農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)蒸散發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)探究

王艷艷 李保同 劉士余

摘要：蒸散發(fā)是地表能量平衡和水量平衡的重要組分，絕大部分的農(nóng)業(yè)用水最終以蒸散發(fā)的形式消耗，因此，農(nóng)田蒸散發(fā)的準(zhǔn)確估算對(duì)灌溉水利用率和農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展提升意義重大。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才起著至關(guān)重要的作用，本文通過(guò)讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)蒸散發(fā)實(shí)驗(yàn)，制作蒸發(fā)器，測(cè)定蒸散發(fā)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力、加深對(duì)課本知識(shí)的理解、提高教學(xué)質(zhì)量有著重要的作用，也有利于卓越工程師的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：蒸散發(fā)；土壤蒸發(fā)；水面蒸發(fā)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）27-0274-03

高等學(xué)校實(shí)施“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”是貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的高等教育和人才培養(yǎng)重大改革計(jì)劃[1]。其中包含了“卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)計(jì)劃”，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)結(jié)合“理論聯(lián)系實(shí)踐，教學(xué)結(jié)合生產(chǎn)”的辦學(xué)方針，以及立足江西，面向全國(guó)，服務(wù)“三農(nóng)”與水利行業(yè)，主動(dòng)為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)的農(nóng)業(yè)水利工程人才目標(biāo)，制定了農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，我國(guó)不斷加深對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)的研究，急需掌握相關(guān)知識(shí)體系和實(shí)踐技能的高層次人才。能夠從事節(jié)水灌溉規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理及科學(xué)研究是農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)之一。其中，農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才起著至關(guān)重要的作用[2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的重要環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與加深對(duì)課本知識(shí)的理解、提高教學(xué)質(zhì)量有著重要的作用。

然而受實(shí)驗(yàn)條件（包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)儀器）的限制，目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，鮮少有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，而設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)往往是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容[3-6]，故有必要探索農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

在當(dāng)前用水總量控制條件下，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)行有計(jì)劃的用水成為亟待解決的問(wèn)題。其關(guān)鍵是在確定作物蒸散發(fā)量的基礎(chǔ)上，確定適宜的灌溉制度。因此，如何測(cè)定蒸散發(fā)對(duì)于農(nóng)業(yè)水利工程學(xué)生的學(xué)習(xí)效果至關(guān)重要。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

蒸散發(fā)是發(fā)生在具有水分子的物理表面上的一種分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，是水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的總稱。土壤蒸發(fā)是水文循環(huán)中十分重要的過(guò)程，尤其是在農(nóng)田水循環(huán)中，土壤蒸發(fā)是蒸散發(fā)的主要組成部分?？瞄g蒸發(fā)也是蒸散發(fā)的一部分，當(dāng)作物葉面積指數(shù)較小時(shí)，在灌溉或降雨后，棵間蒸發(fā)會(huì)明顯增大[3-4]，使得農(nóng)田水管理、作物產(chǎn)量估計(jì)以及土壤水分預(yù)報(bào)等諸多問(wèn)題都和農(nóng)田蒸散量聯(lián)系緊密[5]。因此，研究土壤蒸發(fā)、作物棵間蒸發(fā)和葉面蒸騰的變化規(guī)律，對(duì)農(nóng)田作物耗水規(guī)律和農(nóng)業(yè)高效用水有著重要意義。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)

將全班學(xué)生分成四組，每組需自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并準(zhǔn)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材，制作實(shí)驗(yàn)裝置。第一組測(cè)定水稻蒸散發(fā)，第二組測(cè)定水稻棵間蒸發(fā)，第三組測(cè)定土壤蒸發(fā)，第四組測(cè)定水面蒸發(fā)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所為江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)園。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6月1日—6月10日。

（一）水稻蒸散發(fā)

