稱重式蒸滲儀和管式土壤水分儀在作物騰發(fā)量測試實例中的應(yīng)用結(jié)合

李金玉

（山西汾河灌溉管理有限公司科研服務(wù)中心山西文水032107）

0 引言

作物騰發(fā)量是作物蒸騰量與棵間蒸發(fā)量之和，是水循環(huán)和水量平衡系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分,深入研究作物騰發(fā)量對于作物需水量估算、灌溉制度制定、灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計等均具有重要的作用和意義。作物騰發(fā)量的研究主要通過田間灌溉試驗來開展，運用到的設(shè)備技術(shù)多種多樣，有各類型蒸滲儀和渦動相關(guān)儀，有各種土壤水分測試儀，有光譜遙感等領(lǐng)先技術(shù)，本文實例中用到的就是一種稱重式蒸滲儀和一種管式土壤水分測試儀，在實際工作中，兩種儀器各有優(yōu)缺點，各有使用注意事項，研究結(jié)果可為從事灌溉試驗研究人員提供參考。

1 基本情況

1.1 實例地點概況

本文作物騰發(fā)量測試實例地點在山西省中心灌溉試驗站，位于山西省文水縣劉胡蘭鎮(zhèn)，海拔高程749 m，該地所屬氣候為溫帶大陸性半干旱類型，多年平均氣溫為9.5℃、降雨量為450mm、蒸發(fā)量為1 563 mm（20 cm口徑蒸發(fā)皿）、累積日照值為2 303.1 h、無霜期為180 d、地下水埋深在1.5～4 m 之間。土壤質(zhì)地0～30 cm 為中壤土，30～90 cm 為重黏土，90～150 cm 為細(xì)砂土。0～100 cm土壤平均容重為1.49 g/cm3，田間持水率為26.9%。

1.2 設(shè)備和儀器

山西省中心灌溉試驗站的稱重式蒸滲儀設(shè)備（本文以下簡稱蒸滲儀）共有4 臺（見圖1、圖2），由西安碧水環(huán)境新技術(shù)有限公司生產(chǎn)安裝，蒸滲儀鋼板箱體內(nèi)土層深度2 m，開口面積2 m×3 m=6 m2，箱體底部有固定式稱重系統(tǒng)，能稱重測試滲漏量，另外，蒸滲儀還配備有自動遮雨棚，能自動隔離降雨的影響。蒸滲儀稱重精度0.1 mm 水深（600 g），分辨力0.01 mm 水深（60 g），半小時自動采集一次數(shù)據(jù)。

圖1 蒸滲儀箱體及稱重系統(tǒng)

圖2 蒸滲儀地上部分及埋設(shè)智墑

蒸滲儀土體中間埋有由東方智感（浙江）科技股份有限公司生產(chǎn)的一款云智能管式土壤水分測試儀“智墑+”（本文以下簡稱智墑），智墑采用FD（高頻振蕩）原理，能監(jiān)測土壤水分（體積含水率）、溫度和電導(dǎo)率（EC），監(jiān)測深度規(guī)格100 cm，監(jiān)測探頭間隔10 cm均勻分布，儀器無需率定，測量精度高，數(shù)據(jù)無需清洗，跳動率僅十萬分之一，與標(biāo)準(zhǔn)烘干法數(shù)據(jù)對比差異僅±2%，1 h 采集發(fā)送1 次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無線實時傳輸?shù)皆贫?，通過平臺網(wǎng)站或微信公眾號均可查看管理設(shè)備數(shù)據(jù)，平臺還提供灌水信息、ETo 和作物根系活動等的智能分析參考，見圖3。

圖3 智墑原理、結(jié)構(gòu)

1.3 騰發(fā)量測試實例簡介

本文是從春玉米灌溉需水量研究項目中選取一個在蒸滲儀Ⅱ當(dāng)中的處理設(shè)計做實例分析，處理按照作物最大需水量（ET=Kc×ET0，ET0用P-M公式計算）確定灌溉水量，當(dāng)累計的春玉米最大需水量∑1.2ET等于60 mm 時，及時灌水，灌水定額60 mm。

