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    不同材料和尺寸微型蒸滲儀測定土壤蒸發(fā)量

    2018-07-09 12:36:06劉春偉邱讓建孫亞卿葛鵬程孫雨情高馬丹
    中國農(nóng)村水利水電 2018年6期

    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]。作物生長初期土壤蒸發(fā)量較大,如蘋果樹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)確測定土壤蒸發(fā),對(duì)于采取合理的措施減小作物生長初期的水分消耗,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)的土壤水分高于周圍土壤,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,可通過表土土壤含水量推算土壤蒸發(fā)量[16]。

    國內(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)封底微型蒸滲儀測定裸土蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn)3 d后誤差就過大,封底情況下最好每天換土[20],不同直徑的微型蒸滲儀測定結(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)降低測量精度,內(nèi)筒封底材料越薄、透氣性能越好精度越高。

    通過以上研究發(fā)現(xiàn),不同材料和型號(hào)的微型蒸滲儀對(duì)土壤蒸發(fā)測定結(jié)果影響較大,因此本研究擬通過設(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)行測量,通過對(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,冬小麥生育期見表1,收獲后取3塊樣地測產(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,測定周期為5 min。其中輻射為太陽總輻射,通過算術(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定土壤蒸發(fā)量,測定設(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)微型蒸滲儀稱重。降雨和灌溉后更換微型蒸滲儀中的土壤。每兩次測定重量差值為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,采用大型蒸滲儀測定玉米田總蒸發(fā)蒸騰量,采用熱平衡莖流計(jì)測定玉米植株液流量,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)加熱樹皮、木材和樹液,通過安裝在周圍的溫度傳感器來感應(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日降雨量僅為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,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30 ℃,2016年8月7日至8月20日連續(xù)14 d日均氣溫均超過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)際測定蒸發(fā)蒸騰量,采用熱平衡莖流計(jì)測定玉米莖稈液流量,大型蒸滲儀測定的土壤蒸發(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定的土壤蒸發(fā)量與大型蒸滲儀測定的日均土壤蒸發(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,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。8月1日到8月7日時(shí)一次30 mm總降雨量的降雨過程。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測定的土壤蒸發(fā)量均高于組合2,這可能是存在直射太陽,PVC外筒(組合1)微型蒸滲儀導(dǎo)熱性差,熱量無法徑向傳遞,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,測定的土壤蒸發(fā)量增大[22]。

    圖3 不同材料微型蒸滲儀測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定的土壤蒸發(fā)量。圖4表明,尺寸較大的微型蒸滲儀測定的蒸發(fā)量最大,大中小3個(gè)尺寸測定的平均土壤蒸發(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,這說明不同的材料組合對(duì)微型蒸滲儀測定土壤蒸發(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,說明不同尺寸的微型蒸滲儀測定玉米土壤蒸發(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,說明不同尺寸微型蒸滲儀對(duì)測定冬小麥土壤蒸發(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

    通過不同材料不同尺寸微型蒸滲儀分別測定玉米的土壤蒸發(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)桶測定土壤蒸發(fā)量。

    3 結(jié) 語

    本文研究了南京地區(qū)不同材料和尺寸微型蒸滲儀測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,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)量測定影響不顯著,而大直徑的微型蒸滲儀測定玉米土壤蒸發(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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