称重式蒸渗仪和管式土壤水分仪在作物腾发量测试实例中的应用结合

李金玉

（山西汾河灌溉管理有限公司科研服务中心山西文水032107）

0 引言

作物腾发量是作物蒸腾量与棵间蒸发量之和，是水循环和水量平衡系统不可缺少的重要组成部分,深入研究作物腾发量对于作物需水量估算、灌溉制度制定、灌溉系统规划设计等均具有重要的作用和意义。作物腾发量的研究主要通过田间灌溉试验来开展，运用到的设备技术多种多样，有各类型蒸渗仪和涡动相关仪，有各种土壤水分测试仪，有光谱遥感等领先技术，本文实例中用到的就是一种称重式蒸渗仪和一种管式土壤水分测试仪，在实际工作中，两种仪器各有优缺点，各有使用注意事项，研究结果可为从事灌溉试验研究人员提供参考。

1 基本情况

1.1 实例地点概况

本文作物腾发量测试实例地点在山西省中心灌溉试验站，位于山西省文水县刘胡兰镇，海拔高程749 m，该地所属气候为温带大陆性半干旱类型，多年平均气温为9.5℃、降雨量为450mm、蒸发量为1 563 mm（20 cm口径蒸发皿）、累积日照值为2 303.1 h、无霜期为180 d、地下水埋深在1.5～4 m 之间。土壤质地0～30 cm 为中壤土，30～90 cm 为重黏土，90～150 cm 为细砂土。0～100 cm土壤平均容重为1.49 g/cm3，田间持水率为26.9%。

1.2 设备和仪器

山西省中心灌溉试验站的称重式蒸渗仪设备（本文以下简称蒸渗仪）共有4 台（见图1、图2），由西安碧水环境新技术有限公司生产安装，蒸渗仪钢板箱体内土层深度2 m，开口面积2 m×3 m=6 m2，箱体底部有固定式称重系统，能称重测试渗漏量，另外，蒸渗仪还配备有自动遮雨棚，能自动隔离降雨的影响。蒸渗仪称重精度0.1 mm 水深（600 g），分辨力0.01 mm 水深（60 g），半小时自动采集一次数据。

图1 蒸渗仪箱体及称重系统

图2 蒸渗仪地上部分及埋设智墒

蒸渗仪土体中间埋有由东方智感（浙江）科技股份有限公司生产的一款云智能管式土壤水分测试仪“智墒+”（本文以下简称智墒），智墒采用FD（高频振荡）原理，能监测土壤水分（体积含水率）、温度和电导率（EC），监测深度规格100 cm，监测探头间隔10 cm均匀分布，仪器无需率定，测量精度高，数据无需清洗，跳动率仅十万分之一，与标准烘干法数据对比差异仅±2%，1 h 采集发送1 次数据，数据无线实时传输到云端，通过平台网站或微信公众号均可查看管理设备数据，平台还提供灌水信息、ETo 和作物根系活动等的智能分析参考，见图3。

图3 智墒原理、结构

1.3 腾发量测试实例简介

本文是从春玉米灌溉需水量研究项目中选取一个在蒸渗仪Ⅱ当中的处理设计做实例分析，处理按照作物最大需水量（ET=Kc×ET0，ET0用P-M公式计算）确定灌溉水量，当累计的春玉米最大需水量∑1.2ET等于60 mm 时，及时灌水，灌水定额60 mm。

春玉米在蒸渗仪当中按9 株×4 行种植，播前施农家肥并灌播前水，播种时施底肥，拔节期追肥1 次，全生育期共灌水7 次，用水表计量。

1.4 蒸渗仪和智墒计算使用公式

1.4.1 蒸渗仪计算使用公式

根据称重式蒸渗仪记录的逐时土体水重，然后依据水量平衡原理计算作物某时段腾发量，用如下公式（1）[1]。

式中：ET1-2为作物实际腾发量，mm；G1为某时段起蒸渗仪总重量，kg；G2为某时段止蒸渗仪总重量，kg；Gm为时段内灌入蒸渗仪的水量，kg；Gp为时段内落入蒸渗仪的降雨量，kg；G0为时段内蒸渗仪中的地表及底层排水量之和，kg；S为蒸渗仪内的水平截面积，m2。