春玉米在蒸滲儀當(dāng)中按9 株×4 行種植，播前施農(nóng)家肥并灌播前水，播種時施底肥，拔節(jié)期追肥1 次，全生育期共灌水7 次，用水表計量。

1.4 蒸滲儀和智墑計算使用公式

1.4.1 蒸滲儀計算使用公式

根據(jù)稱重式蒸滲儀記錄的逐時土體水重，然后依據(jù)水量平衡原理計算作物某時段騰發(fā)量，用如下公式（1）[1]。

式中：ET1-2為作物實際騰發(fā)量，mm；G1為某時段起蒸滲儀總重量，kg；G2為某時段止蒸滲儀總重量，kg；Gm為時段內(nèi)灌入蒸滲儀的水量，kg；Gp為時段內(nèi)落入蒸滲儀的降雨量，kg；G0為時段內(nèi)蒸滲儀中的地表及底層排水量之和，kg；S為蒸滲儀內(nèi)的水平截面積，m2。

1.4.2 智墑計算使用公式

智墑測試的含水率為體積含水率，用如下公式（2）計算土壤含水深[2]。

再通過含水深、灌水量、降水量和深層滲漏量依據(jù)水量平衡原理計算作物某時段騰發(fā)量。

1.5 設(shè)備和儀器標(biāo)定

1.5.1 蒸滲儀標(biāo)定

4 臺蒸滲儀中蒸滲儀Ⅰ、蒸滲儀Ⅱ已經(jīng)有春玉米作物生長，標(biāo)定測試比較困難，我們先對另2 臺蒸滲儀Ⅲ和蒸滲儀Ⅳ做了標(biāo)定測試，蒸滲儀Ⅲ和蒸滲儀Ⅳ從2020年9月春玉米收獲后至2021年8月一直未灌水和受降雨影響，用以保證裸土蒸滲儀土體含水率很低，幾乎沒有土壤水分蒸發(fā)損失，再用塑料布緊貼土面蓋好，最后用密封良好的蓋子將蒸滲儀上部罩住，用來防止風(fēng)的干擾。

蒸滲儀Ⅲ經(jīng)過15 h 密封狀態(tài)后，獲得31 次測試數(shù)據(jù)，其中有2 個野點，野點率6.45%，除去野點數(shù)據(jù)后先運用拉依達(dá)判據(jù)[3]，計算出29 次等精度獨立測量樣本數(shù)據(jù)Xi的平均值及樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差：

滿足|di|≥3Sx

則認(rèn)為測量值xi存在疏失誤差，將其舍棄，經(jīng)計算舍棄的個數(shù)為0，可見蒸滲儀Ⅲ的測量精度很高。

由于廠家提供資料蒸滲儀精度為600 g，我們再要求值≤600 g，經(jīng)計算滿足條件的數(shù)據(jù)個數(shù)為24，可見蒸滲儀Ⅲ稱重數(shù)據(jù)在去除系統(tǒng)異常造成的野點數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率為24/29=82.76%。

我們用同樣的方法對蒸滲儀Ⅳ做了標(biāo)定測試，經(jīng)過22.5 h 密封狀態(tài)后，獲得46 次測試數(shù)據(jù)，其中有0個野點，野點率0.0%。先運用拉依達(dá)判據(jù)，經(jīng)計算舍棄的個數(shù)為0。再要求|di|值≤600 g，經(jīng)計算滿足條件的數(shù)據(jù)個數(shù)為39，可見蒸滲儀Ⅳ稱重數(shù)據(jù)在去除系統(tǒng)異常造成的野點數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率為39/46=84.78%。

