摘 要：一臺用于測定農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)和地下水—土壤水轉(zhuǎn)化的新型稱重式蒸滲儀在中國科學(xué)院禹城試驗站建造完成，并連續(xù)數(shù)年成功運行。新型蒸滲儀主要有以下特點：(1)蒸滲儀精度0.016mm，可同時準(zhǔn)確測量蒸騰蒸發(fā)量和地下水對土壤水的補給量與入滲量；(2)蒸滲儀面積3.14m2，深度5m，充分允許農(nóng)作物根系發(fā)育與吸水、土壤水和地下水水分轉(zhuǎn)化、地下水位變化等過程的進(jìn)行，可以較好的代表大田的情形；(3)蒸滲儀的供排水系統(tǒng)能夠在蒸滲儀內(nèi)模擬實際地下水位變化；(4)土柱重30～34Mg，包含非飽和與飽和土壤，土壤質(zhì)地以粉沙和輕壤為主。自1998年10月至1999年6月冬小麥生長期蒸滲儀運行結(jié)果表明：在冬小麥生長期，當(dāng)?shù)叵滤?.6～2.4m變動時地下水對土壤水的補給量約占總蒸騰蒸發(fā)量的16.6%.過多的灌溉量不僅削弱了地下水對土壤水的補給，而且多余的灌溉水下滲補給地下水。中子儀和負(fù)壓計數(shù)據(jù)表明潛水對土壤的水分分布和土水勢分布有很大影響。

關(guān)鍵詞：GSPAC系統(tǒng)；蒸滲儀；蒸騰蒸發(fā)；水分轉(zhuǎn)化；土壤水；地下水

　　在地下水淺埋區(qū)，地下水、土壤水和大氣水聯(lián)系密切、轉(zhuǎn)化頻繁，潛水參與和影響了SPAC系統(tǒng)的水分、生物、化學(xué)等過程。為此筆者提出將SPAC系統(tǒng)與地下水層納入到同一體系中，構(gòu)成地下水層—土壤—植物—大氣連續(xù)體(GSPAC)系統(tǒng)[1]。GSPAC系統(tǒng)的界面水分轉(zhuǎn)化包括蒸騰蒸發(fā)、地下水對土壤水的補給和降水對地下水的入滲補給等是農(nóng)田水分平衡的重要組成。水分運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的深入研究使得定量測定水分轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)方法尤為必要。

　　蒸滲儀已經(jīng)成為測定蒸騰蒸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)試驗儀器[2-4]。Aboukhaled等，Marek等和Howell等對蒸滲儀的設(shè)計、建造和應(yīng)用進(jìn)行了回顧與總結(jié)[2,5,6]。蒸滲儀的應(yīng)用大致可分為三個方面：(1)測定蒸騰蒸發(fā)量，或蒸騰量和蒸發(fā)量，研究農(nóng)作物的耗水規(guī)律[6～10]；(2)和其它儀器一起測定土壤水中各種化學(xué)成分的含量，研究化肥和農(nóng)藥等對土壤水和地下水的作用與影響[11～14]；(3)測定土壤水向下的滲漏量，研究土壤水量平衡和地下水補給[15～18]。在地下水淺埋區(qū)，對于水文過程研究蒸滲儀的深度應(yīng)該容許農(nóng)作物的生長與吸水、土壤水運動、地下水與土壤水的水分轉(zhuǎn)化、地下水位變化等過程的進(jìn)行。限于其研究目的與深度，目前還沒有一臺蒸滲儀同時考慮這些水文過程。考慮地下水作用的蒸滲儀均是在固定地下水位條件下工作的，這與隨時空而變的地下水位的實際情形是不符合的。蒸滲儀設(shè)計的主要困難在于大的稱量同時又要求小的感量。為了獲得更高的精度，需要較大的土柱面積與深度比值[7]。因此，已有的蒸滲儀盡管多數(shù)精度為0.02～0.05mm，但很少超過2.5m的土壤深度。

