基于微型蒸發(fā)器估算不同作物棵間蒸發(fā)的研究進(jìn)展

關(guān) 婷，樊明壽，賈立國

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010019）

0 引言

棵間蒸發(fā)在農(nóng)田水量平衡和能量平衡計(jì)算中占有十分重要的地位，是農(nóng)田作物蒸散的主要組成部分，農(nóng)田灌溉管理、作物產(chǎn)量估計(jì)及土壤水分預(yù)報(bào)等許多問題都與蒸發(fā)量緊密相關(guān)?？瞄g蒸發(fā)屬于無效耗水，減少棵間蒸發(fā)對提高農(nóng)田水分利用效率和節(jié)約用水具有重要意義[1]，所以，選用一種簡便、準(zhǔn)確的測量工具對于測定作物棵間蒸發(fā)十分重要。

微型蒸發(fā)器是由大型蒸滲儀簡化而來，屬于微型蒸滲儀[2]。1982年，BOAST和ROBERTSON[3]首次提出應(yīng)用銅制微型蒸發(fā)器測量土面蒸發(fā)，隨著研究的深入，微型蒸發(fā)器既可以測定裸土土面蒸發(fā)，也可用于測定冠層下的土壤蒸發(fā)[2]。微型蒸發(fā)器因操作簡單，耗時短且成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于直接測量土壤蒸發(fā)。

1 微型蒸發(fā)器的影響因素

常規(guī)的微型蒸發(fā)器一般由內(nèi)筒和外筒組成，外筒直徑一般略大于內(nèi)筒直徑，內(nèi)外筒高度一致。外筒不封底，內(nèi)筒有封底和不封底2種情況。

1.1 微型蒸發(fā)器的材質(zhì)

銅制材料的微型蒸發(fā)器是由BOAST和ROBERTSON[3]首次提出的；隨著研究的不斷深入，劉春偉等[4]分別使用鐵制和PVC材質(zhì)的微型蒸發(fā)器研究不同材料的微型蒸發(fā)器測定玉米和小麥的土壤蒸發(fā)量。高曉飛[5]分別使用不銹鋼、PVC材質(zhì)的微型蒸發(fā)器研究長度和口徑對土壤蒸發(fā)測量值的影響。目前研究者一般會選擇非金屬材料制作微型蒸發(fā)器，因?yàn)闊崃總鲗?dǎo)會影響微型蒸發(fā)器內(nèi)的水分蒸發(fā)[6]。研究表明，在砂土上使用PVC材料的微型蒸發(fā)器可以減少土壤溫度對蒸發(fā)的影響，因?yàn)镻VC的導(dǎo)熱性與土壤比較接近，所以PVC材料的測定結(jié)果相對合理[7]。

1.2 微型蒸發(fā)器的尺寸

微型蒸發(fā)器在不同土壤類型中，使用尺寸亦不同。研究表明，測量砂土蒸發(fā)采用直徑為15 cm的微型蒸發(fā)器效果較好，壤土使用直徑為10 cm的微型蒸發(fā)器較為理想，高度一般以20 cm為宜[6]。孫宏勇[7]研究發(fā)現(xiàn)微型蒸滲儀高度5 cm和15 cm相比，15 cm是比較理想的長度。劉春偉等[4]研究發(fā)現(xiàn)不同尺寸的微型蒸滲儀測定土壤蒸發(fā)量存在顯著性差異，建議采用直徑為12.5 cm的鐵皮或者PVC外筒，直徑為11.8、11.4 cm的鐵皮內(nèi)筒測定玉米和冬小麥的棵間土壤蒸發(fā)量。因?yàn)橥寥乐兴值恼舭l(fā)主要集中在淺土層，所以微型蒸發(fā)器的高度范圍一般為15～20 cm、直徑范圍一般在10～15 cm更適宜。

1.3 微型蒸發(fā)器是否封底

吳友杰[8]采用微型蒸滲儀測定裸土和覆膜條件下玉米農(nóng)田土壤蒸發(fā)量，同時應(yīng)用莖流計(jì)-水量平衡法[E(F-B)]對測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)在西北干旱地區(qū)采用底部紗網(wǎng)封底不換土的微型蒸滲儀更好，且具有制作簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對作物破壞性小等優(yōu)點(diǎn)。馬富亮[9]用微型蒸發(fā)器測定東北典型黑土區(qū)土壤蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn)，使用不封底的微型蒸發(fā)器測定土壤蒸發(fā)會更準(zhǔn)確，若研究區(qū)域雨水較多，可以使用封底的微型蒸發(fā)器。李王成等[6]研究發(fā)現(xiàn)微型蒸發(fā)器的制作材料和是否封底對蒸發(fā)測量存在顯著性影響，建議在西北旱區(qū)采用PVC不封底的微型蒸發(fā)器。在實(shí)際操作的過程中建議封底，如果不封底，在稱量時底部容易漏土，建議采用紗布封底，既可以解決透水透氣的問題，又可以避免漏土造成誤差。