這2 臺蒸滲儀的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率平均為83.77%，經(jīng)分析影響蒸滲儀準(zhǔn)確率的原因除自身系統(tǒng)問題外，可能主要是稱重系統(tǒng)所在地面的振動（離蒸滲儀設(shè)備30 m外有條公路，過往重型車輛較多，蒸滲儀地面可明顯感受到車輛帶來的振動；地下室上方遮雨棚運行時鐵軌的振動）或高分貝偶然噪聲（車輛鳴笛、煙花爆竹聲等）等因素造成的，這些因素在實際中很難排除，給數(shù)據(jù)分析工作帶來干擾，雖然影響因素是不可控制的，但是可以通過一定的方法來減小或去除它們對觀測數(shù)據(jù)的影響,從而獲得高精度的騰發(fā)量結(jié)果[4]。

目前，從使用蒸滲儀的經(jīng)驗看，首先要對設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確性標(biāo)定，在處理數(shù)據(jù)時要剔除野點，若在計算日耗水量、生育階段耗水量等大尺度下選取起始點數(shù)值做差法還是基本能夠滿足研究需要的，下文中在處理蒸滲儀數(shù)據(jù)上就是使用這個辦法，如果在計算半小時耗水量、數(shù)小時耗水量等小尺度下選取起始點數(shù)值做差法有時會出現(xiàn)違背實際耗水規(guī)律的情況，所以處理數(shù)據(jù)時要結(jié)合具體情況認(rèn)真分析。

1.5.2 智墑儀器標(biāo)定

因為智墑埋設(shè)在蒸滲儀內(nèi)，測得的含水率是體積含水率，若與人工取土烘干法做對比實施起來比較困難，實驗室做對比分析又需要一定的設(shè)備條件，所以暫按廠家提供數(shù)據(jù)資料（儀器無需率定，測量精度高，數(shù)據(jù)無需清洗，跳動率僅十萬分之一，與標(biāo)準(zhǔn)烘干法數(shù)據(jù)對比差異僅±2%）作為依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析

在研究騰發(fā)量的灌溉試驗中，常常要測試田間水利用系數(shù)、分析作物耗水規(guī)律等，本文中將常碰到的幾種情況做了分析對比。

2.1 田間水利用系數(shù)測試

將實例中2021年的8 次灌水情況做了測試結(jié)果分析對比，蒸滲儀采用灌水前后緊鄰數(shù)據(jù)，智墑數(shù)據(jù)采用灌前緊鄰數(shù)據(jù)和灌后含水率達(dá)到最大時的數(shù)據(jù)，蒸滲儀Ⅱ田間水利用系數(shù)測試結(jié)果見表1。

表1 蒸滲儀Ⅱ田間水利用系數(shù)測試結(jié)果

表1 中前2 次灌水由于蒸滲儀Ⅱ的稱重數(shù)據(jù)變化值超過了設(shè)置量程，所以未能獲取灌水后稱重數(shù)據(jù)，這種情況研究技術(shù)人員一定要注意，要在試驗項目開展前對預(yù)計稱重變化情況掌握，合理設(shè)置蒸滲儀初始稱重值。智墑田間水利用系數(shù)測試結(jié)果見表2。

表2 智墑田間水利用系數(shù)測試結(jié)果

從表1 和表2 可以看出蒸滲儀優(yōu)點是可以測試出深層滲漏值，而智墑只能根據(jù)分層含水率數(shù)值判斷濕潤層是否超過自身監(jiān)測深度；蒸滲儀的稱重數(shù)據(jù)變化值反映的是土體整體情況，而智墑是通過土體中的一個垂直立體代表點來反映土體的整體情況，且監(jiān)測深度未達(dá)到土體全部深度。土體中水分空間分布的不均勻性和兩種設(shè)備的功能差異，使得通過蒸滲儀測試的田間水利用系數(shù)小于等于100%，而通過智墑測試的田間水利用系數(shù)會出現(xiàn)大于等于100%的情況，作者建議要根據(jù)土體深度和監(jiān)測需要選擇合適的智墑監(jiān)測深度規(guī)格。

2.2 春玉米拔節(jié)前的騰發(fā)量測試

春玉米拔節(jié)前的騰發(fā)量主要以裸土和棵間蒸發(fā)量為主，我們對這個階段的騰發(fā)量分別用蒸滲儀Ⅱ和智墑做了測試分析，表3 是選取了苗期2 個典型日間、夜間的騰發(fā)量測試結(jié)果。

