不同材料和尺寸微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)量

劉春偉，邱讓建，孫亞卿，葛鵬程，孫雨情，高馬丹

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044； 3.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044)

0 引 言

土壤蒸發(fā)量是蒸發(fā)蒸騰量ET的重要組成部分，整個(gè)生育期的土壤蒸發(fā)量可占總耗水量的24%～37%左右[1-5]。作物生長(zhǎng)初期土壤蒸發(fā)量較大，如蘋(píng)果樹(shù)在生育初期平均土壤蒸發(fā)量占總ET的70%[2]，而冬小麥和玉米在生育初期比例分別為36%～97%和65%[6]。作物生長(zhǎng)初期土壤蒸發(fā)量是ET的主要組成部分，也是水分的主要耗散途徑。準(zhǔn)確測(cè)定土壤蒸發(fā)，對(duì)于采取合理的措施減小作物生長(zhǎng)初期的水分消耗，節(jié)約水資源有重要指導(dǎo)意義。

眾多學(xué)者對(duì)不同材料不同直徑的微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)進(jìn)行研究，Boast and Robertson[7]研究表明深度大于70 mm，直徑76 mm的微型蒸滲儀測(cè)定的裸地土壤蒸發(fā)量誤差小于0.5 mm/d，日土壤蒸發(fā)量為2～9 mm/d。同時(shí)，Evett等[8]發(fā)現(xiàn)深度大于300 mm，直徑80 mm左右的微型蒸滲儀使用時(shí)間可達(dá)9 d，測(cè)得裸露黏壤土的土壤蒸發(fā)量在1.5～5.7 mm/d，而且封底會(huì)阻斷排水，引起微型蒸滲儀內(nèi)的土壤水分高于周?chē)寥?，另外，Evett還認(rèn)為PVC的熱導(dǎo)率低，比鋼質(zhì)微型蒸滲儀更符合實(shí)際土壤溫度的分布。而采用深度88 mm，直徑105 mm的PVC微型蒸滲儀在棉花的棵間蒸發(fā)測(cè)定表明，采用白天的土壤蒸發(fā)量為1.0～2.7 mm[9]。采用深度110 mm，直徑80 mm的PVC微型蒸滲儀測(cè)定旱作水稻田中土壤蒸發(fā)量為0.5～3.0 mm/d[10]。Kidron and Kronenfeld[11]對(duì)不同深度的直徑158 mm的PVC微型蒸滲儀(封底)的露水和霧等非降水因素分析發(fā)現(xiàn)其與對(duì)照土壤有明顯差異，這主要是由于熱量沿側(cè)壁傳輸引起的，需要對(duì)微型蒸滲儀的測(cè)定數(shù)據(jù)需要進(jìn)行合理的校正才能真正反映自然土壤的蒸發(fā)量。采用深度150和80 mm，直徑85和192 mm的微型蒸滲儀測(cè)定的裸地土壤蒸發(fā)量為0.5～4 mm/d[12, 13]。Salehi[14]發(fā)現(xiàn)用深度150 mm，直徑76 mm的鋼管制成的微型蒸滲儀測(cè)定灌溉后裸土蒸發(fā)量位2～5 mm/d。Walker[15]采用深度120 mm，直徑76 mm的PVC微型蒸滲儀在粉黏壤土中測(cè)定初期降雨后的玉米蒸散量達(dá)4 mm/d。不同尺寸PVC微型蒸滲儀研究表明玉米的土壤蒸發(fā)量可達(dá)5 mm/d，土壤蒸發(fā)量與表層土壤含水量密切指數(shù)關(guān)系，可通過(guò)表土土壤含水量推算土壤蒸發(fā)量[16]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)微型蒸滲儀的尺寸、材料等進(jìn)行了詳細(xì)的論述[17, 18]，認(rèn)為微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)量精度受多種因素影響，一般情況下建議微型蒸滲儀尺寸為直徑56～150 mm，深度150～200 mm，側(cè)壁材料采用導(dǎo)熱率高的PVC，封底材料用導(dǎo)熱性好的金屬。另外，在冬小麥土壤蒸發(fā)測(cè)定表明越冬期和全生育期土壤蒸發(fā)量占總ET的65%和32%[19]。高曉飛等對(duì)封底微型蒸滲儀測(cè)定裸土蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn)3 d后誤差就過(guò)大，封底情況下最好每天換土[20]，不同直徑的微型蒸滲儀測(cè)定結(jié)果差異不大[21]。西北和東北地區(qū)研究表明，一般情況下采用不封底的蒸滲儀更好[22, 23]。龍?zhí)业萚24]認(rèn)為封底會(huì)降低測(cè)量精度，內(nèi)筒封底材料越薄、透氣性能越好精度越高。

