研究背景

目前，地下水蒸散（ETg）的計算方法包括使用蒸滲儀進行直接測量。蒸滲儀實驗能夠直接測量 ETg ，精度較高 。許多研究人員設計了各類蒸滲儀實驗來評估 ETg 。例如，蒸滲儀已被用于計算不同作物的蒸散量、對比不同地下水埋深下相同灌溉處理的 ETg 速率，以及評估不同地下水位下裸地的蒸發(fā)量。

在當前利用蒸滲儀開展的 ETg 研究中，重點在于在特定實驗設計下測量并對比 ETg 。然而，蒸滲儀在大規(guī)模 ETg 評估方面存在局限性，因為它們需要大量設備，使得實驗成本高且耗時。

懷特（1932 年）基于觀測到的地下水位規(guī)律性動態(tài)變化，提出了一種利用地下水位日波動估算地下水蒸散（ETg）的計算方法。該方法所需數據簡單，且計算精度隨地下水位監(jiān)測水平的提高而提升，因此更適用于大規(guī)模、長期的 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 時段地下水凈恢復速率，即地下水位每小時上升或下降的速率（毫米/小時）； Δs為當日地下水位凈變化量（水位下降為正，上升為負，毫米） 。

然而，該公式所依據的假設在實際應用中引入了相當大的不確定性，誤差主要源于地下水恢復速率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。此外，近期研究表明，包括懷特法在內的地下水位波動法往往會低估實際的 ETg 值。不過，現有大多數研究都聚焦于方法間的相互比較，而非用實際測量數據對其進行驗證。 

蒸滲儀法能提供定量結果，可用于驗證懷特法的假設。本研究旨在優(yōu)化懷特法中補給速率時段的選取，以提高 ETg 預測精度，并量化與實際 ETg 相比的誤差范圍。

研究方法：

本研究在阿克蘇綠洲農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家觀測研究站（ANS）使用了一組大型自動補水式蒸滲儀。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。補水裝置會自動補償消耗的水量，并將補水水柱高度維持在設定的目標水平。

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，本實驗按不同地下覆蓋情況分為三個主要組。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 組作為裸地對照實驗。實驗于 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。實驗設備每小時自動采集土柱重量以及水柱補水和消耗數據，監(jiān)測不同地下水位和植被覆蓋條件下土柱重量的變化。

本實驗數據表明，土柱重量隨時間變化的曲線與懷特法所示的地下水位變化曲線一致，由補水補給和蒸發(fā)消耗導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。假設在兩個時刻（間隔為 t）采集土柱重量 —m2和m1（對應水位為h2和h1），優(yōu)化后的懷特公式：

式中Δ m為當天土柱重量的凈變化量（減重為正，增重為負，mm）。

利用 2023 年 8 月 2 日至 8 月 30 日采集的每小時重量數據，計算了每日 ETg。

主要結論：

1、       ETg的日變化：

實驗結果表明，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出相反的趨勢，意味著地下水埋深越大，蒸散速率越高。對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。在此次研究中，地下水埋深為 1.5 米處的植物對地下水的消耗量最高。

2、       ETg的組成和水文分割

本研究設計了干旱區(qū)裸地和典型植被在不同地下水位埋深下的蒸發(fā)與蒸騰實驗。將不同地下水位埋深下胡楊（P. euphratica）和檉柳（T. ramosissima）的總蒸散量，減去對應埋深下裸地的蒸發(fā)量，作為植物蒸騰量，通過計算測量結果直接定量確定蒸散的水文分割。結果顯示。隨著地下水位埋深增加，蒸騰 / 蒸散占比上升，進一步表明總蒸散量的增加是由植物蒸騰導致的 。

3、       用于評估地下水蒸散（ETg）的懷特法

將 ETg_w (20 - 4)、ETg_w (0 - 4) 和 ETg_w (20 - 8) 與觀測到的 ETg（ETg_obs）進行線性擬合，結果表明，用于估算地下水恢復速率的夜間時段越長，計算出的 ETg 值與觀測到的 ETg 越接近。對胡楊（P. euphratica）進行線性擬合后，R2 值在 0.70 - 0.85 之間；對檉柳進行線性擬合后，R2 值在 0.77 - 0.85 之間，表明與觀測到的 ETg 存在較強的線性關系。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，采用懷特法計算的相對誤差越小，估算值也更接近實際 ETg 值。

本文中使用的自動補水稱重式蒸滲儀可以參照澳作公司的SoilScope控制型蒸滲實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可人為設定蒸滲罐體內的水位，得到實時潛水蒸發(fā)量，也可自動記錄水分、水勢的瞬時值，在與大田水勢梯度一致的情況下，得到罐體內的土壤水動力學參數，水位變化量、滲漏量。

配置恒水位控制系統(tǒng)同時控制罐體內部水位和大田地下水位，自動跟蹤大田水位，保持罐體內水位與大田的地下水位在相同的水平。自動水位調控方式，相當于把罐體內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現底部的注水或排水，且質地堅硬，能承載數十噸重的土體重量。