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律性動態變化，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測水平的提高而提升，因此更適用于大規模、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出不同方法來優化這些參數。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生態系統國家觀測研究站（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、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。

為模擬干旱區不同地下覆蓋情況和地下水埋深下植物蒸騰與土壤蒸發的規律，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規律，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裸地和典型植被在不同地下水位埋深下的蒸發與蒸騰實驗。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，該系統既可人為設定蒸滲罐體內的水位，得到實時潛水蒸發量，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。