表3 苗期蒸滲儀Ⅱ和智墑日間、夜間騰發(fā)量測試結(jié)果

此階段日間和夜間的騰發(fā)量在理論上減小量應(yīng)該都是正值，但從表3 中可以看出蒸滲儀Ⅱ在5月21日夜間出現(xiàn)負(fù)值，分析原因為：此階段正值春夏交替，日間夜間溫差較大，空氣濕度也大，夜間氣溫下降，騰發(fā)量較小，但凌晨在蒸滲儀的鐵質(zhì)箱體和春玉米植株上會凝結(jié)露水，露水帶來的稱重值增加量比騰發(fā)帶來的稱重值減小量要大，而蒸滲儀稱重精度較高，所以稱重值減小量會出現(xiàn)負(fù)值。

從表3 中還可以看出智墑在2 個日間出現(xiàn)負(fù)值，2 個夜間出現(xiàn)正值，為了分析原因，我們把春玉米拔節(jié)前時段的智墑土壤水分和土壤溫度分層數(shù)據(jù)做了整理分析，見圖4、圖5。

圖4 智墑土壤水分變化趨勢

此時段沒有灌水和降雨，且氣溫逐漸升高，從圖4可以看出土壤水分總體趨勢是減小的，符合實際騰發(fā)量情況；從圖5 可以看出土壤溫度總體趨勢是增大的，也符合地溫逐漸增高的實際情況。但發(fā)現(xiàn)這個階段在0～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 這三層土壤水分出現(xiàn)日間夜間“波浪形”的交替頻率非常高，且與對應(yīng)層次土壤溫度的“波浪形”相吻合，波峰值都出現(xiàn)在日間16：00 左右，波谷值都出現(xiàn)在清晨6：00 左右，分析原因為：基于FD（高頻振蕩）原理技術(shù)的智墑土壤水分傳感器是通過測量土壤介電常數(shù)來換算土壤體積含水率的，而溫度的變化能引起土壤表觀介電常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而使得所測的土壤體積含水率相應(yīng)發(fā)生變化，所以基于FD 技術(shù)的土壤水分傳感器測量土壤體積含水率時存在明顯的溫度效應(yīng)，且測量值隨溫度的升高而線性增大，在晝夜或者季節(jié)溫差變化較大的土壤中，采用FD 測量土壤體積含水率時，必須對測量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟刃拚?以提高測量結(jié)果的可靠性[5]。春玉米在拔節(jié)前這一時段正值春夏交替，晝夜溫差較大，而此時段的春玉米還在苗期，葉面積指數(shù)較小，地表幾乎裸露，土壤耕作層（0～30 cm）的地溫受太陽光照影響程度很大，溫度對含水率測量值的影響效應(yīng)強(qiáng)于土壤水分騰發(fā)造成的含水率變化值，所以就會出現(xiàn)前面“波浪形”的現(xiàn)象，導(dǎo)致表3 中智墑在2 個日間出現(xiàn)負(fù)值。

圖5 智墑土壤溫度變化趨勢

作者認(rèn)為智墑儀器廠家在溫度修正處理上還需再完善，在儀器實際使用過程中，我們?nèi)粲嬎銜r段尺度較小時必須考慮此因素，但計算時段尺度較大時可以忽略不計。

2.3 灌水后的騰發(fā)量測試

為了對比在灌水后的時段內(nèi)蒸滲儀和智墑測試的騰發(fā)量結(jié)果，我們選取了春玉米在抽雄吐絲期灌水后6 d 內(nèi)的騰發(fā)量測試結(jié)果做了對比分析，見表4。

