不同材料和尺寸微型蒸渗仪测定土壤蒸发量

刘春伟，邱让建，孙亚卿，葛鹏程，孙雨情，高马丹

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2.南京信息工程大学 江苏省农业气象重点实验室，南京 210044； 3.南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044)

0 引 言

土壤蒸发量是蒸发蒸腾量ET的重要组成部分，整个生育期的土壤蒸发量可占总耗水量的24%～37%左右[1-5]。作物生长初期土壤蒸发量较大，如苹果树在生育初期平均土壤蒸发量占总ET的70%[2]，而冬小麦和玉米在生育初期比例分别为36%～97%和65%[6]。作物生长初期土壤蒸发量是ET的主要组成部分，也是水分的主要耗散途径。准确测定土壤蒸发，对于采取合理的措施减小作物生长初期的水分消耗，节约水资源有重要指导意义。

众多学者对不同材料不同直径的微型蒸渗仪测定土壤蒸发进行研究，Boast and Robertson[7]研究表明深度大于70 mm，直径76 mm的微型蒸渗仪测定的裸地土壤蒸发量误差小于0.5 mm/d，日土壤蒸发量为2～9 mm/d。同时，Evett等[8]发现深度大于300 mm，直径80 mm左右的微型蒸渗仪使用时间可达9 d，测得裸露黏壤土的土壤蒸发量在1.5～5.7 mm/d，而且封底会阻断排水，引起微型蒸渗仪内的土壤水分高于周围土壤，另外，Evett还认为PVC的热导率低，比钢质微型蒸渗仪更符合实际土壤温度的分布。而采用深度88 mm，直径105 mm的PVC微型蒸渗仪在棉花的棵间蒸发测定表明，采用白天的土壤蒸发量为1.0～2.7 mm[9]。采用深度110 mm，直径80 mm的PVC微型蒸渗仪测定旱作水稻田中土壤蒸发量为0.5～3.0 mm/d[10]。Kidron and Kronenfeld[11]对不同深度的直径158 mm的PVC微型蒸渗仪(封底)的露水和雾等非降水因素分析发现其与对照土壤有明显差异，这主要是由于热量沿侧壁传输引起的，需要对微型蒸渗仪的测定数据需要进行合理的校正才能真正反映自然土壤的蒸发量。采用深度150和80 mm，直径85和192 mm的微型蒸渗仪测定的裸地土壤蒸发量为0.5～4 mm/d[12, 13]。Salehi[14]发现用深度150 mm，直径76 mm的钢管制成的微型蒸渗仪测定灌溉后裸土蒸发量位2～5 mm/d。Walker[15]采用深度120 mm，直径76 mm的PVC微型蒸渗仪在粉黏壤土中测定初期降雨后的玉米蒸散量达4 mm/d。不同尺寸PVC微型蒸渗仪研究表明玉米的土壤蒸发量可达5 mm/d，土壤蒸发量与表层土壤含水量密切指数关系，可通过表土土壤含水量推算土壤蒸发量[16]。

国内学者对微型蒸渗仪的尺寸、材料等进行了详细的论述[17, 18]，认为微型蒸渗仪测定土壤蒸发量精度受多种因素影响，一般情况下建议微型蒸渗仪尺寸为直径56～150 mm，深度150～200 mm，侧壁材料采用导热率高的PVC，封底材料用导热性好的金属。另外，在冬小麦土壤蒸发测定表明越冬期和全生育期土壤蒸发量占总ET的65%和32%[19]。高晓飞等对封底微型蒸渗仪测定裸土蒸发量发现3 d后误差就过大，封底情况下最好每天换土[20]，不同直径的微型蒸渗仪测定结果差异不大[21]。西北和东北地区研究表明，一般情况下采用不封底的蒸渗仪更好[22, 23]。龙桃等[24]认为封底会降低测量精度，内筒封底材料越薄、透气性能越好精度越高。

