基于微型蒸发器估算不同作物棵间蒸发的研究进展

关 婷，樊明寿，贾立国

（内蒙古农业大学农学院，呼和浩特 010019）

0 引言

棵间蒸发在农田水量平衡和能量平衡计算中占有十分重要的地位，是农田作物蒸散的主要组成部分，农田灌溉管理、作物产量估计及土壤水分预报等许多问题都与蒸发量紧密相关。棵间蒸发属于无效耗水，减少棵间蒸发对提高农田水分利用效率和节约用水具有重要意义[1]，所以，选用一种简便、准确的测量工具对于测定作物棵间蒸发十分重要。

微型蒸发器是由大型蒸渗仪简化而来，属于微型蒸渗仪[2]。1982年，BOAST和ROBERTSON[3]首次提出应用铜制微型蒸发器测量土面蒸发，随着研究的深入，微型蒸发器既可以测定裸土土面蒸发，也可用于测定冠层下的土壤蒸发[2]。微型蒸发器因操作简单，耗时短且成本低等优点，被广泛应用于直接测量土壤蒸发。

1 微型蒸发器的影响因素

常规的微型蒸发器一般由内筒和外筒组成，外筒直径一般略大于内筒直径，内外筒高度一致。外筒不封底，内筒有封底和不封底2种情况。

1.1 微型蒸发器的材质

铜制材料的微型蒸发器是由BOAST和ROBERTSON[3]首次提出的；随着研究的不断深入，刘春伟等[4]分别使用铁制和PVC材质的微型蒸发器研究不同材料的微型蒸发器测定玉米和小麦的土壤蒸发量。高晓飞[5]分别使用不锈钢、PVC材质的微型蒸发器研究长度和口径对土壤蒸发测量值的影响。目前研究者一般会选择非金属材料制作微型蒸发器，因为热量传导会影响微型蒸发器内的水分蒸发[6]。研究表明，在砂土上使用PVC材料的微型蒸发器可以减少土壤温度对蒸发的影响，因为PVC的导热性与土壤比较接近，所以PVC材料的测定结果相对合理[7]。

1.2 微型蒸发器的尺寸

微型蒸发器在不同土壤类型中，使用尺寸亦不同。研究表明，测量砂土蒸发采用直径为15 cm的微型蒸发器效果较好，壤土使用直径为10 cm的微型蒸发器较为理想，高度一般以20 cm为宜[6]。孙宏勇[7]研究发现微型蒸渗仪高度5 cm和15 cm相比，15 cm是比较理想的长度。刘春伟等[4]研究发现不同尺寸的微型蒸渗仪测定土壤蒸发量存在显著性差异，建议采用直径为12.5 cm的铁皮或者PVC外筒，直径为11.8、11.4 cm的铁皮内筒测定玉米和冬小麦的棵间土壤蒸发量。因为土壤中水分的蒸发主要集中在浅土层，所以微型蒸发器的高度范围一般为15～20 cm、直径范围一般在10～15 cm更适宜。

1.3 微型蒸发器是否封底

吴友杰[8]采用微型蒸渗仪测定裸土和覆膜条件下玉米农田土壤蒸发量，同时应用茎流计-水量平衡法[E(F-B)]对测量结果进行对比分析，发现在西北干旱地区采用底部纱网封底不换土的微型蒸渗仪更好，且具有制作简单，经济实用，对作物破坏性小等优点。马富亮[9]用微型蒸发器测定东北典型黑土区土壤蒸发量发现，使用不封底的微型蒸发器测定土壤蒸发会更准确，若研究区域雨水较多，可以使用封底的微型蒸发器。李王成等[6]研究发现微型蒸发器的制作材料和是否封底对蒸发测量存在显著性影响，建议在西北旱区采用PVC不封底的微型蒸发器。在实际操作的过程中建议封底，如果不封底，在称量时底部容易漏土，建议采用纱布封底，既可以解决透水透气的问题，又可以避免漏土造成误差。

