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(duì)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(jì)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(yàn)來(lái)開展，運(yùn)用到的設(shè)備技術(shù)多種多樣，有各類型蒸滲儀和渦動(dòng)相關(guān)儀，有各種土壤水分測(cè)試儀，有光譜遙感等領(lǐng)先技術(shù)，本文實(shí)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(cè)試儀，在實(shí)際工作中，兩種儀器各有優(yōu)缺點(diǎn)，各有使用注意事項(xiàng)，研究結(jié)果可為從事灌溉試驗(yàn)研究人員提供參考。

1 基本情況

1.1 實(shí)例地點(diǎn)概況

本文作物騰發(fā)量測(cè)試實(shí)例地點(diǎn)在山西省中心灌溉試驗(yàn)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?yàn)闇貛Т箨懶园敫珊殿愋?，多年平均氣溫?.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(wú)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(yàn)站的稱重式蒸滲儀設(shè)備（本文以下簡(jiǎn)稱蒸滲儀）共有4 臺(tái)（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(cè)試滲漏量，另外，蒸滲儀還配備有自動(dòng)遮雨棚，能自動(dòng)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(shí)自動(dòng)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(cè)試儀“智墑+”（本文以下簡(jiǎn)稱智墑），智墑采用FD（高頻振蕩）原理，能監(jiān)測(cè)土壤水分（體積含水率）、溫度和電導(dǎo)率（EC），監(jiān)測(cè)深度規(guī)格100 cm，監(jiān)測(cè)探頭間隔10 cm均勻分布，儀器無(wú)需率定，測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)無(wú)需清洗，跳動(dòng)率僅十萬(wàn)分之一，與標(biāo)準(zhǔn)烘干法數(shù)據(jù)對(duì)比差異僅±2%，1 h 采集發(fā)送1 次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫耍ㄟ^平臺(tái)網(wǎng)站或微信公眾號(hào)均可查看管理設(shè)備數(shù)據(jù)，平臺(tái)還提供灌水信息、ETo 和作物根系活動(dòng)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(cè)試實(shí)例簡(jiǎn)介

本文是從春玉米灌溉需水量研究項(xiàng)目中選取一個(gè)在蒸滲儀Ⅱ當(dāng)中的處理設(shè)計(jì)做實(shí)例分析，處理按照作物最大需水量（ET=Kc×ET0，ET0用P-M公式計(jì)算）確定灌溉水量，當(dāng)累計(jì)的春玉米最大需水量∑1.2ET等于60 mm 時(shí)，及時(shí)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(shí)施底肥，拔節(jié)期追肥1 次，全生育期共灌水7 次，用水表計(jì)量。

1.4 蒸滲儀和智墑?dòng)?jì)算使用公式

1.4.1 蒸滲儀計(jì)算使用公式

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

式中：ET1-2為作物實(shí)際騰發(fā)量，mm；G1為某時(shí)段起蒸滲儀總重量，kg；G2為某時(shí)段止蒸滲儀總重量，kg；Gm為時(shí)段內(nèi)灌入蒸滲儀的水量，kg；Gp為時(shí)段內(nèi)落入蒸滲儀的降雨量，kg；G0為時(shí)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?dòng)?jì)算使用公式

智墑測(cè)試的含水率為體積含水率，用如下公式（2）計(jì)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(jì)算作物某時(shí)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(tái)蒸滲儀中蒸滲儀Ⅰ、蒸滲儀Ⅱ已經(jīng)有春玉米作物生長(zhǎng)，標(biāo)定測(cè)試比較困難，我們先對(duì)另2 臺(tái)蒸滲儀Ⅲ和蒸滲儀Ⅳ做了標(biāo)定測(cè)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(lái)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(cè)試數(shù)據(jù)，其中有2 個(gè)野點(diǎn)，野點(diǎn)率6.45%，除去野點(diǎn)數(shù)據(jù)后先運(yùn)用拉依達(dá)判據(jù)[3]，計(jì)算出29 次等精度獨(dú)立測(cè)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(cè)量值xi存在疏失誤差，將其舍棄，經(jīng)計(jì)算舍棄的個(gè)數(shù)為0，可見蒸滲儀Ⅲ的測(cè)量精度很高。