　　禹城地區(qū)位于山東省境內(nèi)的黃河下游沖積平原上。受引黃水影響，區(qū)內(nèi)地下水埋深較淺，常年在0.2m到4.2m之間變動。由于地下水埋深淺，地下水和土壤水的交換轉(zhuǎn)化關(guān)系十分活躍。為了深入研究該區(qū)農(nóng)田水分運移轉(zhuǎn)化規(guī)律，我們設(shè)計和建造了一臺新型蒸滲儀。這臺蒸滲儀對以前的蒸滲儀功能進(jìn)行了擴展，能夠同時測定騰發(fā)量和地下水對土壤水的補給量，這樣就可以鑒別在淺埋深地下水作用下作物的耗水模式。本文旨在描述新型蒸滲儀的設(shè)計和結(jié)構(gòu)，在敘述過程中，強調(diào)了滿足本區(qū)特別條件的設(shè)計要求；同時，對蒸滲儀的運行結(jié)果進(jìn)行了初步分析。

1 蒸滲儀測量原理

　　對于蒸滲儀中被分離的土柱，其水量平衡方程為

         式中ΔS為土壤蓄存水量的變化量，P為降水量，I為灌溉量，Q為地下水流，ΔR為凈地表徑流量，ET為蒸騰蒸發(fā)量。

　　對于蒸滲儀，ΔR一般可忽略，方程(1)可改寫為

  　降水量(P)和灌溉量(I)很容易由雨量計和水表直接測得。土壤蓄存水量的變化量(ΔS)代表降水或灌溉后水分的增加，或蒸騰蒸發(fā)作用導(dǎo)致水分的損失，較難測量。我們設(shè)計了一臺高精度的稱重系統(tǒng)來測定ΔS.

　　地下水流Q代表由蒸滲儀供排水系統(tǒng)供進(jìn)和排出土柱的水量。在地下水位不發(fā)生變化時，加入到土柱的水量為地下水對土壤水的補給量(Eg)，Eg=Q，由土柱排出的水量為地下水補給量(Rg),Rg=Q.如果大田中地下水位發(fā)生了變化，為了保持儀器內(nèi)水位與大田水位一致，須向土柱內(nèi)加入或排出一定水量，地下水對土壤水的補給量與入滲量可由其間接計算得出。如果地下水位上升了ΔH

　　a和b為由吸水和脫水試驗測定的系數(shù)。實際上，a=b=Δθ，Δθ為地下水位上升或下降時含水量的變化，可由中子水分儀測得。

2 蒸滲儀的設(shè)計與結(jié)構(gòu)

　　新型蒸滲儀位于山東省禹城綜合試驗站。蒸滲儀的結(jié)構(gòu)與已有蒸滲儀的結(jié)構(gòu)不同，包括主體系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。蒸滲儀的俯視圖與側(cè)剖面圖如圖1.

圖1 蒸滲儀俯視圖與側(cè)視圖                       圖2 蒸滲儀稱重系統(tǒng)測量原理示意圖

2.1 主體系統(tǒng) 蒸滲儀的主體系統(tǒng)是指裝有飽和非飽和土柱的鋼筒、外壁以及土壤中的測試儀器。土柱表面積為3.14m2,可以種植1500株小麥或21株玉米。土柱深達(dá)5m，以滿足土壤剖面上地下水位不斷變動的要求。地下水位最深為4.2m，是1985年5月5日觀測到的。3.14m2的表面積和5m深的土壤深度使得蒸滲儀的水分運動條件與大田類似。鋼筒采用物理力學(xué)性質(zhì)較好的16mm厚的城市給排水鋼管。底部采用3.14m2×16mm圓形鋼板。鋼筒內(nèi)裝4.5m厚的當(dāng)?shù)厝劳?，其下?.5m厚的反濾層(圖1).鋼筒上端高出土柱表面約10cm.