通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，不同材料和型號(hào)的微型蒸滲儀對(duì)土壤蒸發(fā)測(cè)定結(jié)果影響較大，因此本研究擬通過(guò)設(shè)置不同材料，不同型號(hào)的微型蒸滲儀對(duì)土壤蒸發(fā)量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證微型蒸滲儀材料和型號(hào)對(duì)土壤蒸發(fā)量的影響。本文的目的是：對(duì)比微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)量與大型蒸滲儀及液流量計(jì)算的土壤蒸發(fā)量差異；分析不同材料和型號(hào)微型蒸滲儀對(duì)土壤蒸發(fā)量的測(cè)定的影響；分析玉米和冬小麥土壤蒸發(fā)量的季節(jié)變化。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)研究，可得到南京地區(qū)的玉米和冬小麥的土壤蒸發(fā)量季節(jié)變化，為田間土壤水分管理提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016-2017年在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象綜合試驗(yàn)站(118.8°E，32.0°N，海拔32 m)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1 106 mm，年平均氣溫為15.6 ℃，年極端氣溫最高為39.7 ℃，最低為-13.1 ℃，土壤類(lèi)型是人為水成黃黏土。該地區(qū)自然氣候資源豐富，生育期降水較多，適合夏玉米及冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。

夏玉米品種為浚單66，株行距分別為30和50 cm，生育期見(jiàn)表1。2016年9月1日灌水60 mm。小麥試驗(yàn)田面積為1 000 m2，品種為揚(yáng)麥13，冬小麥生育期見(jiàn)表1，收獲后取3塊樣地測(cè)產(chǎn)，平均產(chǎn)量為5 944 kg/hm2；平均千粒重為36.9 g。

表1 種植品種生育期及產(chǎn)量

1.2 氣象數(shù)據(jù)

采用自動(dòng)氣象站(HOBO U30, USA)記錄的輻射、風(fēng)速、溫濕度，測(cè)定周期為5 min。其中輻射為太陽(yáng)總輻射，通過(guò)算術(shù)平均得到各氣象參數(shù)的日均值。

1.3 土壤蒸發(fā)量

玉米田中采用自制的微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)量，測(cè)定設(shè)置兩因素分別為材料和尺寸，其中，材料內(nèi)桶為鐵皮，外筒材料設(shè)置2水平，分別為PVC和鐵皮，這兩種材料與內(nèi)桶形成兩種組合方式，組合1和組合2，作為材料的兩種水平。尺寸因素設(shè)置3水平，共有3種大小(表2)，深度均為150 mm，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，其中2個(gè)布置于兩行中間，1個(gè)布置于兩株中間。每天18∶00采用精度0.1 g的電子天平(PL 6001-L, Mettler Toledo Inc., Switzerland)對(duì)微型蒸滲儀稱(chēng)重。降雨和灌溉后更換微型蒸滲儀中的土壤。每?jī)纱螠y(cè)定重量差值為ΔW，則土壤蒸發(fā)E采用式(1)計(jì)算。

表2 不同材料和尺寸微型蒸滲儀處理 mm

(1)

式中：ρ為水的密度，g/cm3；D為微型蒸滲儀直徑，cm。

小麥田中僅設(shè)置1種材料水平，采用組合1；尺寸仍然按照3水平，設(shè)置3種大小的微型蒸滲儀(表2)，內(nèi)桶均為鐵皮，內(nèi)外筒高度均為150 mm，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，微型蒸滲儀位置位于兩行中間，每天定時(shí)測(cè)量蒸滲桶的重量，并計(jì)算土壤蒸發(fā)量。