1.4.2 智墒计算使用公式

智墒测试的含水率为体积含水率，用如下公式（2）计算土壤含水深[2]。

再通过含水深、灌水量、降水量和深层渗漏量依据水量平衡原理计算作物某时段腾发量。

1.5 设备和仪器标定

1.5.1 蒸渗仪标定

4 台蒸渗仪中蒸渗仪Ⅰ、蒸渗仪Ⅱ已经有春玉米作物生长，标定测试比较困难，我们先对另2 台蒸渗仪Ⅲ和蒸渗仪Ⅳ做了标定测试，蒸渗仪Ⅲ和蒸渗仪Ⅳ从2020年9月春玉米收获后至2021年8月一直未灌水和受降雨影响，用以保证裸土蒸渗仪土体含水率很低，几乎没有土壤水分蒸发损失，再用塑料布紧贴土面盖好，最后用密封良好的盖子将蒸渗仪上部罩住，用来防止风的干扰。

蒸渗仪Ⅲ经过15 h 密封状态后，获得31 次测试数据，其中有2 个野点，野点率6.45%，除去野点数据后先运用拉依达判据[3]，计算出29 次等精度独立测量样本数据Xi的平均值及样本标准偏差：

满足|di|≥3Sx

则认为测量值xi存在疏失误差，将其舍弃，经计算舍弃的个数为0，可见蒸渗仪Ⅲ的测量精度很高。

由于厂家提供资料蒸渗仪精度为600 g，我们再要求值≤600 g，经计算满足条件的数据个数为24，可见蒸渗仪Ⅲ称重数据在去除系统异常造成的野点数据外，数据准确率为24/29=82.76%。

我们用同样的方法对蒸渗仪Ⅳ做了标定测试，经过22.5 h 密封状态后，获得46 次测试数据，其中有0个野点，野点率0.0%。先运用拉依达判据，经计算舍弃的个数为0。再要求|di|值≤600 g，经计算满足条件的数据个数为39，可见蒸渗仪Ⅳ称重数据在去除系统异常造成的野点数据外，数据准确率为39/46=84.78%。

这2 台蒸渗仪的数据准确率平均为83.77%，经分析影响蒸渗仪准确率的原因除自身系统问题外，可能主要是称重系统所在地面的振动（离蒸渗仪设备30 m外有条公路，过往重型车辆较多，蒸渗仪地面可明显感受到车辆带来的振动；地下室上方遮雨棚运行时铁轨的振动）或高分贝偶然噪声（车辆鸣笛、烟花爆竹声等）等因素造成的，这些因素在实际中很难排除，给数据分析工作带来干扰，虽然影响因素是不可控制的，但是可以通过一定的方法来减小或去除它们对观测数据的影响,从而获得高精度的腾发量结果[4]。

目前，从使用蒸渗仪的经验看，首先要对设备进行准确性标定，在处理数据时要剔除野点，若在计算日耗水量、生育阶段耗水量等大尺度下选取起始点数值做差法还是基本能够满足研究需要的，下文中在处理蒸渗仪数据上就是使用这个办法，如果在计算半小时耗水量、数小时耗水量等小尺度下选取起始点数值做差法有时会出现违背实际耗水规律的情况，所以处理数据时要结合具体情况认真分析。

1.5.2 智墒仪器标定

因为智墒埋设在蒸渗仪内，测得的含水率是体积含水率，若与人工取土烘干法做对比实施起来比较困难，实验室做对比分析又需要一定的设备条件，所以暂按厂家提供数据资料（仪器无需率定，测量精度高，数据无需清洗，跳动率仅十万分之一，与标准烘干法数据对比差异仅±2%）作为依据。

