度,抑制土壤水分蒸发.
天气影响土壤水分散失也是多方面的.
太阳辐射强,气温高,风速大,会增加土壤水
分蒸散.降水会增加土壤水分含量.露霜
雾湍流等天气现象都会不同程度的影响土
壤水分蒸散.
土壤水分含量对土壤水分蒸散有较大影
响,一般随着土壤水分含量的减少,蒸散量也
减少.l992年6月23日（晴天）,我们用两个
塑料瓶装土样埋入阜康生态站的苜蓿地（土
面与地表平）做试验,两个土样水分蒸散的平
均数据如表2.
从表中可以看出,随着土壤含水量的减
少,蒸散速度有降低趋势.在试验期内都是晴
天,土样都放在苜蓿地内,可认为在天气,植
22
被盖度基本一致的情况下,蒸散速率只受土
表2茸蓿地内土壤水分蔫散量
壤含水量的制约.
试验区内各田块含水量差异很大,含水
量多的超过25,少的约在2左右.在试验
观测的五六夭内,水分蒸散量差异很大,各田
块以不同的速率蒸散,对土壤水分观测值的
订正不但必要,而且难度很大.
4与土壤含水量相关的日蒸发模型
上面已述及土壤水分的蒸散受多种因素
的影响.要考虑多种因素太复杂太难了.结
合我们的土壤水分遥感任务主要在农区,且
只校正几天的数据,这里不考虑大l的天气变
化,抓主要矛盾,只考虑土壤水分含量对日蒸
发的影响.为了方便,借用新疆地理所王积强
先生的土水面蒸发实验数据.
4.1土面与木面蒸发比和含水量的关系
王积强先生认为小水体蒸发可代表天气
条件,土面与水面蒸发之比值可消去天气条
件因素,该比值与土壤含水量有一定的关系.
从王先生的实验数据中,可以分三段建立3
条土水面蒸发比与土壤含水量的关系的直
线:
C,一0.O1762P（O,8.4）（O,0.148）
（1）
G一0.1625P一1.217（8.4,14.3）
（O.148,1.107）
（2）
C一0.003277P一1.060（14.3,29.3）
（1.107,1.156）（3）
上面三式中cc.c分别表示三段直
线中的土水面蒸发比,P为土壤含水量百分
数,式后第一括号内为定义域,第二括号为函
数值域.公式的斜率较大,c值随P变化速
度就较快.
4.2土水面蒸发比的逐日变化过程
新l气象1996年第19卷第l期
I
图l是根据王积强先生1982年7月,8
月的资料绘的土水面蒸发比过程线.曲线显
示了土水面蒸发比逐日减少的变化过程在
新疆干旱区内,降雨很少.曲线很少波动,说
明随着天数增加,土壤水分含量也越来越少.
如果在一段有限天数内,天气又稳定,可认为
土壤水分蒸散过程线和土水面蒸发比过程有
相似的形状.若给出一定边界条件,可以利用
该曲线计算某一天的蒸发量.
要o
¨
裤
直
■
图1土水面蒸发比过程线
仔细分析.图1的曲线可分成两段:
（1）前部分用回归方法建立成指数曲线:
Ch一0.4467e一.（O,7.945）（4）
c为土水面蒸发比.t为时间,以天为单
位.
（2）后部分用回归方法建立直线关系:
—
o.09452一o.oo1863t（7.945,
35.32）（5）
可以看出,图1实验中的土样初始含水
量处在公式
（2）的范围,指数变化范围不全.
应向左推延.令C2—1.1O7（c:
的上限）,代入
公式（4）,得一一4.184.这样,（4）的定义域
变为（4.184.7.945）.重写公式（4）:
Cb一0.4467e.,（4.184.7.945）
（6）
公式（6）的值域为（1.107.0.0791）.左值
域对应的土壤水含量为14.3.而该区灌耕
土,灌淤土的平均毛管持水量为29.3.所
以土水面蒸发比过程线还要向左推延.参考
公式（3）.推延的范围C.变化率小,取直线形
式.按照公式（6）最左边一天的蒸散速率,该
直线可写成两点式:
新疆气象1996年
1.1071.156
一
4.184（一15）
（一15）]
第19卷第1期
整理成
Co一1.088一o.00453t
（15.一4.184）（7）
将公式（7）,（6）,（5）平移坐标,变成:
（一1.1560.00453t（0.10.82）（8）
C一11.57e-t"（10.82.22.95）（9）
e—o.1225一o.001863t（22.95.