通过以上研究发现，不同材料和型号的微型蒸渗仪对土壤蒸发测定结果影响较大，因此本研究拟通过设置不同材料，不同型号的微型蒸渗仪对土壤蒸发量进行测量，通过对比验证微型蒸渗仪材料和型号对土壤蒸发量的影响。本文的目的是：对比微型蒸渗仪测定土壤蒸发量与大型蒸渗仪及液流量计算的土壤蒸发量差异；分析不同材料和型号微型蒸渗仪对土壤蒸发量的测定的影响；分析玉米和冬小麦土壤蒸发量的季节变化。通过本实验研究，可得到南京地区的玉米和冬小麦的土壤蒸发量季节变化，为田间土壤水分管理提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016-2017年在南京信息工程大学农业气象综合试验站(118.8°E，32.0°N，海拔32 m)进行，试验区属亚热带季风气候区，年平均降水量1 106 mm，年平均气温为15.6 ℃，年极端气温最高为39.7 ℃，最低为-13.1 ℃，土壤类型是人为水成黄黏土。该地区自然气候资源丰富，生育期降水较多，适合夏玉米及冬小麦的生长发育。

夏玉米品种为浚单66，株行距分别为30和50 cm，生育期见表1。2016年9月1日灌水60 mm。小麦试验田面积为1 000 m2，品种为扬麦13，冬小麦生育期见表1，收获后取3块样地测产，平均产量为5 944 kg/hm2；平均千粒重为36.9 g。

表1 种植品种生育期及产量

1.2 气象数据

采用自动气象站(HOBO U30, USA)记录的辐射、风速、温湿度，测定周期为5 min。其中辐射为太阳总辐射，通过算术平均得到各气象参数的日均值。

1.3 土壤蒸发量

玉米田中采用自制的微型蒸渗仪测定土壤蒸发量，测定设置两因素分别为材料和尺寸，其中，材料内桶为铁皮，外筒材料设置2水平，分别为PVC和铁皮，这两种材料与内桶形成两种组合方式，组合1和组合2，作为材料的两种水平。尺寸因素设置3水平，共有3种大小(表2)，深度均为150 mm，每个处理3个重复，其中2个布置于两行中间，1个布置于两株中间。每天18∶00采用精度0.1 g的电子天平(PL 6001-L, Mettler Toledo Inc., Switzerland)对微型蒸渗仪称重。降雨和灌溉后更换微型蒸渗仪中的土壤。每两次测定重量差值为ΔW，则土壤蒸发E采用式(1)计算。

表2 不同材料和尺寸微型蒸渗仪处理 mm

(1)

式中：ρ为水的密度，g/cm3；D为微型蒸渗仪直径，cm。

小麦田中仅设置1种材料水平，采用组合1；尺寸仍然按照3水平，设置3种大小的微型蒸渗仪(表2)，内桶均为铁皮，内外筒高度均为150 mm，每个处理3个重复，微型蒸渗仪位置位于两行中间，每天定时测量蒸渗桶的重量，并计算土壤蒸发量。

微型蒸渗仪的安装方法如下：将内桶利用锤子、木板等工具垂直打入土壤中，将桶连带原状土提出，用滤纸和纱网包住底部，用胶带缠好；将外筒安装固定，并将内桶放入，保持内外筒与地面平齐；最后对所有不同材料尺寸的微型蒸渗仪编号。

另外，采用大型蒸渗仪测定玉米田总蒸发蒸腾量，采用热平衡茎流计测定玉米植株液流量，二者的差值为实际的土壤蒸发量。2017年，采用实际蒸发量验证材料因素为组合1，尺寸水平为大和小的微型蒸渗仪的测定结果。蒸渗仪有效蒸散面积为4 m2，原状土柱深2.6 m，分辨率0.01 mm，测量精度为0.1 mm，数据自动采集间隔为1 h。热平衡法茎流计是指在茎或枝条外面裹上一个加热套，连续加热树皮、木材和树液，通过安装在周围的温度传感器来感应茎表面的温度，依据热量平衡原理求出被液流带走的热量来计算茎秆内液体的流量。

