测定农田蒸发量的小型棵间蒸发器的制作与应用
　　摘要:针对大型蒸渗仪在研究作物棵间土壤蒸发上存在的问题,制作了一种小型棵间蒸发器,对其特点、选材、制作工艺和应用进行了详细说明,定性分析了小型棵间蒸发器在大田的应用效果,定量分析了与大型蒸渗仪结合研究作物棵间土壤蒸发的结果,结果表明该仪器具有制作简单、误差小、测量方便、价格便宜等优点,而且弥补了大型蒸渗仪精确测量作物棵间蒸发量的不足,基本解决了国内外共同面临的作物棵间土壤蒸发量测量的难题,为作物需水量更深入的研究提供一定的技术支撑.
　　关键词:作物棵间土壤蒸发, 大型蒸渗仪, 小型棵间蒸发器
　　蒸渗仪(Lysimeter)是一种安设在田间,代表大田环境,表面裸露或生长植物(作物或禾草),用来测量裸土蒸发量或作物的蒸发蒸腾量、潜在腾发量以及深层渗漏量的大型容器, 以及用一定方法测定向上或向下离开土壤的水和其他物质运移及转化值的测定装置.蒸渗仪出现于17 世纪,19 世纪后期就已经用于作物需水量的研究,它可代表大田环境, 用来测量裸土蒸发量或作物的蒸发蒸腾量, 也可以广泛应用于模拟大田作物来测定作物的总蒸散量、渗漏速度、渗漏量、作物系数以及土壤中含水量变化等有关水量平衡的各个分量, 具有其他装置和方法不可比拟的优越性,特别在最近的几十年间,随着电子学、机械工程学、土壤物理学、微气候学、计算机等学科的发展和相互交叉渗透,对大型蒸渗仪的研究和应用,以及对其结构、精度和功能等方面都有较大的改进和提高,现在已成为测定农田蒸腾蒸发量的标准仪器[1].
　　国内外许多学者应用蒸渗仪法对农田蒸发蒸腾量和土壤水分蒸发量的测定进行了大量的试验研究,并取得了许多科研成果.研究应用表明,大型称重式蒸渗仪本身还存在土壤水分边缘流动、排水计量、棵间土壤蒸发测量等问题,这些问题均不能完全消除,只能通过相应的措施来降低:在蒸渗仪边缘填土时注意压实度,每次灌水前要准备过筛的细土填充边缘裂隙,再用细木棒捣实(尤其是土壤含水率较低时), 或对蒸渗仪侧壁涂抹凡士林等措施可降低水分边缘流动;增加排水自动计量装置可实现全程监测;大型蒸渗仪本身不能精确测量作物棵间蒸发量即作物棵间土壤无效蒸发量,这也是国内外许多从事作物需水量研究的学者一直关注的问题[2-6].针对这一问题,我们在分析已有微型蒸渗仪特点的基础上,进一步探索新的试验措施,对微型蒸渗仪的制作方法进行了改进,制作了小型棵间蒸发器[7-8],该仪器可进一步降低测试作物棵间土壤蒸发的误差,对于探明作物耗水规律、制订作物灌溉制度、合理配置水资源等具有重要的意义.
　　1 小型棵间蒸发器制作与应用
　　1.1 制作原理根据土壤水量平衡原理设计和制作小型棵间蒸发器,即通过定时称量盛土容器的重量变化,分析土壤水分的动态变化,研究土体中水分蒸发量及变化过程,从而为研究  田间棵间蒸发的过程提供了可能.
　　土壤水量平衡方程式为:P+I+C=E+D+ΔW, 即来水量=去水量, 来水量分别是:P-有效降水量,I-灌水量,C-汽态凝结水量(多发生在晚上);去水量分别是:E-土壤蒸发量,D-排水或深层渗漏量,ΔW-在整个给定时段内含水量(W)的变化量.
　　来水量中P、I 可用标准容器直接计量, C 可用电子天平对小型蒸发器称量测得; 利用小型棵间蒸发器测定时去水量中D 可忽略不计,ΔW 可利用电子天平直接称重获得.
　　利用以上实测参数即可求出单位时段内的棵间蒸发量E,E=P+I+C-ΔW.
　　1.2 小型棵间蒸发器的制作
　　1.2.1 小型棵间蒸发器的特点小型棵间蒸发器是专门用来测定作物棵间土壤蒸发的仪器,属于微型蒸渗仪,这是根据研究土壤蒸发的微型蒸渗仪的特点在进一步探索新的试验措施和方法的基础上制作的.即用特殊材料(一般用PVC)制成一定长度、一定内径的圆管,圆管外壁以梅花状均匀打孔, 每套装置均由内测试桶和外套桶两部分组成,投入使用前均不封底,内测试桶将土壤表层原状土取出后封底,放入田间外套桶内自然蒸发,利用电子天平称量其重量的变化,即可求得棵间土壤蒸发量.
　　这种棵间蒸发器优点是:制作简单、误差小、测量方便、价格便宜,克服了以往利用小型棵间蒸发器自行装土引起的试验误差, 可降低因试验观测人员经常在同一地块观测对地面的踩踏导致覆盖度的变化[9-10].