50.32）（1O）
公式（8）,（9）,（10）是表达阜康地区土水
面蒸发比逐日变化的三段过程函数.
4.3土壤水分的日蒸发模型
阜康地区多数土壤的毛管持水量被认为
29.3%.在7,8月份正常天气情况下将逐日
被蒸散,经过j0.32天将减到1.63%（大量
实测数据的最低值）.各天的蒸发量可按土水
面蒸发比加权平均.设第i天的日蒸发量为
△P.则:
f+O5
（29.31.63）lco（f）dr
△只一__一一—±面百一
le出+ICbdt+Iedt082295
27.67C?
1
一丽干丽
一1_498C~（11）
式中c（f）为被积分函数.处在哪一段就
用哪一函数.为第i天的土水面蒸发比.可
由（8）,（9）,（10）式求得.用公式（¨）可以算
出各天的土壤水分蒸散量.以及各天的土壤
水分含量.如果列成表,可以用于遥感试验中
土壤水分含量订正.表3就是根据公式（¨）
和（8）,（9）,（1O）计算制成的.表中t为天序
号,c.为边界条件,积分时只用了半天.故t
取0.5.△P为天的蒸散量.只为第i天时
的土壤水分含量（%）.
按表列规律.在7,8月份售有毛管持水
量的土壤,一般经过10天含水量降刊
u.49%,第22天降到3.92%.再往后,蒸散
很慢.第5O天只含水1.63%.
表3数据可用于和卫星数据匹配土样含
水量的订正.例如在卫星过顶前2天测得土
23
表3阜康靶区土壤水分日蒸发量表
样含水量为16.51,卫星过顶时该土样含
量应为13.15.又如卫星过顶后3天测得
某土样含水量4.75,卫星过顶时应为
6.08.如果实测数据介于表列数据之间,可
用插入法订正.
表3数据也可用于土壤水分含量预估,
对于灌溉农业有一定指导意义.
5结语
5.1在土壤水分遥感监测试验中.土壤样本
的含水量必须订正与卫星数据同步.才能用
于相关分析.
5.2农区土壤水分的蒸散受天气,植被,土
壤含水量等多种因素的影响.在农区环境类
似,植被盖度悬殊不大,天气稳定的条件下.
应该抓土壤含水量这个主要矛盾进行考虑.
对观测土壤水分数据适当订正.
5.3一般土壤含水量越多.El蒸散越大.反
之El蒸散量越小.这主要和几种形态的水的
约束力大小有关.重力水主要受水分子之间
的日f力影响.毛管水除此外还受界面张力的
影响.这两种水受力相对较小,容易被蒸散.
膜状水和吸湿水受力都较大.难逸出.在土壤
水分中占比重也小.它们不易蒸散,故土壤水
分越步,蒸散越慢.
5.4借助王积强先生土壤蒸发实验数据,结
合阜康农区的实际情况建立的土壤水分日蒸
发模型用于匹配卫星数据的土壤水分含量订
正可满足试验要求,比较理想.,
5.5本文建立的土壤水分El蒸发模型也可
以用来对农区土壤水分含量预测.如果农田
浇透,达到田间持水量,在6,7,8月份要想知
道若干天后的土壤含水量.不必取样分析,可
以对照根据本文模型编制的土壤水分El蒸发
表查估.这对于指导农业生产灌溉管理具有
现实意义.一
参考文献
[1]王积强中国北方地区若干蒸发实验研究.科学出崎社.
1990
[2]播树荣睾自然地理争.高等教育出版社.1985.
C33李和平-新疆漕{睁I一自成型绿洲耕作土壤系统分类初
探.干旱区研斑.1g93.10
（2）.
新疆气象1996年第19卷第1期
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