微型蒸滲儀的安裝方法如下：將內(nèi)桶利用錘子、木板等工具垂直打入土壤中，將桶連帶原狀土提出，用濾紙和紗網(wǎng)包住底部，用膠帶纏好；將外筒安裝固定，并將內(nèi)桶放入，保持內(nèi)外筒與地面平齊；最后對(duì)所有不同材料尺寸的微型蒸滲儀編號(hào)。

另外，采用大型蒸滲儀測(cè)定玉米田總蒸發(fā)蒸騰量，采用熱平衡莖流計(jì)測(cè)定玉米植株液流量，二者的差值為實(shí)際的土壤蒸發(fā)量。2017年，采用實(shí)際蒸發(fā)量驗(yàn)證材料因素為組合1，尺寸水平為大和小的微型蒸滲儀的測(cè)定結(jié)果。蒸滲儀有效蒸散面積為4 m2，原狀土柱深2.6 m，分辨率0.01 mm，測(cè)量精度為0.1 mm，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集間隔為1 h。熱平衡法莖流計(jì)是指在莖或枝條外面裹上一個(gè)加熱套，連續(xù)加熱樹(shù)皮、木材和樹(shù)液，通過(guò)安裝在周?chē)臏囟葌鞲衅鱽?lái)感應(yīng)莖表面的溫度，依據(jù)熱量平衡原理求出被液流帶走的熱量來(lái)計(jì)算莖稈內(nèi)液體的流量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本研究采用方差分析中的Duncan檢驗(yàn)分別評(píng)判不同材料和尺寸微型蒸滲儀之間的差異性。顯著性差異的檢驗(yàn)水平為0.05，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差一致性和正態(tài)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因素的生育期變化

圖1為氣象因素的季節(jié)變化，從圖1(a)可以看出，2016年7月19日至9月14日降雨量?jī)H為66 mm，持續(xù)季節(jié)干旱導(dǎo)致土壤含水量較低，故于9月1日灌水60 mm以保證玉米的正常生長(zhǎng)發(fā)育。玉米生育期內(nèi)總降雨量479 mm，灌溉量為60 mm，徑流量約為50 mm(日降雨量超過(guò)60 mm)雨量生育期內(nèi)分布不均。冬小麥生育期內(nèi)總降雨量為300 mm，其中返青到成熟期降雨量為170 mm，整個(gè)生長(zhǎng)季雨量分布較為均勻。從圖1(b)可以看出，玉米的日平均氣溫全生育期平均為27 ℃，呈先保持穩(wěn)定后逐步降低的趨勢(shì)，最高可達(dá)34 ℃，出現(xiàn)時(shí)間為2016年7月29日；從2016年7月20日至8月1日，連續(xù)13 d日平均氣溫均超過(guò)30 ℃，2016年8月7日至8月20日連續(xù)14 d日均氣溫均超過(guò)30 ℃。玉米的生育期平均相對(duì)濕度為76%。冬小麥生育期平均氣溫約為12 ℃，平均相對(duì)濕度為69 %。圖1(c)表明玉米田的總輻射在2016年7月21日達(dá)到最高為280 W/m2后逐步降低，而冬小麥的最高總輻射量為285 W/m2。

