松针覆盖物厚度和粒径对下垫面蒸发的影响

松针覆盖物厚度和粒径对下垫面蒸发的影响

云南省是一家拥有6559种中药资源的省，占全国31.4%。秸秆覆盖物是一种典型的有机覆盖物,形成的覆盖层具有和松针覆盖层相似的物理结构和物质构成,其对下垫面产生的影响也和松针覆盖层类似,具有一定的参考价值。目前国内外学者针对松针覆盖物对下垫面影响的研究已经发展至作用机制层面。Qiu等对比沙石覆盖物在不同厚度和粒径下蒸发阻力的变化,发现其蒸发阻力随覆盖物厚度的增加先以指数形式增加,后以负指数形式增加,且随粒径的增大呈负指数形式减少虽然目前国内外学者对于秸秆等有机覆盖物开展了大量的研究,但针对松针覆盖层厚度和风速共同作用下对松针覆盖层下垫面水分蒸发的影响的研究还很少,传统风速试验中,风速在空间上的均匀性较差导致土壤蒸发的差异性较大材料和方法1.1支管和鼓风机如图1所示,装置主体由一根直径150mm的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)管构成,长度为1500mm,主管向下延伸出2根支管,长度为100mm,支管统一向下放置,起到封闭和支撑的作用,支管内加设1层18目方孔铁丝网,用于放置松针覆盖层。每个支管中均放置有3个玻璃蒸发皿,口径为95mm,蒸发皿上方设置有小型指针式温湿度计。风管左侧连接1台功率550W的鼓风机。管道与鼓风机之间用布制的口袋连接,为了向管内提供恒定的风速,管道与鼓风机出风口之间呈90°夹角,并在口袋与风管的连接处加设1层网格,以消除鼓风机出口处的空气动能,让管道内的风速仅由鼓风机的空气流量控制,减小管道内部的紊流现象。使用变压开关可以控制鼓风机的转速,控制管内的风速。1.2模拟参数设置本试验开始于2018年11月,试验地点位于昆明理工大学农业与食品学院实验室(102°52′N,24°51′E),海拔1970m,标准气压79.14kPa,试验装置放置于室内遮阴避风处,避免日光照射和自然风的影响。试验所使用的覆盖物为自然风干的云南松松针,平均长度为13.22cm,烘干法测得其残余含水量为0.271%,干物质密度为0.617g/cm本试验为模拟不同覆盖程度下松针覆盖层对水蒸气扩散的阻滞作用,分别设置了松针覆盖层厚度和风速2个变量。其中,松针覆盖层厚度设置了3个水平(M试验时间选在晴朗的下午,试验期间实验室内的温度和湿度相对稳定。室内气温为20～26℃,平均气温为23.7℃。大气湿度为22%～32%,平均湿度为26.1%。由于试验装置不受阳光照射,且内部空气流量较大,装置内部的温度与室温相差较小。向每个蒸发皿中加入300mL清水,随后放置于精度为0.01g的电子天平上称质量并记录。启动鼓风机,使用AT816一体式风速计测量管内的风速,并调节变压开关使风速达到预定值。每次试验持续3h,每隔1h将蒸发皿取出重新称质量,同时读取并记录蒸发皿上方的温湿度值和室内的温湿度值。通过计算每次称质量测得的质量差值即可算得该时段内的水面蒸发量。1.3水平风速对蒸发块蒸发量的影响为了分析不同水平松针覆盖层厚度处理和不同水平风速2项变量对蒸发皿时段蒸发量的影响,采用SPSS软件对试验数据进行显著性分析,由于本次试验每组的样本数量小于30(结果与分析2.1扩散速度随风速的变化由图2可知,当无松针覆盖处理时,水受大气蒸发力的影响自由扩散,扩散速度随风速的增大整体增大。不同处理间时段蒸发量的均值大小顺序为T以同水平风速条件下不同松针覆盖水平试验组的时段蒸发量测量值为配对样本进行配对样本2.2风速对覆盖条件的影响在整个蒸发过程中,所有覆盖层厚度水平下的蒸发皿的时段蒸发量均值均与风速呈正相关关系。由于松针覆盖层具有一定的透气性,不能完全阻隔空气的流通,风速的不同仍会对覆盖条件下的水分蒸发产生影响。试验结果表明,当风速从W为了分析相同水平覆盖条件下不同风速对时段蒸发量的影响,将所有风速水平差值为1m/s的试验组两两配对,进行样本2.3glm方法单变量方差分析为了研究覆盖层厚度和风速对时段蒸发量的影响程度,判定时段蒸发量的主要影响因素,使用一般线性模型(GLM)单变量分析法对测量值进行双因素方差分析。用真实显著性差异(Tukey)法进行方差分析,以检测不同样本组之间的总体方差是否相同。经过误差方差等同性的Levene法对零假设的检验,发现不同样本组间的因变量,即时段蒸发量对应的将不同覆盖水平蒸发皿的时段蒸发量样本值配对进行方差分析,发现M讨论松针覆盖层厚度和风速大小都是时段蒸发量的主要影响因素,都能对其下垫面的水分蒸发量产生极显著性影响。3.1不同覆盖层水分蒸发的抑制作用松针覆盖层的存在会显著减小时段蒸发量的大小,10mm厚度的松针覆盖层能够将时段蒸发量降低44.44%～51.00%,影响显著。但厚度增大至20mm时,对水分蒸发的抑制作用并未显著增加。因此,在中草药(三七、重楼等)种植管理中,有利于降低土壤蒸发量的适宜松针覆盖层厚度为10mm。松针等有机覆盖层对水分蒸发产生抑制作用的主要机制可分为能量和分子扩散另外,本试验中的覆盖层在整个试验过程中都保持干燥。这意味着水蒸气在覆盖层中的传导率是恒定的。事实上,松针或秸秆类的有机覆盖层可以看做是一层多孔结构的介质层,当水分通过覆盖层时,部分水量会截留在覆盖层内部。截留的水分会增大覆盖层内部空气的湿度,增强对下垫面水分蒸发的抑制能力。3.2时段蒸发量的影响风速的大小是松针覆盖条件下水分蒸发的重要影响因素。风速的增加对0、10、20mm松针覆盖处理下的水分蒸发均表现出促进作用。在无覆盖(0mm)的试验组中,风速变化量达到1m/s就能对下垫面的时段蒸发量产生显著影响,而对于覆盖处理组需要风速变化量达到3m/s时才能对下垫面的时段蒸发量产生显著影响。因此,松针覆盖处理减小了风速对水分蒸发的影响,松针覆盖条件下(10mm与20mm比较)影响水分蒸发量的临界风速变化量为3m/s。因此在实际应用中,经过松针覆盖处理的农田需要考虑风速对蒸发量的影响,可以用3m/s的间隔为风速划定不同的风力等级,并为不同的等级制定不同的灌溉制度。松针覆盖处理会使近地层的粗糙度增大,增强对空气的扰动,并且覆盖层在大气和下垫面间形成了一个疏松的隔离层,切断了大气与下垫面的直接接触时段蒸发量与风速本试验研究了松针覆盖条件下不同覆盖层厚度和不同风速对水面蒸发量的影响,得到4点结论。(1)松针覆盖层厚度和风速大小均能对其下垫面的水分蒸发量产生显著影响。(2)松针覆盖层的存在会显著减小时段蒸发量的大小,10mm厚度的松针覆盖层能够将时段蒸发量降低44.44%～51.00%。(3)水分蒸发量随风速的增大而增大。本试验条件下,在无松针覆盖时