蒸发因蒸发面的不同,可分为水面蒸发,土壤蒸发和植物散发等。其中土壤蒸发和植物散发合称为陆面蒸发,流域(区域)上各部分蒸发和散发的总和,称为流域(区域)总蒸发。不同类型的蒸发,其蒸发机制存在一定的差异,现分述如下:
1.水面蒸发
水面蒸发是在充分供水条件下的蒸发。从分子运动论的观点来看,水面蒸发是发生在水体与大气之间界面上的分子交换现象。包括水分子自水面逸出,由液态变为气态;以及水面上的水汽分子返回液面,由气态变为液态。通常所指的蒸发量E,即是从蒸发面跃出的水量和返回蒸发面的水量之差值,称为有效蒸发量。
从能态理论观点来看,在液态水和水汽两相共存的系统中,每个水分子都具有一定的动能,能逸出水面的首先是动能大的分子,而温度是物质分子运动平均动能的反映,所以温度愈高,自水面逸出的水分子愈多。由于跃入空气中的分子能量大,蒸发面上水分子的平均动能变小,水体温度因而降低。单位质量的水,从液态变为气态时所吸收的热量,称为蒸发潜热,以工表示,其值与蒸发面温度T有以下关系:
反之,水汽分子因本身受冷或受到水面分子的吸引作用而重回水面,发生凝结。在凝结时水分子要释放热量,在相同温度下,凝结潜热与蒸发潜热相等。所以说蒸发过程既是水分子交换过程,亦是能量的交换过程。
2.土壤蒸发
土壤蒸发是发生在土壤孔隙中的水的蒸发现象,它与水面蒸发相比较,不仅蒸发面的性质不同,更重要的是供水条件的差异。土壤水在汽化过程中,除了要克服水分子之间的内聚力外,还要克服土壤颗粒对水分子的吸附力。从本质上说,土壤蒸发是土壤失去水分的干化过程,随着蒸发过程的持续进行,土壤中的含水量会逐渐减少,因而其供水条件越来越差。土壤的实际蒸发量亦随之降低。根据土壤供水条件的差别以及蒸发率的变化可将土壤的干化过程划分为如下三个阶段:
(1)定常蒸发率阶段在充分供水条件下,水通过毛管作用,源源不断地输送到土壤表层供蒸发之用,蒸发快速进行,蒸发率相对稳定,其蒸发量等于或近似于相同气象条件下的水面蒸发,在此阶段,土壤蒸发主要受气象条件的影响。
(2)蒸发率下降阶段由于蒸发不断耗水,土壤中的水逐渐减少,当降到某一临界值W田以后(其值相当于土壤田间持水量),土壤的供水能力,不能满足蒸发需要,蒸发率将随着土壤含水量的减少而减小,于是土壤蒸发进入蒸发率明显下降阶段。在此阶段,由于供水不足,毛管水上升能力达不到表土。土壤水主要以薄膜水的形式,由水膜厚的地方向水膜薄的地方运动,所以蒸发速度明显低于第一阶段。其蒸发量的大小主要决定于土壤含水量,气象因素则退居次要地位。
(3)蒸发率微弱阶段当土壤含水量逐步隆低到第二个临界点W凋(其值相当于植物无法从土壤中吸收水而开始凋萎枯死时的土壤含水量,称凋萎系数),土壤蒸发便进入蒸发率微弱阶段。在此阶段内土壤水由底层向土面的薄膜运动亦基本停止,土壤液体水供应中断,只能依靠下层水汽化向外扩散,此时土壤蒸发在较深的土层中进行,其汽化扩散的速度主要与上下层水汽压梯度及水汽所通过的路径长短和弯曲程度有关,并随汽化层的不断向下延伸,蒸发愈来愈弱。
3.植物散发
植物散发又称植物蒸腾,其过程大致是:植物的根系从土壤中吸收水后,经由根、茎、叶、柄和叶脉输送到叶面,并为叶肉细胞所吸收,其中除一小部分留在植物体内外,90%以上的水分在叶片的气腔中汽化而向大气散逸。所以植物蒸发不仅是物理过程,也是植物的一种生理过程,比起水面蒸发和土壤蒸发都要来得复杂。
植物对水的吸收与输送功能是在根土渗透势和散发拉力的共同作用下形成的。其中根土渗透势的存在是植物本身所具备的一种功能。它是在根和土共存的系统中,由于根系中溶液浓度和四周土壤中水的浓度存在梯度差而产生的。这种渗透压差可高达十余个大气压,使得根系象水泵一样,不断地吸取土壤中的水。
散发拉力的形成则主要与气象因素的影响有关。当植物叶面散发水汽后,叶肉细胞缺水,细胞的溶液浓度增大,增强了叶面吸力,叶面的吸力又通过植物内部的水力传导系统(即叶脉、茎、根系中的导管系统)而传导到根系表面,使得根的水势降低,与周围的土壤溶液之间的水势差扩大,进而影响根系的吸力。这种由于植物散发作用而拉引根部水向上传导的吸力,称为散发拉力,散发拉力吸收的水量可达植物总需水量的90%以上。
由于植物的散发主要是通过叶片上的气孔进行的,所以叶片的气孔是植物体和外界环境之间进行水汽交换的门户。而气孔则有随着外界条件变化而收缩的性能,从而控制植物散发的强弱。一般来说,在白天,气孔开启度大,水散发强,植物的散发拉力也大;夜晚气孔关闭,水散发弱,散发拉力亦相应的降低。