1.4 其他因素

孫宏勇等[10]通過微型蒸發(fā)器測定小麥棵間蒸發(fā)，發(fā)現(xiàn)棵間蒸發(fā)不僅與能量密切相關(guān)，同時還與土壤含水量和葉面積指數(shù)有密切關(guān)系。氣象因素中相對濕度、飽和水汽壓差和輻射同土壤蒸發(fā)有密切關(guān)系。因此利用微型蒸發(fā)器對作物的棵間蒸發(fā)進(jìn)行測定時，要進(jìn)行多方面的考慮。陳雨清等[11]利用自制微型蒸發(fā)器探究淮北平原砂姜黑土區(qū)夏玉米棵間蒸發(fā)，發(fā)現(xiàn)溫度和土壤含水量是影響棵間蒸發(fā)的主要因素；其次是微型蒸發(fā)器本身是否封底。陳珩等[12]研究發(fā)現(xiàn)影響綠洲小麥間作玉米的棵間蒸發(fā)的主要因素是土壤含水量、土壤溫度、葉面積指數(shù)及小麥留茬覆蓋等。艾鵬睿等[13]研究干旱區(qū)滴灌棗棉間作模式下棗樹棵間蒸發(fā)，發(fā)現(xiàn)太陽輻射、土壤含水量、棉花葉面積指數(shù)等都會影響棵間蒸發(fā)，同時單、間作棵間蒸發(fā)存在顯著差異，且總體上單作高于間作。曹勇等[14]研究不同控光條件下玉米耗水規(guī)律時發(fā)現(xiàn)春玉米的棵間蒸發(fā)隨光照強(qiáng)度的減弱而減小。研究表明微型蒸發(fā)器的測量值在降雨后偶爾出現(xiàn)負(fù)值，這是由于雨水進(jìn)入儀器內(nèi)部造成的，除此之外雨后空氣濕度大，夜間作物的葉面和土壤表面有凝結(jié)水形成也會造成儀內(nèi)的水量消耗常出現(xiàn)負(fù)值[15]。

2 微型蒸發(fā)儀對蒸發(fā)量的估算

首先將內(nèi)筒打入土中鉆取原狀土，取出底部削平，然后將內(nèi)筒與外筒一起放入土孔中。每天在固定的時間取出內(nèi)筒，利用電子天平稱重。然后放回，2次稱量結(jié)果之差即為蒸發(fā)水量損失。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通常每隔4～5天更換原狀土，降雨或灌溉后及時換土，避免微型蒸發(fā)器內(nèi)形成積水[16-19]，計(jì)算蒸發(fā)量(mm)公式如式(1)所示。

其中W為2次稱量差值(g)，h為微型蒸發(fā)器高度(mm)，R為內(nèi)筒半徑(mm)[20]。

當(dāng)微型蒸發(fā)器的直徑為11 cm時，微型蒸發(fā)器中的土樣每減少1 g相當(dāng)于蒸發(fā)水分0.1052 mm[21-23]。

3 微型蒸發(fā)器的應(yīng)用

微型蒸發(fā)器因具有操作簡單、造價低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為測量作物棵間蒸發(fā)的一種常用工具，被廣泛應(yīng)用于溫室蔬菜、大田作物等研究中，并取得了顯著成果。通過文獻(xiàn)資料收集，歸納總結(jié)了微型蒸發(fā)器在不同作物上的應(yīng)用效果。

3.1 微型蒸發(fā)器在溫室蔬菜中的應(yīng)用效果

溫室是中國設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要栽培方式，主要用途是蔬菜栽培。溫室蔬菜解決了中國冬季蔬菜供應(yīng)短缺的問題，滿足了廣大人民的生活需求。隨著溫室蔬菜的不斷推廣，種植面積也不斷擴(kuò)大，種植戶為了追求利益最大化，肥大水勤已經(jīng)成為主要管理方式，帶來了一系列的問題。因此量化溫室蔬菜的灌溉量，不僅可以節(jié)約水資源，提高肥料的利用率，還可以減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[24]。