圖1 2016年6月-2017年7月氣象因素的季節(jié)變化

2.2 微型蒸滲儀測(cè)定數(shù)據(jù)與大型蒸滲儀和液流數(shù)據(jù)比較

采用大型蒸滲儀實(shí)際測(cè)定蒸發(fā)蒸騰量，采用熱平衡莖流計(jì)測(cè)定玉米莖稈液流量，大型蒸滲儀測(cè)定的土壤蒸發(fā)量可以由總蒸發(fā)蒸騰量與液流量的差值得到。組合1大、小尺寸微型蒸滲儀與大型蒸滲儀測(cè)定的日均土壤蒸發(fā)量比較如圖2所示。從圖2(a)可以看出，組合1大尺寸微型蒸滲儀與大型蒸滲儀的符合較好，二者相關(guān)關(guān)系為y=1.03x，r2為0.86(p<0.01)。這表明組合1大尺寸微型蒸滲儀日均蒸發(fā)量測(cè)定值反映了實(shí)際土壤蒸發(fā)量的大小。圖2(b)表明組合1小尺寸微型蒸滲儀測(cè)定的土壤蒸發(fā)量與大型蒸滲儀測(cè)定的日均土壤蒸發(fā)量關(guān)系不明顯，且在土壤蒸發(fā)量小時(shí)明顯高估，日均土壤蒸發(fā)量較大時(shí)有低估的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樾〕叽缥⑿驼魸B儀直徑較小，受外界環(huán)境影響大。

圖2 微型蒸滲儀法與大型蒸滲儀液流法計(jì)算土壤蒸發(fā)量的比較

2.3 不同材料組合和不同尺寸微型蒸滲儀測(cè)定的玉米土壤蒸發(fā)量季節(jié)變化

2016年7月20日至7月31日期間無(wú)降雨，且日平均空氣溫度都高達(dá)30℃以上，隨著土壤含水量的降低，土壤蒸發(fā)量呈逐步下降趨勢(shì)。8月1日到8月7日時(shí)一次30 mm總降雨量的降雨過(guò)程。2016年8月8日，組合1和組合2降雨后的土壤蒸發(fā)量均達(dá)到生育期最大值，分別為5.6和6.0 mm/d (圖3)。這是由于玉米剛剛進(jìn)入拔節(jié)期，葉面積指數(shù)較小，同時(shí)溫度較高，土壤水分供應(yīng)充足，晴天條件下土壤蒸發(fā)量逐日降低。9月初，玉米進(jìn)入抽穗開(kāi)花期，株高趨于穩(wěn)定，葉面積指數(shù)較大，晴天條件下土壤蒸發(fā)量為1.5 mm/d左右。從圖3還可以看出，葉面積指數(shù)較小時(shí)，組合1測(cè)定的土壤蒸發(fā)量均高于組合2，這可能是存在直射太陽(yáng)，PVC外筒(組合1)微型蒸滲儀導(dǎo)熱性差，熱量無(wú)法徑向傳遞，雖然未做封底處理，但壤黏土中水分的垂直運(yùn)動(dòng)比壤土要小，阻止了熱量的垂直傳遞，引起土壤熱量的集聚，測(cè)定的土壤蒸發(fā)量增大[22]。

圖3 不同材料微型蒸滲儀測(cè)定的日平均土壤蒸發(fā)量(2016年)

圖4為不同尺寸微型蒸滲儀測(cè)定的土壤蒸發(fā)量。圖4表明，尺寸較大的微型蒸滲儀測(cè)定的蒸發(fā)量最大，大中小3個(gè)尺寸測(cè)定的平均土壤蒸發(fā)量分別為2.7、2.1和1.6 mm/d。土壤含水量較大時(shí)差別尤為明顯，這與Klocke等的研究結(jié)果一致[25]。

圖4 不同尺寸微型蒸滲儀測(cè)定的玉米棵間日平均土壤蒸發(fā)量(2016年)

2.4 不同材料組合和不同尺寸微型蒸滲儀測(cè)定的玉米土壤蒸發(fā)量比較

采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同材料組合和不同尺寸微型蒸滲儀的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3和表4所示，從表3可以看出，材料組合的F檢驗(yàn)的結(jié)果不顯著，尺寸的顯著，二者交互作用不顯著，這說(shuō)明不同的材料組合對(duì)微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)量影響不顯著(Pr<0.19),而尺寸大小對(duì)微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)量的影響極為顯著(Pr<0.001)。表4表明，不同尺寸的Duncan方差分組均不同，說(shuō)明不同尺寸的微型蒸滲儀測(cè)定玉米土壤蒸發(fā)量有顯著差異。直徑越大的微型蒸滲儀測(cè)定的蒸發(fā)量的土壤面積越大，也越具有代表性，因此，在條件允許情況下應(yīng)使用盡可能大直徑的微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)量。