　　1.2.2 小型棵间蒸发器的选材小型棵间蒸发器制作选用硬质塑料管(PVC)管材,选用塑料管制作小型棵间蒸发器与金属材料相比,不仅取材方便、制作简单,而且成本低,同时塑料材料导热性能没有金属材料强,也可以降低蒸发器内外的土壤温度差, 可以很好地克服因温度变化引起的测量误差[10-11].
　　1.2.3 小型棵间蒸发器的制作制作时根据试验区种植作物株、行距,选择直径相邻的两种PVC 管,直径较大的制作外套桶, 直径较小的制作内测试桶.一般对果树、枣树等株行距较大的作物内测试桶直径不超过250 mm,对玉米、小麦等株行距较小的作物内测试桶直径不超过110mm,选择标准是保证试验时不伤害作物根系、叶片;制作长度一般不超过200 mm, 内测试桶与外套桶的长度一致.将内测试桶与外套桶加工好后,通过台钻或手电钻对其以梅花状打孔,孔间距控制在4 cm 内,孔径为4 mm,再在内测试桶的一头打两个对称小孔为试验时固定提绳备用,孔打好后用砂纸把毛茬磨平,设计大样见图1.内测试桶和外套桶的制作数量根据作物生育期的长短确定,一般按4 d 更换一组,再加上试验方案的重复数量试验确定制作数量.
　　试验时,从田间取出内测试桶,将桶外壁擦拭干净,用小刀将底部削平,然后用薄塑料或胶带封底,再用胶带将侧壁小孔封堵,最后系上提绳,内测试桶制作完毕;再将田间预埋外套筒内的土取出,将内测试桶放入外套筒内,一套完整的棵间蒸发器就制作完毕.由于该仪器内测试桶使用时底部密封, 土壤水分除蒸发损失外没有其他损失途径,测量试验开始时,配套电子天平称量内测试桶各个时段的重量变化,即为棵间蒸发量.为了保证小型棵间蒸发器内土壤环境与田间土壤环境尽可能一致, 每套装置一般测试时间为4~6 d,下雨后可适当延长测试时间.
　　1.3 小型棵间蒸发器的大田应用效果在作物播前灌溉后,趁土层浇透分别将外套桶和内测试桶试验方案和测试要求, 垂直压入试验区待播种作物的株间或行间,内测试桶的侧壁预留的小孔,可使桶内土壤水分与大田一致, 该方法降低了埋设小型棵间蒸发器对作物根系的破坏, 确保测定数据与大田水平基本保持一致,使测量精度得到提高.试验时将内测试桶从田间挖出,桶内的土即为原状土,按照制作方法,很快即可制成封底封壁的内测试桶, 用这种仪器测试土壤蒸发大大降低了因每次装土(模拟原状土)测试棵间土壤蒸发量引起的误差.
　　试验时将预先埋在田间外套桶内的土取出,安放内测试桶,既保证测试期间试验区土壤不被扰动,又保证田间作物根系不被损伤.同时在试验期间,每次可变换测量位置,减少了试验人员对试验区的集中踩踏,保证了田间作物生长环境[7-8].
　　2 小型棵间蒸发器与大型蒸渗仪结合的应用
　　以西北农林科技大学节水灌溉试验站夏玉米种植区的大型称重式蒸渗仪与小型棵间蒸发器结合研究作物棵间土壤蒸发为例进行说明.玉米种植株行距为30 cm 和60 cm,小型棵间蒸发器的外套桶直径110 mm、内测试桶直径90 mm、高度均为200 mm.在玉米按植株行距播种后,将PVC 外桶和内桶分别垂直压入到测试区土壤中,并确保内外桶顶面与大田土壤表面齐平.小型棵间蒸发器内外桶布置方案如图2 所示.
　　称量是采用精度0.001 g 的电子天平在每天早上9:00 测量1 次,试验时小型棵间蒸发器重量每减少1 g 等同于0.2147 mm 的土面蒸发水量.按3 个小型棵间蒸发器为1 组测定组合,每组测量4~5 d,取平均值作为试验实测值,以此来计算作物棵间蒸发量;根据大型蒸渗仪每天测得的蒸发蒸腾量,获得作物实际蒸腾量;根据试验结果分析作物棵间土面蒸发与蒸发蒸腾比例, 获得夏玉米不  同生育期E/ET 与LAI 的指数函数关系,决定系数达0.85以上[7-8].E/ET 与0~10 cm 土壤含水量的线性函数关系,相关系数达0.81[8],说明利用小型棵间蒸发器与大型蒸渗仪结合研究作物棵间土壤蒸发效果较好.
　　3 结语
　　本研究从使用蒸渗仪的实际分析,提出了蒸渗仪使用和管理应注意的问题,针对大型蒸渗仪研究作物棵间土壤蒸发存在的问题和微型蒸渗仪测量土壤蒸发的研究进展[12],制作了一种小型棵间蒸发器,并对小型棵间蒸发器的特点、选材、制作和应用进行了详细说明.定性分析了小型棵间蒸发器在大田试验的应用效果, 定量分析了其与大型蒸渗仪结合研究作物棵间土壤蒸发的结果, 基本解决了国内外学者共同面临的作物棵间土壤蒸发量测量的难题.
　　该小型棵间蒸发器仪器的应用,一般在测试前1 个月就需预埋在田间, 如遇间套作的作物或在作物生长的某个阶段测试棵间土壤蒸发,很难将内测试桶压入田间,这时可结合支架旋转式原状土取样器预埋内测试桶[13].