1.水稻株間蒸發(fā)。學(xué)生可根據(jù)土壤水量平衡原理設(shè)計(jì)和制作小型株間蒸發(fā)器，即：在白色或無(wú)色長(zhǎng)方體無(wú)蓋塑料盒（如：長(zhǎng)×寬×高，54×20×30cm）邊緣固定一根帶有讀數(shù)的插桿，在插桿上安置一根測(cè)針，在塑料盒里放置20cm深的稻田底泥并鋪平，小型株間蒸發(fā)器制作完畢。最后將此蒸發(fā)器埋于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)園北側(cè)水田種植的水稻行間，使蒸發(fā)器中土壤面與田間土壤面持平，用于測(cè)量水稻株間蒸發(fā)。

學(xué)生于每日上午8時(shí)在此蒸發(fā)器中加5cm清水（原量），使測(cè)針針尖上下移動(dòng)，與水面正好相接，然后從測(cè)桿上讀出水位，經(jīng)24h后即翌日8時(shí)，再量器內(nèi)的水位（余量），其減小的量為水稻株間蒸發(fā)量，即

蒸發(fā)量=原量-余量

若當(dāng)日8時(shí)至翌日8時(shí)之間有降水，則

蒸發(fā)量=原量+降水量-余量

2.水稻蒸散發(fā)。第二組學(xué)生可根據(jù)土壤水量平衡原理自行設(shè)計(jì)和制作小型蒸散發(fā)器，即：在白色或無(wú)色長(zhǎng)方體無(wú)蓋塑料盒（如：長(zhǎng)×寬×高：54×40×30 cm）邊緣固定一根帶有讀數(shù)的插桿，在插桿上安置一根測(cè)針，在塑料盒里放置20cm深的稻田底泥并鋪平，小型蒸散發(fā)器制作完畢。再將此蒸散發(fā)器埋于水稻行間，使蒸散發(fā)器土壤面與田間土壤面持平，最后均勻地栽種四株長(zhǎng)勢(shì)正常的水稻，用于測(cè)量水稻蒸散發(fā)量。

學(xué)生于每日上午8時(shí)在此蒸散發(fā)器中加5cm清水，使測(cè)針針尖上下移動(dòng)，與水面正好相接，然后從測(cè)桿上讀出水位，經(jīng)24 h后即翌日8時(shí)，再量器內(nèi)的水位，其減小的量即為水稻株間蒸發(fā)量。

（二）土壤蒸發(fā)

第三組學(xué)生可根據(jù)土壤水量平衡原理自行設(shè)計(jì)和制作裸地土壤蒸發(fā)器裝置，分為內(nèi)測(cè)試桶和外套桶兩部分，均不封底。需將內(nèi)徑90 mm的長(zhǎng)硬質(zhì)塑料管（PVC）截短至200 mm，作為內(nèi)測(cè)試桶。將內(nèi)徑110 mm的長(zhǎng)硬質(zhì)塑料管（PVC）截短至200 mm，作為外測(cè)試桶。對(duì)內(nèi)測(cè)試桶和外套桶按梅花狀打孔，孔間距需小于4cm內(nèi)，孔徑以4mm為宜，然后在內(nèi)測(cè)試桶打孔以便在試驗(yàn)時(shí)用于固定提繩，最后用砂紙磨平小孔。試驗(yàn)時(shí)，將置于田間的內(nèi)測(cè)試桶取出，并將桶外壁擦拭干凈，先用小刀削平底部，再用薄塑料封底，然后用膠帶封堵側(cè)壁小孔，最后系上提繩，內(nèi)測(cè)試桶即制作完畢。之后將埋于田間的外套桶內(nèi)的土壤取出，放入內(nèi)測(cè)試桶，然后將外測(cè)試桶和內(nèi)測(cè)試桶垂直壓入到兩行作物之間的土壤中，需確保內(nèi)外桶頂面與田間的土壤表面齊平。將內(nèi)測(cè)試桶內(nèi)的表層原狀土壤取出后封底，置于田間外套桶內(nèi)進(jìn)行自然蒸發(fā)。使用電子天平進(jìn)行稱量，質(zhì)量的變化量即為棵間土壤蒸發(fā)量。3個(gè)小型棵間蒸發(fā)器為1個(gè)測(cè)定組合，每組需測(cè)量4—5d，平均值為作物棵間蒸發(fā)量[7]。此種棵間蒸發(fā)器制作簡(jiǎn)單、測(cè)量方便、造價(jià)低廉、誤差較小，克服了以往使用小型棵間蒸發(fā)器自行裝土而引起的試驗(yàn)誤差，可降低因觀測(cè)人員對(duì)某一地塊的踩踏而引起的覆蓋度變化[8-9]。