　　土壤是從蒸滲儀旁大田中按10cm一層分層挖出，分層拌勻后再按原來層次依次回填，浸水壓實。土壤主要由粉沙和輕壤組成。經(jīng)過數(shù)年運轉(zhuǎn)，土壤容重已與原容重非常為接近。土壤容重為1.27～1.41Mg/m3.底部反濾層由粗沙和卵石組成。

　　土柱中的測試儀器包括負(fù)壓計、中子水分儀、鹽分傳感器、土壤溶液提取器和溫度計等。各儀器埋設(shè)深度(單位：cm)如下：

　　負(fù)壓計：20，40，50，60，70，80，90，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300，330，360，390，420，450

　　鹽分傳感器：5，15，25，40，70，110，160，220

　　溶液提取器：30，50，100，150，200

　　溫度計：0，10，20，30，40，60，100，150，200

　　中子水分儀：可測定小于4.5m深度任意點的含水量。

2.2 稱重系統(tǒng) 蒸滲儀鋼筒與土柱重約30Mg，當(dāng)土壤含水量增大時，重量也隨之增大，最重可達(dá)34Mg.盡管如此重的土柱，蒸滲儀要求有較高的分辨率。在禹城地區(qū)，年潛在蒸騰蒸發(fā)量為900～950mm，平均日蒸騰蒸發(fā)量只有2.6mm.據(jù)此，蒸滲儀的分辨率是按0.02mm設(shè)計的。如果采用普通的稱重系統(tǒng)，具有3.14m2土柱面積和5m土壤剖面深度的蒸滲儀的精度將大大降低。我們與長春試驗機研究所合作研制的機械稱重系統(tǒng)成功地解決了這一難題。

　　該機械稱重系統(tǒng)采用柔性支撐承受土柱的基礎(chǔ)荷載，采用杠桿傳力，位移傳感器顯示位移變化。圖2表明了稱重系統(tǒng)的測量原理。圖中，α為杠桿擺角。當(dāng)土壤含水量發(fā)生變化時，ΔS=Pli-Pli+1，杠桿擺角也相應(yīng)發(fā)生變化，Δα=αi-αi+1，這相當(dāng)于Δm=mi-mi+1，Δm可由位移傳感器測得。測量結(jié)果顯示，ΔS和Δm呈良好得線性關(guān)系：

式中ΔS以mm水深表示蒸滲儀重量變化，1mm=62.8g,Δm為位移傳感器讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)變化值。

2.3 供排水系統(tǒng) 蒸滲儀將其內(nèi)地下水與大田地下水分離開來，但實際上，蒸滲儀內(nèi)外的地下水是一體的。為了模擬地下水的實際狀態(tài)，需向蒸滲儀內(nèi)加入或排出一定水量使內(nèi)外地下水位保持一致。我們所設(shè)計的供排水系統(tǒng)可以實現(xiàn)這一功能。供排水系統(tǒng)包括供水箱、排水箱、Mariotte瓶和供排水管道。Mariotte瓶可以沿豎直導(dǎo)軌上下移動通過向蒸滲儀內(nèi)加入或排出一定水量控制蒸滲儀內(nèi)地下水位。加入或排出的水量由供水箱和排水箱測量得出。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 供水箱和排水箱的讀數(shù)由人工讀出。稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可由人工或自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得。自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信號放大器和數(shù)據(jù)采集器組成。通過一組位移傳感器和兩個壓力傳感器，信號放大器能夠探測位移與壓力變化，然后通過電路放大，再將這些數(shù)字信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器采用16位單處理片作為CPU控制板，采用E2PROM(8K)作為數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)。它可以儲存256個或10d的測量數(shù)據(jù)。RS-232將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴C或計算機。