2 数据分析

在研究腾发量的灌溉试验中，常常要测试田间水利用系数、分析作物耗水规律等，本文中将常碰到的几种情况做了分析对比。

2.1 田间水利用系数测试

将实例中2021年的8 次灌水情况做了测试结果分析对比，蒸渗仪采用灌水前后紧邻数据，智墒数据采用灌前紧邻数据和灌后含水率达到最大时的数据，蒸渗仪Ⅱ田间水利用系数测试结果见表1。

表1 蒸渗仪Ⅱ田间水利用系数测试结果

表1 中前2 次灌水由于蒸渗仪Ⅱ的称重数据变化值超过了设置量程，所以未能获取灌水后称重数据，这种情况研究技术人员一定要注意，要在试验项目开展前对预计称重变化情况掌握，合理设置蒸渗仪初始称重值。智墒田间水利用系数测试结果见表2。

表2 智墒田间水利用系数测试结果

从表1 和表2 可以看出蒸渗仪优点是可以测试出深层渗漏值，而智墒只能根据分层含水率数值判断湿润层是否超过自身监测深度；蒸渗仪的称重数据变化值反映的是土体整体情况，而智墒是通过土体中的一个垂直立体代表点来反映土体的整体情况，且监测深度未达到土体全部深度。土体中水分空间分布的不均匀性和两种设备的功能差异，使得通过蒸渗仪测试的田间水利用系数小于等于100%，而通过智墒测试的田间水利用系数会出现大于等于100%的情况，作者建议要根据土体深度和监测需要选择合适的智墒监测深度规格。

2.2 春玉米拔节前的腾发量测试

春玉米拔节前的腾发量主要以裸土和棵间蒸发量为主，我们对这个阶段的腾发量分别用蒸渗仪Ⅱ和智墒做了测试分析，表3 是选取了苗期2 个典型日间、夜间的腾发量测试结果。

表3 苗期蒸渗仪Ⅱ和智墒日间、夜间腾发量测试结果

此阶段日间和夜间的腾发量在理论上减小量应该都是正值，但从表3 中可以看出蒸渗仪Ⅱ在5月21日夜间出现负值，分析原因为：此阶段正值春夏交替，日间夜间温差较大，空气湿度也大，夜间气温下降，腾发量较小，但凌晨在蒸渗仪的铁质箱体和春玉米植株上会凝结露水，露水带来的称重值增加量比腾发带来的称重值减小量要大，而蒸渗仪称重精度较高，所以称重值减小量会出现负值。

从表3 中还可以看出智墒在2 个日间出现负值，2 个夜间出现正值，为了分析原因，我们把春玉米拔节前时段的智墒土壤水分和土壤温度分层数据做了整理分析，见图4、图5。

图4 智墒土壤水分变化趋势

此时段没有灌水和降雨，且气温逐渐升高，从图4可以看出土壤水分总体趋势是减小的，符合实际腾发量情况；从图5 可以看出土壤温度总体趋势是增大的，也符合地温逐渐增高的实际情况。但发现这个阶段在0～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 这三层土壤水分出现日间夜间“波浪形”的交替频率非常高，且与对应层次土壤温度的“波浪形”相吻合，波峰值都出现在日间16：00 左右，波谷值都出现在清晨6：00 左右，分析原因为：基于FD（高频振荡）原理技术的智墒土壤水分传感器是通过测量土壤介电常数来换算土壤体积含水率的，而温度的变化能引起土壤表观介电常数发生变化，进而使得所测的土壤体积含水率相应发生变化，所以基于FD 技术的土壤水分传感器测量土壤体积含水率时存在明显的温度效应，且测量值随温度的升高而线性增大，在昼夜或者季节温差变化较大的土壤中，采用FD 测量土壤体积含水率时，必须对测量结果进行适当的温度修正,以提高测量结果的可靠性[5]。春玉米在拔节前这一时段正值春夏交替，昼夜温差较大，而此时段的春玉米还在苗期，叶面积指数较小，地表几乎裸露，土壤耕作层（0～30 cm）的地温受太阳光照影响程度很大，温度对含水率测量值的影响效应强于土壤水分腾发造成的含水率变化值，所以就会出现前面“波浪形”的现象，导致表3 中智墒在2 个日间出现负值。