表3 不同尺寸和材料的交互作用

表4 不同尺寸微型蒸滲儀測(cè)定玉米土壤蒸發(fā)量的Duncan檢驗(yàn)

2.5 不同尺寸微型蒸滲儀測(cè)定的冬小麥土壤蒸發(fā)量的季節(jié)變化

圖5表明，冬小麥的土壤蒸發(fā)量在0.3～4.6 mm/d之間，拔節(jié)期和成熟期葉面積指數(shù)較小，降雨后土壤蒸發(fā)量會(huì)明顯增大，達(dá)到3～4 mm/d，而在抽穗灌漿和成熟期，葉面積指數(shù)較大，土壤蒸發(fā)量維持在1 mm/d。表5為不同尺寸微型蒸滲儀測(cè)定冬小麥土壤蒸發(fā)量的方差分析，從表5可以看出，不同尺寸的微型蒸滲儀Duncan檢驗(yàn)分組均在同一組中，說(shuō)明不同尺寸微型蒸滲儀對(duì)測(cè)定冬小麥土壤蒸發(fā)量影響不顯著。這與西北地區(qū)砂土和華北壤土中不同尺寸對(duì)微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)影響不顯著的結(jié)果一致[21, 22, 26]。

圖5 不同尺寸微型蒸滲儀測(cè)定冬小麥棵間日平均土壤蒸發(fā)量

尺寸Duncan分組均值/(mm·d-1)N大A1.2689中A1.0191小A1.22100

通過(guò)不同材料不同尺寸微型蒸滲儀分別測(cè)定玉米的土壤蒸發(fā)量，發(fā)現(xiàn)采用PVC外筒或者鐵皮外筒對(duì)整個(gè)生育期的土壤蒸發(fā)量測(cè)定影響不顯著，而不同尺寸的微型蒸滲儀對(duì)土壤蒸發(fā)量影響顯著。土壤蒸發(fā)量大小與土壤含水量，葉面積指數(shù)，天氣狀況等有關(guān)[19]。在玉米田中試驗(yàn)表明，微型蒸滲儀的尺寸大小也會(huì)對(duì)蒸散量產(chǎn)生影響。在環(huán)境變化日益加劇情況下[27]，直徑大的微型蒸滲儀測(cè)定的土壤蒸發(fā)量更有代表性，因此建議使用大直徑的微型蒸滲儀測(cè)定玉米的土壤蒸發(fā)量。綜合玉米和冬小麥的微型蒸滲儀測(cè)定土壤蒸發(fā)量結(jié)果，建議采用直徑125 mm的鐵皮或者PVC外筒，直徑118或114 mm的鐵皮內(nèi)桶測(cè)定土壤蒸發(fā)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了南京地區(qū)不同材料和尺寸微型蒸滲儀測(cè)定玉米與冬小麥土壤蒸發(fā)量的季節(jié)變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)兩次降雨間的土壤蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，玉米和冬小麥的最大日土壤蒸發(fā)量為6.0和4.6 mm/d，在生育盛期，作物葉面積指數(shù)大，晴天天氣條件下的土壤蒸發(fā)量也均較小，玉米和冬小麥分別維持在1.5和1.0 mm/d。

(2)采用PVC外筒或者鐵皮外筒對(duì)整個(gè)生育期的玉米土壤蒸發(fā)量測(cè)定影響不顯著，而大直徑的微型蒸滲儀測(cè)定玉米土壤蒸發(fā)量顯著高于小直徑，不同直徑微型蒸滲儀對(duì)測(cè)定冬小麥土壤蒸發(fā)量影響不顯著。

(3)依據(jù)不同材料和型號(hào)土壤蒸發(fā)量的比較，建議采用直徑125 mm的鐵皮或者PVC外筒，直徑118或114mm的鐵皮內(nèi)桶測(cè)定南京地區(qū)玉米和冬小麥的棵間土壤蒸發(fā)量。本研究可為實(shí)際測(cè)定蒸發(fā)蒸騰量提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，為準(zhǔn)確模擬耗水量，制定合理灌溉制度提供指導(dǎo)。

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