表4 抽雄吐絲期灌水后蒸滲儀Ⅱ和智墑騰發(fā)量測試結(jié)果

從表4 可以看出，由于蒸滲儀Ⅱ稱重間隔是半小時，可以很好地反映灌水后土體中水分的騰發(fā)情況，春玉米在抽雄吐絲期灌水后植株蒸騰和棵間蒸發(fā)都比較大，而且日間比夜間氣溫高，所以日間騰發(fā)量要比夜間的大；而智墑測試間隔是1 h，從表4 中可以看出灌水后2 d 內(nèi)，管體周圍土體中水分以增加為主，2 d 后才逐漸減小，由于這個階段正值伏天，氣溫很高，水分還沒有充分分配到土體中被智墑儀器測試到就已經(jīng)被騰發(fā)掉一部分了，再加上智墑是以點代面，而土體內(nèi)水分空間分布不均勻，所以測試的騰發(fā)量與實際騰發(fā)量會有一定差異，從合計結(jié)果可以看出從灌水開始到5 d 后，蒸滲儀Ⅱ測得土體水分增加了22.08 mm，智墑測得土體水分增加了49.11 mm。所以，研究人員在實際工作中需要根據(jù)儀器設(shè)備特點再結(jié)合實際情況認(rèn)真分析處理數(shù)據(jù)。

2.4 春玉米各生育期的騰發(fā)量測試

在作物騰發(fā)量測試試驗當(dāng)中，我們經(jīng)常要根據(jù)生育期計算騰發(fā)量情況，實例中我們把春玉米各生育期的騰發(fā)量測試結(jié)果做了整理，見表5。

表5 春玉米各生育期蒸滲儀Ⅱ和智墑騰發(fā)量測試結(jié)果

從表5 中可以看出，蒸滲儀和智墑兩種設(shè)備計算的生育期騰發(fā)量基本一致，其中抽雄吐絲期差別較大，分析原因就是前面7月20日那次灌水情況造成的，所以，通過這兩種設(shè)備的結(jié)合應(yīng)用就可以幫助研究人員發(fā)現(xiàn)每種儀器設(shè)備使用過程中應(yīng)該注意哪些方面。

3 結(jié)語

本文實例中稱重式蒸滲儀和管式土壤水分儀各有自身優(yōu)缺點，我們把發(fā)現(xiàn)的有關(guān)注意問題整理如下，供研究人員參考。

稱重式蒸滲儀只有稱重功能，能準(zhǔn)確反映土體整體水分變化情況，還可以測試深層滲漏量，稱重精度較高，但正因為精度高的優(yōu)點，受自身系統(tǒng)和外界干擾影響因素就較多，比如地面的振動；高分貝噪聲；風(fēng)和露水；人或動物對箱體內(nèi)土體或雜草等的增減干擾；施肥重量影響；箱體內(nèi)植株枝葉與箱體外地面、作物等之間的相互附著影響，所以要準(zhǔn)確記錄一切能引起蒸滲儀重量變化的事件，最后稱重數(shù)據(jù)還需進(jìn)行檢查篩選后才能使用。另外，稱重式蒸滲儀無法測試土體含水率，還需配套其他地埋式土壤含水率測試儀。

管式土壤水分儀受測試原理的局限，測試數(shù)據(jù)以點帶面，由于土壤水分在田間空間分布的不均勻，所以測試數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映土體整體水分變化情況，另外受監(jiān)測深度規(guī)格制約，監(jiān)測不到水分的深層滲漏，優(yōu)點是幾乎不受其他外界因素干擾，可在大田試驗中推廣使用，測試數(shù)據(jù)也比較穩(wěn)定，且平臺自帶豐富圖表智能計算分析，不足的是水分?jǐn)?shù)據(jù)要與溫度數(shù)據(jù)結(jié)合使用，建議廠家繼續(xù)完善儀器數(shù)據(jù)的修正處理。在儀器的實際應(yīng)用當(dāng)中，研究人員要根據(jù)需要定制合適的監(jiān)測深度規(guī)格，另外，儀器管壁周圍表層土壤在灌水后和雨后會出現(xiàn)裂隙，管上0 cm 刻度線有時會與地面土壤不一致，為了保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要經(jīng)常檢查及時處理。

希望本文在實例中發(fā)現(xiàn)的問題能給使用同類型儀器設(shè)備進(jìn)行試驗研究人員提供借鑒參考。