學(xué)生于每日上午8時(shí)使用精度為0.001g的電子天平稱重，當(dāng)日與翌日的重量差值即為土壤蒸發(fā)量（重量每減少1g等同于0.2147 mm）。

（三）水面蒸發(fā)

第四組學(xué)生可根據(jù)土壤水量平衡原理自行設(shè)計(jì)和制作水泥路面蒸發(fā)器。學(xué)生可選取一口徑為200mm，高度100mm的金屬圓盆，在口緣處鑲上內(nèi)直外斜的刀刃形銅圈，器旁安置倒水小嘴。為了防止鳥獸飲水，器口上安置一個(gè)上端向外張開(kāi)成喇叭狀的金屬絲網(wǎng)圈。將次蒸發(fā)器放置到能夠受到陽(yáng)光照射的水泥路面上。學(xué)生于每日（無(wú)降雨時(shí)）上午8時(shí)在上述自制蒸散器中加20mm清水，經(jīng)24h后即翌日8時(shí)，再量器內(nèi)的水量，其減小的量為蒸發(fā)量。

得出結(jié)果之后，每組學(xué)生需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并得出相應(yīng)結(jié)論（如蒸散發(fā)的影響因素）。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核

實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)可改變以往的“實(shí)驗(yàn)報(bào)告+考試成績(jī)”的做法，改為“實(shí)驗(yàn)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)+創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成績(jī)”，以便體現(xiàn)出學(xué)生的動(dòng)手能力、分析解決問(wèn)題以及創(chuàng)新能力。平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)打分需結(jié)合預(yù)習(xí)報(bào)告、出勤情況、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)操作情況。實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)以試驗(yàn)記錄、完成情況、結(jié)果分析、思考題回答情況等進(jìn)行打分。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成績(jī)按照試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及對(duì)基礎(chǔ)理論的運(yùn)用情況進(jìn)行綜合評(píng)定[10]。

對(duì)此次創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，要求每組學(xué)生在課外用兩周的時(shí)間準(zhǔn)備，每組學(xué)生用PPT匯報(bào)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果以及分析。評(píng)委為授課老師及其他小組成員，根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容講解的詳實(shí)程度、語(yǔ)言的組織和結(jié)構(gòu)、PPT設(shè)計(jì)等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打分，之后再去掉兩個(gè)最高分和兩個(gè)最低分之后，得出的平均成績(jī)即為該組的平時(shí)成績(jī)。

四、結(jié)語(yǔ)

蒸散發(fā)是地表能量平衡和水量平衡的重要組分，絕大部分的農(nóng)業(yè)用水最終以蒸散發(fā)的形式消耗，因此，農(nóng)田蒸散發(fā)的準(zhǔn)確估算對(duì)灌溉水利用率和農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展提升意義重大。學(xué)生通過(guò)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，制作蒸發(fā)器，測(cè)定蒸散發(fā)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大大地提高了創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力。通過(guò)幾年來(lái)的實(shí)踐與探索，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)和手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法與手段等對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很大的借鑒意義，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提升具有很重要的價(jià)值，也有利于卓越工程師的培養(yǎng)。

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