1.4 数据统计分析

本研究采用方差分析中的Duncan检验分别评判不同材料和尺寸微型蒸渗仪之间的差异性。显著性差异的检验水平为0.05，同时对数据进行方差一致性和正态检验。

2 结果与分析

2.1 气象因素的生育期变化

图1为气象因素的季节变化，从图1(a)可以看出，2016年7月19日至9月14日降雨量仅为66 mm，持续季节干旱导致土壤含水量较低，故于9月1日灌水60 mm以保证玉米的正常生长发育。玉米生育期内总降雨量479 mm，灌溉量为60 mm，径流量约为50 mm(日降雨量超过60 mm)雨量生育期内分布不均。冬小麦生育期内总降雨量为300 mm，其中返青到成熟期降雨量为170 mm，整个生长季雨量分布较为均匀。从图1(b)可以看出，玉米的日平均气温全生育期平均为27 ℃，呈先保持稳定后逐步降低的趋势，最高可达34 ℃，出现时间为2016年7月29日；从2016年7月20日至8月1日，连续13 d日平均气温均超过30 ℃，2016年8月7日至8月20日连续14 d日均气温均超过30 ℃。玉米的生育期平均相对湿度为76%。冬小麦生育期平均气温约为12 ℃，平均相对湿度为69 %。图1(c)表明玉米田的总辐射在2016年7月21日达到最高为280 W/m2后逐步降低，而冬小麦的最高总辐射量为285 W/m2。

图1 2016年6月-2017年7月气象因素的季节变化

2.2 微型蒸渗仪测定数据与大型蒸渗仪和液流数据比较

采用大型蒸渗仪实际测定蒸发蒸腾量，采用热平衡茎流计测定玉米茎秆液流量，大型蒸渗仪测定的土壤蒸发量可以由总蒸发蒸腾量与液流量的差值得到。组合1大、小尺寸微型蒸渗仪与大型蒸渗仪测定的日均土壤蒸发量比较如图2所示。从图2(a)可以看出，组合1大尺寸微型蒸渗仪与大型蒸渗仪的符合较好，二者相关关系为y=1.03x，r2为0.86(p<0.01)。这表明组合1大尺寸微型蒸渗仪日均蒸发量测定值反映了实际土壤蒸发量的大小。图2(b)表明组合1小尺寸微型蒸渗仪测定的土壤蒸发量与大型蒸渗仪测定的日均土壤蒸发量关系不明显，且在土壤蒸发量小时明显高估，日均土壤蒸发量较大时有低估的趋势，这可能是因为小尺寸微型蒸渗仪直径较小，受外界环境影响大。

图2 微型蒸渗仪法与大型蒸渗仪液流法计算土壤蒸发量的比较

2.3 不同材料组合和不同尺寸微型蒸渗仪测定的玉米土壤蒸发量季节变化

2016年7月20日至7月31日期间无降雨，且日平均空气温度都高达30℃以上，随着土壤含水量的降低，土壤蒸发量呈逐步下降趋势。8月1日到8月7日时一次30 mm总降雨量的降雨过程。2016年8月8日，组合1和组合2降雨后的土壤蒸发量均达到生育期最大值，分别为5.6和6.0 mm/d (图3)。这是由于玉米刚刚进入拔节期，叶面积指数较小，同时温度较高，土壤水分供应充足，晴天条件下土壤蒸发量逐日降低。9月初，玉米进入抽穗开花期，株高趋于稳定，叶面积指数较大，晴天条件下土壤蒸发量为1.5 mm/d左右。从图3还可以看出，叶面积指数较小时，组合1测定的土壤蒸发量均高于组合2，这可能是存在直射太阳，PVC外筒(组合1)微型蒸渗仪导热性差，热量无法径向传递，虽然未做封底处理，但壤黏土中水分的垂直运动比壤土要小，阻止了热量的垂直传递，引起土壤热量的集聚，测定的土壤蒸发量增大[22]。

图3 不同材料微型蒸渗仪测定的日平均土壤蒸发量(2016年)

图4为不同尺寸微型蒸渗仪测定的土壤蒸发量。图4表明，尺寸较大的微型蒸渗仪测定的蒸发量最大，大中小3个尺寸测定的平均土壤蒸发量分别为2.7、2.1和1.6 mm/d。土壤含水量较大时差别尤为明显，这与Klocke等的研究结果一致[25]。

图4 不同尺寸微型蒸渗仪测定的玉米棵间日平均土壤蒸发量(2016年)