微型蒸發(fā)器在溫室蔬菜的研究表明：溫室蘿卜全生育期的日平均棵間土壤蒸發(fā)量為0.79～0.90 mm/d，棵間蒸發(fā)總量占總耗水量的比例在37.73%～41.71%；溫室白菜全生育期的日棵間土壤蒸發(fā)在0.81～0.85 mm/d之間，棵間土壤蒸發(fā)量占總耗水量的39.57%～42.03%[25-26]；地表和地下滴灌條件下溫室辣椒日均耗水量分別為2.55～3.30、2.43～2.70 mm/d，日均棵間蒸發(fā)量分別為1.79～2.28、1.53～1.93 mm/d，日均蒸騰量分別為0.76～1.32、0.77～0.90 mm/d[27]。除此之外，楊宜等[28]利用稱重式蒸滲儀和微型土壤蒸發(fā)器相結(jié)合的方法測定了溫室秋茬茄子的蒸散量和棵間蒸發(fā)，量化了溫室秋茬茄子全生育期的蒸散量為254.91 mm，其中蒸騰和棵間蒸發(fā)分別為134.97 mm和119.54 mm，占總蒸散量的53.1%和46.9%，全生育期植株的蒸騰量與土壤蒸發(fā)量分別為1.12 mm/d和1.00 mm/d。

綜上所述，在日均耗水量中棵間蒸發(fā)占比較大，溫室內(nèi)不同蔬菜的棵間蒸發(fā)量占總蒸散量的40%左右。

3.2 微型蒸發(fā)器在小麥上的應(yīng)用效果

小麥?zhǔn)侵袊闹饕Z食作物，量化小麥的蒸散量對于緩解小麥主產(chǎn)區(qū)灌溉用水壓力具有重要意義[29-31]。

以冬小麥為例，梁文清[32]利用大型蒸滲儀和小型棵間蒸發(fā)器相結(jié)合的方法，獲得冬小麥總蒸發(fā)蒸騰量為360.974 mm，棵間蒸發(fā)量為115.808 mm，日平均蒸發(fā)強(qiáng)度0.49 mm/d；而劉浩等[33]在不同種植模式下獲得的冬小麥日棵間蒸發(fā)結(jié)果為0.63 mm/d，越冬期間棵間蒸發(fā)強(qiáng)度維持較低水平，返青后日蒸發(fā)速率迅速增大，最高達(dá)到1.68 mm。王建東[34]在華北平原利用自制微型蒸發(fā)器對秸稈覆蓋滴灌冬小麥返青期進(jìn)行了測定，結(jié)果表明2014年和2015年覆蓋滴灌蒸發(fā)量分別為0.84、0.853 mm/d，不覆蓋下的棵間蒸發(fā)量為1.33、1.24 mm/d。在春小麥研究中發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋、秸稈覆蓋、無覆蓋條件下的棵間蒸發(fā)分別為1.09、0.83、1.30 mm/d[35]。王莉等[36]在控光對小麥耗水特性的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)小麥整個生育期內(nèi)自然光照、避蔭率22%、避蔭率49%、避蔭率57%、避蔭率70%處理的蒸散量為218.94、213.28、195.48、178.51、174.35 mm；棵間蒸發(fā)量為62.92、56.80、50.24、50.57、47.24 mm；日平均蒸發(fā)強(qiáng)度分別為1.23、1.05、0.88、0.80、0.71 mm/d。在覆蓋試驗(yàn)中馬莉[37]發(fā)現(xiàn)不同的覆蓋方式對小麥棵間蒸發(fā)量有影響，在小麥全生育期內(nèi)平均每天土壤棵間蒸發(fā)分別為對照處理0.8 mm/d；秸稈覆蓋處理0.55 mm/d；石子覆蓋處理0.58 mm/d；地膜覆蓋處理0.48 mm/d。全生育期蒸散量小麥在對照、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、石子覆蓋下的蒸發(fā)量分別為567.37、492.89、487.80、511.55 mm。

冬小麥生育期長，棵間蒸發(fā)主要集中于返青期間，所以全生育期日棵間蒸發(fā)強(qiáng)度低；而春小麥生育期較短，所以日棵間蒸發(fā)強(qiáng)度高。光照和覆蓋模式也會影響棵間蒸發(fā)。