由于廠家提供資料蒸滲儀精度為600 g，我們?cè)僖笾怠?00 g，經(jīng)計(jì)算滿足條件的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為24，可見蒸滲儀Ⅲ稱重?cái)?shù)據(jù)在去除系統(tǒng)異常造成的野點(diǎn)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(duì)蒸滲儀Ⅳ做了標(biāo)定測(cè)試，經(jīng)過22.5 h 密封狀態(tài)后，獲得46 次測(cè)試數(shù)據(jù)，其中有0個(gè)野點(diǎn)，野點(diǎn)率0.0%。先運(yùn)用拉依達(dá)判據(jù)，經(jīng)計(jì)算舍棄的個(gè)數(shù)為0。再要求|di|值≤600 g，經(jīng)計(jì)算滿足條件的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為39，可見蒸滲儀Ⅳ稱重?cái)?shù)據(jù)在去除系統(tǒng)異常造成的野點(diǎn)數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率為39/46=84.78%。

這2 臺(tái)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(dòng)（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(lái)的振動(dòng)；地下室上方遮雨棚運(yùn)行時(shí)鐵軌的振動(dòng)）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(shí)際中很難排除，給數(shù)據(jù)分析工作帶來(lái)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(lái)減小或去除它們對(duì)觀測(cè)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(yàn)看，首先要對(duì)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確性標(biāo)定，在處理數(shù)據(jù)時(shí)要剔除野點(diǎn)，若在計(jì)算日耗水量、生育階段耗水量等大尺度下選取起始點(diǎn)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(gè)辦法，如果在計(jì)算半小時(shí)耗水量、數(shù)小時(shí)耗水量等小尺度下選取起始點(diǎn)數(shù)值做差法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)違背實(shí)際耗水規(guī)律的情況，所以處理數(shù)據(jù)時(shí)要結(jié)合具體情況認(rèn)真分析。

1.5.2 智墑儀器標(biāo)定

因?yàn)橹菈劼裨O(shè)在蒸滲儀內(nèi)，測(cè)得的含水率是體積含水率，若與人工取土烘干法做對(duì)比實(shí)施起來(lái)比較困難，實(shí)驗(yàn)室做對(duì)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(wú)需率定，測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)無(wú)需清洗，跳動(dòng)率僅十萬(wàn)分之一，與標(biāo)準(zhǔn)烘干法數(shù)據(jù)對(duì)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(yàn)中，常常要測(cè)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(duì)比。

2.1 田間水利用系數(shù)測(cè)試

將實(shí)例中2021年的8 次灌水情況做了測(cè)試結(jié)果分析對(duì)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(shí)的數(shù)據(jù)，蒸滲儀Ⅱ田間水利用系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 蒸滲儀Ⅱ田間水利用系數(shù)測(cè)試結(jié)果

表1 中前2 次灌水由于蒸滲儀Ⅱ的稱重?cái)?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?cái)?shù)據(jù)，這種情況研究技術(shù)人員一定要注意，要在試驗(yàn)項(xiàng)目開展前對(duì)預(yù)計(jì)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(cè)試結(jié)果見表2。

表2 智墑田間水利用系數(shù)測(cè)試結(jié)果

從表1 和表2 可以看出蒸滲儀優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)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(rùn)層是否超過自身監(jiān)測(cè)深度；蒸滲儀的稱重?cái)?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(gè)垂直立體代表點(diǎn)來(lái)反映土體的整體情況，且監(jiān)測(cè)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(cè)試的田間水利用系數(shù)小于等于100%，而通過智墑測(cè)試的田間水利用系數(shù)會(huì)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(cè)需要選擇合適的智墑監(jiān)測(cè)深度規(guī)格。

2.2 春玉米拔節(jié)前的騰發(fā)量測(cè)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(duì)這個(gè)階段的騰發(fā)量分別用蒸滲儀Ⅱ和智墑做了測(cè)試分析，表3 是選取了苗期2 個(gè)典型日間、夜間的騰發(fā)量測(cè)試結(jié)果。

表3 苗期蒸滲儀Ⅱ和智墑日間、夜間騰發(fā)量測(cè)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?yàn)椋捍穗A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(huì)凝結(jié)露水，露水帶來(lái)的稱重值增加量比騰發(fā)帶來(lái)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(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