3 蒸滲儀測試與校驗

　　蒸滲儀建造完成后我們對蒸滲儀的量程、穩(wěn)定性、重復(fù)性和敏感性進(jìn)行了測試和校驗。在測試中，蒸滲儀地下水埋深固定在2.1m，供排水系統(tǒng)關(guān)閉，表面覆蓋以防止蒸發(fā)。量程的測試采用依次加載已知重量的砝碼20～3000Kg然后再依次減載的方法，測試結(jié)果如圖3(a)(b)。測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(R2＞0.999).為了測試其穩(wěn)定性，在2h內(nèi)向蒸滲儀加載3000Kg，然后每30min測量讀數(shù)。從圖3(c)可以得出，蒸滲儀在短時間內(nèi)添加大負(fù)荷后在3h內(nèi)就可穩(wěn)定。當(dāng)加載或減載小負(fù)荷(＜200Kg)時，稱重系統(tǒng)不顯示滯后性。蒸滲儀的敏感性采用依次加載和減載100g、200g、200g、300g、200g、1000g、1000g、2000g的方法來測試的(圖3(d).結(jié)果表明，稱重系統(tǒng)的絕對分辨率為100g，實際分辨率為50g，相當(dāng)于0.016mm水深。測試還表明，當(dāng)加入蒸滲儀的負(fù)荷不均勻分布時稱重系統(tǒng)表現(xiàn)出易變性，說明大風(fēng)和偏載對測量結(jié)果有一定的影響。

圖3 蒸滲儀測試結(jié)果

4 結(jié)果與討論

　　從1998年10月8日至1999年6月7日采用蒸滲儀對冬小麥生長期進(jìn)行了測量。小麥品種為植選1號，前茬為夏玉米。試驗是在天然降水和現(xiàn)行灌溉制度條件下進(jìn)行的。

4.1 水量平衡 在冬小麥生長期，農(nóng)田水平衡中最主要的支出項農(nóng)田騰發(fā)量累計為456.66mm.用于供給農(nóng)田蒸散量以滿足冬小麥耗水的水分來源有三種：天然降水、地下水對土壤水的補給和人工灌溉。冬小麥生長期為一年中的干旱季節(jié)，累計降水量僅為115.30mm，占農(nóng)田蒸散量的25.3%.由此可見，冬小麥的需水規(guī)律與天然降水時間分布有著很大矛盾，天然降水量遠(yuǎn)不能滿足冬小麥的耗水需要。地下水對土壤水的補給在一定程度上緩解了冬小麥需水的緊張程度。冬小麥生長期地下水埋深在1.60～2.40m之間變動，地下水對土壤水的補給量累計可達(dá)75.61mm，約占農(nóng)田蒸散量的16.6%，這樣在冬小麥的耗水量中有相當(dāng)比例是由地下水所“貢獻(xiàn)”的。天然降水量和地下水對土壤水的補給量之和為190.91mm，為農(nóng)田蒸散量的41.8%.為了保證冬小麥的用水需求，還必須進(jìn)行人工灌溉。人工灌溉以地下水為水源，累計灌溉水量為275.31mm，成為冬小麥生長期間土壤水分的主要補給來源。

圖4 冬小麥生長期地下水對地下水的補給量、地下水入滲量、蒸散量和降水量+灌溉量累計變化曲線

圖5 地下水對土壤水的補給量、地下水入滲量和冬小麥蒸散量逐日變化 圖6 蒸騰蒸發(fā)與地下水對土壤水補給日變化

4.2 蒸騰蒸發(fā)和地下水對土壤水補給日變化 在冬小麥抽穗期典型的晴天對蒸騰蒸發(fā)和地下水對土壤水的補給的日變化進(jìn)行了觀測。地下水對土壤水的補給變化比蒸騰蒸發(fā)變化平緩、穩(wěn)定(圖6).太陽輻射、風(fēng)速和云量對蒸騰蒸發(fā)速率影響很大，但對地下水補給土壤水的影響間接并且微弱。與蒸騰蒸發(fā)速率相比較，地下水對土壤水的補給表現(xiàn)出一定的滯后性。