3.3 微型蒸發(fā)器在玉米上的應(yīng)用效果

劉小飛[38]、趙秀金[39]等利用微型蒸發(fā)器對玉米的棵間蒸發(fā)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，棵間蒸發(fā)主要集中苗期，隨著植株葉面積逐漸增大，蒸騰作用增強(qiáng)，棵間蒸發(fā)所占比例逐漸減小。王巧梅等[40]利用微型蒸發(fā)器對不同密度玉米群體的耗水特性研究發(fā)現(xiàn)高、中、低密度下玉米全生育期棵間蒸發(fā)總量分別為181.5、210.6、238.2 mm，所以選擇適宜的種植密度在一定程度上可以抑制作物的棵間蒸發(fā)?，F(xiàn)階段玉米品種眾多，將品種間耗水量進(jìn)行歸一化對于量化玉米的耗水量具有重要意義。陳江魯[42]利用微型蒸發(fā)器確定了新疆地區(qū)不同滴灌量不同品種高產(chǎn)玉米的全生育期棵間蒸發(fā)量的范圍為141.8～182.8 mm。通過前人研究發(fā)現(xiàn)，在適宜的種植密度下，不同品種間，全生育期露地種植的玉米棵間蒸發(fā)量為140～180 mm左右[39,41-42]，覆蓋條件下的棵間蒸發(fā)量范圍為100～129 mm[41,44]。研究發(fā)現(xiàn)光照會影響玉米的棵間蒸發(fā)，春玉米全生育期在自然光下的日平均棵間蒸發(fā)強(qiáng)度為2.00 mm/d，相對于遮光38%、遮光55%、遮光77%處理分別增加9.17%、19.62%、29.34%[14]。于慶峰等[45]發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋可以減少玉米的棵間蒸發(fā)，隨秸稈覆蓋量的增加，棵間土壤蒸發(fā)量呈現(xiàn)減小趨勢，且當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到10 t/hm2時，對棵間土壤水分蒸發(fā)的抑制作用開始呈現(xiàn)減弱趨勢。在不同秸稈的覆蓋量下玉米的全生育期耗水量為399.61～350.5 mm，棵間蒸發(fā)量為47.59～109.23 mm。

在上述研究可以得出玉米的棵間蒸發(fā)受密度、品種、覆蓋條件、光照等因素的影響。

3.4 微型蒸發(fā)器在其他作物上的應(yīng)用效果

王亮[46]研究地膜殘留量對新疆地區(qū)棉田蒸散量及棵間蒸發(fā)，試驗(yàn)結(jié)果表明在不同殘膜量0、225、450 kg/hm2下，生育期平均棵間蒸發(fā)分別為149.06、158.33、171.26 mm。王興繁等[47]采用自制微型蒸發(fā)器測定大田棉花的棵間蒸發(fā)，探究棉花田蒸散和棵間蒸發(fā)的變化規(guī)律，結(jié)果表明，棉田蒸散強(qiáng)度與棵間蒸發(fā)強(qiáng)度呈單峰曲線變化，花鈴期達(dá)到最大；棵間蒸發(fā)占棉田蒸散量的比例先減小后增加，花鈴期達(dá)到最小。棉花生育期內(nèi)棵間蒸發(fā)占蒸散量的比例為16.49%。劉棟[48]通過研究長沙地區(qū)的油茶林地發(fā)現(xiàn)，土壤蒸發(fā)總量為192.15 mm，日均為1.05 mm；不同空間位置上，陽面、絕對陰面、相對陰面的土壤蒸發(fā)量依次減少，平均值分別為1.14、0.98、0.94 mm/d。王幼奇等[49]利用中型稱重式蒸滲儀和微型蒸滲儀相結(jié)合的方法，定量化谷子全生育期蒸散量，結(jié)果表明谷子全生育期蒸散量為269 mm，棵間蒸發(fā)量為118 mm。張永勝等[15]對甜椒農(nóng)田蒸散量的研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)灌溉、固定隔溝灌溉和交替隔溝灌溉下甜椒全生育期蒸散量分別為700.51、521.01、516.72 mm，棵間蒸發(fā)量分別為394.5、286.3、278.3 mm。在利用微型蒸發(fā)器測量干旱區(qū)葡萄園棵間蒸發(fā)時發(fā)現(xiàn)，不同水分處理不同位置上的土面蒸發(fā)受滴灌帶布置方式及葡萄受陽光射區(qū)域的影響表現(xiàn)為坡的土面蒸發(fā)最大，溝次之，壟的土面蒸發(fā)最低；各水分處理在生育期內(nèi)不同位置上的土面蒸發(fā)強(qiáng)度呈現(xiàn)由大到小的變化規(guī)律；高、中、低3種水分處理的逐日累積土面蒸發(fā)值分別為221.7、151.6、129.8 mm[50]。