图5 智墒土壤温度变化趋势

作者认为智墒仪器厂家在温度修正处理上还需再完善，在仪器实际使用过程中，我们若计算时段尺度较小时必须考虑此因素，但计算时段尺度较大时可以忽略不计。

2.3 灌水后的腾发量测试

为了对比在灌水后的时段内蒸渗仪和智墒测试的腾发量结果，我们选取了春玉米在抽雄吐丝期灌水后6 d 内的腾发量测试结果做了对比分析，见表4。

表4 抽雄吐丝期灌水后蒸渗仪Ⅱ和智墒腾发量测试结果

从表4 可以看出，由于蒸渗仪Ⅱ称重间隔是半小时，可以很好地反映灌水后土体中水分的腾发情况，春玉米在抽雄吐丝期灌水后植株蒸腾和棵间蒸发都比较大，而且日间比夜间气温高，所以日间腾发量要比夜间的大；而智墒测试间隔是1 h，从表4 中可以看出灌水后2 d 内，管体周围土体中水分以增加为主，2 d 后才逐渐减小，由于这个阶段正值伏天，气温很高，水分还没有充分分配到土体中被智墒仪器测试到就已经被腾发掉一部分了，再加上智墒是以点代面，而土体内水分空间分布不均匀，所以测试的腾发量与实际腾发量会有一定差异，从合计结果可以看出从灌水开始到5 d 后，蒸渗仪Ⅱ测得土体水分增加了22.08 mm，智墒测得土体水分增加了49.11 mm。所以，研究人员在实际工作中需要根据仪器设备特点再结合实际情况认真分析处理数据。

2.4 春玉米各生育期的腾发量测试

在作物腾发量测试试验当中，我们经常要根据生育期计算腾发量情况，实例中我们把春玉米各生育期的腾发量测试结果做了整理，见表5。

表5 春玉米各生育期蒸渗仪Ⅱ和智墒腾发量测试结果

从表5 中可以看出，蒸渗仪和智墒两种设备计算的生育期腾发量基本一致，其中抽雄吐丝期差别较大，分析原因就是前面7月20日那次灌水情况造成的，所以，通过这两种设备的结合应用就可以帮助研究人员发现每种仪器设备使用过程中应该注意哪些方面。

3 结语

本文实例中称重式蒸渗仪和管式土壤水分仪各有自身优缺点，我们把发现的有关注意问题整理如下，供研究人员参考。

称重式蒸渗仪只有称重功能，能准确反映土体整体水分变化情况，还可以测试深层渗漏量，称重精度较高，但正因为精度高的优点，受自身系统和外界干扰影响因素就较多，比如地面的振动；高分贝噪声；风和露水；人或动物对箱体内土体或杂草等的增减干扰；施肥重量影响；箱体内植株枝叶与箱体外地面、作物等之间的相互附着影响，所以要准确记录一切能引起蒸渗仪重量变化的事件，最后称重数据还需进行检查筛选后才能使用。另外，称重式蒸渗仪无法测试土体含水率，还需配套其他地埋式土壤含水率测试仪。

管式土壤水分仪受测试原理的局限，测试数据以点带面，由于土壤水分在田间空间分布的不均匀，所以测试数据不能准确反映土体整体水分变化情况，另外受监测深度规格制约，监测不到水分的深层渗漏，优点是几乎不受其他外界因素干扰，可在大田试验中推广使用，测试数据也比较稳定，且平台自带丰富图表智能计算分析，不足的是水分数据要与温度数据结合使用，建议厂家继续完善仪器数据的修正处理。在仪器的实际应用当中，研究人员要根据需要定制合适的监测深度规格，另外，仪器管壁周围表层土壤在灌水后和雨后会出现裂隙，管上0 cm 刻度线有时会与地面土壤不一致，为了保证测试数据的准确性，需要经常检查及时处理。

希望本文在实例中发现的问题能给使用同类型仪器设备进行试验研究人员提供借鉴参考。