4.3 土壤水分和土水勢 圖7是蒸滲儀內(nèi)實測土壤水勢剖面。1999年5月11日至12日灌水107.18mm，5月18日降水14.90mm，5月25日降水23.0mm.灌水前(5月6日～5月11日)土壤呈單一蒸發(fā)型水勢分布；灌水開始后，上部土水勢迅速變大，水分向下入滲，而下部土水勢還未受影響，地下水向上運動補給土壤水；隨著土壤水分下滲，所形成的入滲型零通量面不斷下移，土壤水勢分布也由聚合型(5月12日)變?yōu)閱我蝗霛B型(5月14日)；隨著農(nóng)田蒸散作用的進(jìn)行，上部土水勢逐漸變小，分散型零通量面下移，一定時間后(5月21日)又恢復(fù)到蒸發(fā)型水勢分布；兩次降水使得土壤水勢反復(fù)變化，但最終成為單一蒸發(fā)型水勢分布(5月31日).這表明，在淺埋深地下水存在條件下，灌溉或降水形成的土壤水分入滲在短時間內(nèi)超過非飽和帶，對地下水進(jìn)行補給，灌溉或降水停止后，隨蒸騰蒸發(fā)的進(jìn)行土壤水分消耗后又得到地下水的回歸補給，構(gòu)成作物覆蓋田間的潛水蒸發(fā)，形成在作物覆蓋條件下降水(灌水)—土壤水—地下水—土壤水—植物水—大氣水連續(xù)的水分過程。

　　圖8是同期土壤水分剖面。從圖中可以看出，在淺埋深地下水作用下，潛水面以上存在著毛細(xì)水帶(張力飽和帶)，深度在80cm以下的土壤由于得到毛細(xì)水的補給，體積含水量變化較小，80cm以上的土壤含水量受降雨、棵間蒸發(fā)和作物根系吸水的影響變化較大。

圖7 土壤水勢剖面                圖8 土壤水分剖面

5 結(jié)論

　　本文描述了一臺用于測定蒸騰蒸發(fā)和地下水—土壤水轉(zhuǎn)化的新型蒸滲儀。蒸滲儀有如下特點：(1)蒸滲儀精度0.016mm，可同時準(zhǔn)確測量小時蒸騰蒸發(fā)量和地下水對土壤水的補給量與入滲量；(2)蒸滲儀面積3.14m2，深度5m，充分允許農(nóng)作物根系發(fā)育與吸水、土壤水和地下水水分轉(zhuǎn)化、地下水位變化等過程的進(jìn)行，可以較好的代表大田的情形；(3)蒸滲儀的供排水系統(tǒng)能夠在蒸滲儀內(nèi)模擬實際地下水位變化；(4)土柱重30～34Mg，包含非飽和與飽和土壤，土壤質(zhì)地以粉沙和輕壤為主。新型蒸滲儀為農(nóng)田水分過程研究提供了一種更系統(tǒng)更綜合的測量工具，在地下水淺埋區(qū)農(nóng)田水分系統(tǒng)研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　采用蒸滲儀對8個月的冬小麥生長期進(jìn)行了觀測，通過分析可得到如下幾點認(rèn)識：(1)淺埋深地下水對土壤水分分布和水勢變化具有很大的影響，農(nóng)田蒸散量中有相當(dāng)比例是由潛水蒸發(fā)所貢獻(xiàn)的。潛水對土壤水的補給和天然降水一起構(gòu)成了冬小麥蒸散作用所需水分的天然補給；(2)為了保證冬小麥的正常生長，必須進(jìn)行水分的人工補給。現(xiàn)行的漫灌方式存在著兩方面的問題：一方面灌溉時間不盡合理，在冬小麥生長的局部階段水分供應(yīng)不足，不能滿足冬小麥的耗水需求，另一方面一次灌溉量偏大，導(dǎo)致水分的深層滲漏；(3)目前的灌溉沒有考慮地下水對土壤水的補給作用，過多的灌溉量不僅會削弱地下水對土壤水的補給，而且多余的灌溉水還會下滲補給地下水，造成動力能源的損耗。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊建鋒，李寶慶，李運生，等。淺地下水埋深區(qū)潛水對SPAC系統(tǒng)作用的初步研究[J]。水利學(xué)報，1999，(7)：27～32.