2.4 不同材料组合和不同尺寸微型蒸渗仪测定的玉米土壤蒸发量比较

采用SAS统计软件对不同材料组合和不同尺寸微型蒸渗仪的测定结果进行统计分析，结果如表3和表4所示，从表3可以看出，材料组合的F检验的结果不显著，尺寸的显著，二者交互作用不显著，这说明不同的材料组合对微型蒸渗仪测定土壤蒸发量影响不显著(Pr<0.19),而尺寸大小对微型蒸渗仪测定土壤蒸发量的影响极为显著(Pr<0.001)。表4表明，不同尺寸的Duncan方差分组均不同，说明不同尺寸的微型蒸渗仪测定玉米土壤蒸发量有显著差异。直径越大的微型蒸渗仪测定的蒸发量的土壤面积越大，也越具有代表性，因此，在条件允许情况下应使用尽可能大直径的微型蒸渗仪测定土壤蒸发量。

表3 不同尺寸和材料的交互作用

表4 不同尺寸微型蒸渗仪测定玉米土壤蒸发量的Duncan检验

2.5 不同尺寸微型蒸渗仪测定的冬小麦土壤蒸发量的季节变化

图5表明，冬小麦的土壤蒸发量在0.3～4.6 mm/d之间，拔节期和成熟期叶面积指数较小，降雨后土壤蒸发量会明显增大，达到3～4 mm/d，而在抽穗灌浆和成熟期，叶面积指数较大，土壤蒸发量维持在1 mm/d。表5为不同尺寸微型蒸渗仪测定冬小麦土壤蒸发量的方差分析，从表5可以看出，不同尺寸的微型蒸渗仪Duncan检验分组均在同一组中，说明不同尺寸微型蒸渗仪对测定冬小麦土壤蒸发量影响不显著。这与西北地区砂土和华北壤土中不同尺寸对微型蒸渗仪测定土壤蒸发影响不显著的结果一致[21, 22, 26]。

图5 不同尺寸微型蒸渗仪测定冬小麦棵间日平均土壤蒸发量

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

通过不同材料不同尺寸微型蒸渗仪分别测定玉米的土壤蒸发量，发现采用PVC外筒或者铁皮外筒对整个生育期的土壤蒸发量测定影响不显著，而不同尺寸的微型蒸渗仪对土壤蒸发量影响显著。土壤蒸发量大小与土壤含水量，叶面积指数，天气状况等有关[19]。在玉米田中试验表明，微型蒸渗仪的尺寸大小也会对蒸散量产生影响。在环境变化日益加剧情况下[27]，直径大的微型蒸渗仪测定的土壤蒸发量更有代表性，因此建议使用大直径的微型蒸渗仪测定玉米的土壤蒸发量。综合玉米和冬小麦的微型蒸渗仪测定土壤蒸发量结果，建议采用直径125 mm的铁皮或者PVC外筒，直径118或114 mm的铁皮内桶测定土壤蒸发量。

3 结 语

本文研究了南京地区不同材料和尺寸微型蒸渗仪测定玉米与冬小麦土壤蒸发量的季节变化规律。结果发现：

(1)两次降雨间的土壤蒸发量呈下降趋势，玉米和冬小麦的最大日土壤蒸发量为6.0和4.6 mm/d，在生育盛期，作物叶面积指数大，晴天天气条件下的土壤蒸发量也均较小，玉米和冬小麦分别维持在1.5和1.0 mm/d。

(2)采用PVC外筒或者铁皮外筒对整个生育期的玉米土壤蒸发量测定影响不显著，而大直径的微型蒸渗仪测定玉米土壤蒸发量显著高于小直径，不同直径微型蒸渗仪对测定冬小麦土壤蒸发量影响不显著。

(3)依据不同材料和型号土壤蒸发量的比较，建议采用直径125 mm的铁皮或者PVC外筒，直径118或114mm的铁皮内桶测定南京地区玉米和冬小麦的棵间土壤蒸发量。本研究可为实际测定蒸发蒸腾量提供试验数据支撑，为准确模拟耗水量，制定合理灌溉制度提供指导。

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