從表3 中還可以看出智墑在2 個(gè)日間出現(xiàn)負(fù)值，2 個(gè)夜間出現(xiàn)正值，為了分析原因，我們把春玉米拔節(jié)前時(shí)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(shì)

此時(shí)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(shì)是減小的，符合實(shí)際騰發(fā)量情況；從圖5 可以看出土壤溫度總體趨勢(shì)是增大的，也符合地溫逐漸增高的實(shí)際情況。但發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(duì)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?yàn)椋夯贔D（高頻振蕩）原理技術(shù)的智墑土壤水分傳感器是通過測(cè)量土壤介電常數(shù)來(lái)?yè)Q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(cè)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(cè)量土壤體積含水率時(shí)存在明顯的溫度效應(yīng)，且測(cè)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(cè)量土壤體積含水率時(shí)，必須對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟刃拚?以提高測(cè)量結(jié)果的可靠性[5]。春玉米在拔節(jié)前這一時(shí)段正值春夏交替，晝夜溫差較大，而此時(shí)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(yáng)光照影響程度很大，溫度對(duì)含水率測(cè)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(huì)出現(xiàn)前面“波浪形”的現(xiàn)象，導(dǎo)致表3 中智墑在2 個(gè)日間出現(xiàn)負(fù)值。

圖5 智墑土壤溫度變化趨勢(shì)

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(shí)際使用過程中，我們?nèi)粲?jì)算時(shí)段尺度較小時(shí)必須考慮此因素，但計(jì)算時(shí)段尺度較大時(shí)可以忽略不計(jì)。

2.3 灌水后的騰發(fā)量測(cè)試

為了對(duì)比在灌水后的時(shí)段內(nèi)蒸滲儀和智墑測(cè)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(cè)試結(jié)果做了對(duì)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(cè)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(shí)，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(cè)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(gè)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(cè)試到就已經(jīng)被騰發(fā)掉一部分了，再加上智墑是以點(diǎn)代面，而土體內(nèi)水分空間分布不均勻，所以測(cè)試的騰發(fā)量與實(shí)際騰發(fā)量會(huì)有一定差異，從合計(jì)結(jié)果可以看出從灌水開始到5 d 后，蒸滲儀Ⅱ測(cè)得土體水分增加了22.08 mm，智墑測(cè)得土體水分增加了49.11 mm。所以，研究人員在實(shí)際工作中需要根據(jù)儀器設(shè)備特點(diǎn)再結(jié)合實(shí)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(cè)試

在作物騰發(fā)量測(cè)試試驗(yàn)當(dāng)中，我們經(jīng)常要根據(jù)生育期計(jì)算騰發(fā)量情況，實(shí)例中我們把春玉米各生育期的騰發(fā)量測(cè)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(cè)試結(jié)果

從表5 中可以看出，蒸滲儀和智墑兩種設(shè)備計(jì)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(yǔ)

本文實(shí)例中稱重式蒸滲儀和管式土壤水分儀各有自身優(yōu)缺點(diǎn)，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(cè)試深層滲漏量，稱重精度較高，但正因?yàn)榫雀叩膬?yōu)點(diǎn)，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(dòng)；高分貝噪聲；風(fēng)和露水；人或動(dòng)物對(duì)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?cái)?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(wú)法測(cè)試土體含水率，還需配套其他地埋式土壤含水率測(cè)試儀。

管式土壤水分儀受測(cè)試原理的局限，測(cè)試數(shù)據(jù)以點(diǎn)帶面，由于土壤水分在田間空間分布的不均勻，所以測(cè)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(cè)深度規(guī)格制約，監(jiān)測(cè)不到水分的深層滲漏，優(yōu)點(diǎn)是幾乎不受其他外界因素干擾，可在大田試驗(yàn)中推廣使用，測(cè)試數(shù)據(jù)也比較穩(wěn)定，且平臺(tái)自帶豐富圖表智能計(jì)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(shí)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(cè)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(huì)出現(xiàn)裂隙，管上0 cm 刻度線有時(shí)會(huì)與地面土壤不一致，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要經(jīng)常檢查及時(shí)處理。

希望本文在實(shí)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(yàn)研究人員提供借鑒參考。