[2] Howell T A,Schneider A D,Jensen M E.History of lysimeter design and use for evapotranspiration measurements[C]。In Proceedings of the International Symposium on Lysimeters for Evapotranspiration and Environmental Measurements,eds.R Allen,T Howell,W Pruitt,I Walter and M Jensen.Honolulu,HI:IR Div,ASAE.1991,1～9.

[3] Young M H,Wierenga P J,Mancino C F.Monitoring near-surface soil water storage in Turfgrass using time domain reflectometry and weighing lysimetry[J]。Soil Sci.Soc.Am.J,1997,(61):1138～1146.

[4] Prueger J H,Hatfield J L, Aase J K,Pikul J L.Bowen-ratio comparisons with lysimeter evapotranspiration[J]。Agron.J,1997,(89):730～736.

[5] Aboukhaled A,Alfaro A,Smith M.Lysimeters.Food and Agr.Org.of the United Nations,FAO Irrig.and Drain[M]。1982,39.

[6] Marek T H,Schneider A D,Howell T A,Ebeling L L.Design and construction of large weighing monolithic lysimeters[J]。Trans.ASAE.1988,31(2):477～484.

[7] Pruitt W O,Angus D E.Large weighing lysimeter for measuring evapotranspiration[J]。Trans.ASAE,1960,(3):13～15.

[8] Ritchie J T,Burnett E.A precision weighing lysimeter for row crop water use studies[J]。Agron.J.1968,(60):545～549.

[9] Dugas W A,Upchurch D R,Ritchie J T.A weighing lysimeter for evapotranspiration and root measurement[J]。Agron.1985,(77):821～825.

[10] Klocke N L,Heermann D F,Duke H R.Measurement of evaporation and transpiration with lysimeters.Trans[J]。ASAE,1985,(28):183～192.

[11] Jones M B,Streetm J E,Williams W A.Leaching and uptake of nitrogen applied to annual grass and clover-grass mixtures in lysimeters[J]。Agron.J,1974,(66):256～258.

[12] Klocke N L,Hergert G W,Todd R W,Watts D G.Percolation lysimeters for water quality sampling[M]。In Proceedings of the International Symposium on Lysimeters for Evapotranspiraton and Environmental Measurements,eds.R G Allen,T A Howell,W Pruitt,I Walter and M Jensen.Honolulu,HI:IR Div,ASAE.1991,299～308.

[13] Klocke N L,Todd R W,Hergert G W,Watts D G,Parkhurst A M.Design,installation,and performance of percolation lysimeters for water quality sampling[J]。Tran.ASAE,1993,(36):429～435.

[14] Martin E G,Loudon T L,Ritchie J T,Werner A.Use of drainage lysimeters to evaluate nitrogen and irrigation management strategies to minimize nitrate leaching in maize production［J］。Trans.ASAE.1994,(37):79～83.

[15] Kirkham R R,Gee G W,Jones T L.Weighing lysimeters for long-term water balance investigations at remote sites[J]。Soil Sci.Soc.Am.J.1984,(48):1203～1205.

[16] Young M H,Wierenga D J,Maneino C F.Large weighing lysimeters for water use and deep percolation studies[J]。Soil Science.1996,(161):491～501.

[17] Wu J,Zhang R,Yang J.Analysis of rainfall-recharge relationships[J]。Hydrol.1996,(177):143～160.

[18] Ayars J E,Mead R M,Soppe R,Clark D A,Schoneman R A.Weighing lysimeters for shallow groundwater management studies[M]。In Proceedings of the International Conference on Evapotranspiration and Irrigation Schedule.1996,825～830。

來源：劉士平，楊建鋒，李寶慶，李運生.新型蒸滲儀及其在農(nóng)田水文過程研究中的應(yīng)用