綜上所述，耕作方式和土壤中的殘膜都會成為影響作物棵間蒸發(fā)的因素。

3.5 微型蒸發(fā)器在間作作物上的應(yīng)用效果

高陽等[51]利用微型蒸發(fā)器研究玉米和大豆間作模式下的棵間蒸發(fā)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，棵間蒸發(fā)值因間作模式的變化而變化。1行玉米和3行大豆的間作群體內(nèi)，玉豆條帶行間的棵間蒸發(fā)高于大豆條帶行間；2行玉米和3行大豆間作模式下，玉米條帶行間的棵間蒸發(fā)高于其他2種條帶。與此同時，2種間作模式下整體棵間蒸發(fā)量存在差異，1:3間作的累積土面蒸發(fā)值為63.10 mm，2:3間作的累積土面蒸發(fā)值為69.31 mm。但是彭宵[52]在利用微型蒸發(fā)器研究玉豆套作發(fā)現(xiàn)，套作各行間棵間蒸發(fā)量結(jié)果均表現(xiàn)為大豆行＞玉豆行＞玉米行，差異顯著，大豆行棵間蒸發(fā)量較玉豆行、玉米行分別高出2.88%、11.27%。這可能是因?yàn)殚g作模式不同而造成的。在麥玉間作中發(fā)現(xiàn)，不施氮間作小麥土面蒸發(fā)量在全生育期棵間蒸發(fā)量為130.2 mm，顯著高于其他處理。不施氮間作玉米在全生育期土面蒸發(fā)量最大，達(dá)165.66 mm，土面蒸發(fā)量占耗水量的比例最高。同時玉米條帶的棵間蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于小麥條帶[53]。艾瑞鵬[13]在棗棉間作模式中發(fā)現(xiàn):棗樹在充分灌溉條件下，單作棵間土壤蒸發(fā)占總蒸散量的50%，間作棵間土壤蒸發(fā)占總蒸散量的48%，單、間作棵間土壤蒸發(fā)差異明顯，間作相比于單作，可以減少約32 mm土壤蒸發(fā)量。

綜上所述，間作模式、施氮量和灌溉量的不同都會引起棵間蒸發(fā)量的差異。所以適宜的施肥量和灌溉量會減少棵間蒸發(fā)，間作相比于單作也會減少棵間蒸發(fā)。

4 微型蒸發(fā)器存在的問題

目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的微型蒸發(fā)器多以圓柱形為主，廣泛應(yīng)用于平作作物中。壟作作物是否可以沿用圓柱形微型蒸發(fā)器?微型蒸發(fā)器該放置在什么位置?如果分別放置壟上、壟側(cè)、壟中，蒸發(fā)量如何計(jì)算?其次測量壟作作物的蒸散量，是否需要改變微型蒸發(fā)器的形狀，是否可以考慮使用與壟型相同的微型蒸發(fā)器?雖然微型蒸發(fā)器應(yīng)用廣泛，但是還存在許多問題需要解決。

5 展望

隨著中國糧食種植重心北移，北方成為中國的主要糧食產(chǎn)區(qū)，而水資源是限制北方農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，因此量化不同作物的蒸散量十分重要。現(xiàn)階段測量作物蒸散量的儀器及方法層出不窮，但因價格昂貴、操作復(fù)雜，需要參數(shù)較多而導(dǎo)致實(shí)施困難；雖然可以利用彭曼公式計(jì)算作物蒸散量，根據(jù)作物系數(shù)計(jì)算作物實(shí)際蒸散量，但是不同地區(qū)的作物系數(shù)存在著一定的差異。

微型蒸發(fā)器因價格便宜、操作簡單等優(yōu)勢，而被廣泛使用。同時微型蒸發(fā)器可以將作物的蒸騰和棵間蒸發(fā)分割，量化出不同作物的土壤棵間蒸發(fā)，可以為干旱半干旱的地區(qū)的水資源合理管控提供基礎(chǔ)參數(shù)。但是壟作作物該如何使用微型蒸發(fā)器還有待研究。