1.4 其他因素

孙宏勇等[10]通过微型蒸发器测定小麦棵间蒸发，发现棵间蒸发不仅与能量密切相关，同时还与土壤含水量和叶面积指数有密切关系。气象因素中相对湿度、饱和水汽压差和辐射同土壤蒸发有密切关系。因此利用微型蒸发器对作物的棵间蒸发进行测定时，要进行多方面的考虑。陈雨清等[11]利用自制微型蒸发器探究淮北平原砂姜黑土区夏玉米棵间蒸发，发现温度和土壤含水量是影响棵间蒸发的主要因素；其次是微型蒸发器本身是否封底。陈珩等[12]研究发现影响绿洲小麦间作玉米的棵间蒸发的主要因素是土壤含水量、土壤温度、叶面积指数及小麦留茬覆盖等。艾鹏睿等[13]研究干旱区滴灌枣棉间作模式下枣树棵间蒸发，发现太阳辐射、土壤含水量、棉花叶面积指数等都会影响棵间蒸发，同时单、间作棵间蒸发存在显著差异，且总体上单作高于间作。曹勇等[14]研究不同控光条件下玉米耗水规律时发现春玉米的棵间蒸发随光照强度的减弱而减小。研究表明微型蒸发器的测量值在降雨后偶尔出现负值，这是由于雨水进入仪器内部造成的，除此之外雨后空气湿度大，夜间作物的叶面和土壤表面有凝结水形成也会造成仪内的水量消耗常出现负值[15]。

2 微型蒸发仪对蒸发量的估算

首先将内筒打入土中钻取原状土，取出底部削平，然后将内筒与外筒一起放入土孔中。每天在固定的时间取出内筒，利用电子天平称重。然后放回，2次称量结果之差即为蒸发水量损失。为保证试验数据的准确性，通常每隔4～5天更换原状土，降雨或灌溉后及时换土，避免微型蒸发器内形成积水[16-19]，计算蒸发量(mm)公式如式(1)所示。

其中W为2次称量差值(g)，h为微型蒸发器高度(mm)，R为内筒半径(mm)[20]。

当微型蒸发器的直径为11 cm时，微型蒸发器中的土样每减少1 g相当于蒸发水分0.1052 mm[21-23]。

3 微型蒸发器的应用

微型蒸发器因具有操作简单、造价低等诸多优点，已经成为测量作物棵间蒸发的一种常用工具，被广泛应用于温室蔬菜、大田作物等研究中，并取得了显著成果。通过文献资料收集，归纳总结了微型蒸发器在不同作物上的应用效果。

3.1 微型蒸发器在温室蔬菜中的应用效果

温室是中国设施农业的主要栽培方式，主要用途是蔬菜栽培。温室蔬菜解决了中国冬季蔬菜供应短缺的问题，满足了广大人民的生活需求。随着温室蔬菜的不断推广，种植面积也不断扩大，种植户为了追求利益最大化，肥大水勤已经成为主要管理方式，带来了一系列的问题。因此量化温室蔬菜的灌溉量，不仅可以节约水资源，提高肥料的利用率，还可以减少环境风险[24]。

微型蒸发器在温室蔬菜的研究表明：温室萝卜全生育期的日平均棵间土壤蒸发量为0.79～0.90 mm/d，棵间蒸发总量占总耗水量的比例在37.73%～41.71%；温室白菜全生育期的日棵间土壤蒸发在0.81～0.85 mm/d之间，棵间土壤蒸发量占总耗水量的39.57%～42.03%[25-26]；地表和地下滴灌条件下温室辣椒日均耗水量分别为2.55～3.30、2.43～2.70 mm/d，日均棵间蒸发量分别为1.79～2.28、1.53～1.93 mm/d，日均蒸腾量分别为0.76～1.32、0.77～0.90 mm/d[27]。除此之外，杨宜等[28]利用称重式蒸渗仪和微型土壤蒸发器相结合的方法测定了温室秋茬茄子的蒸散量和棵间蒸发，量化了温室秋茬茄子全生育期的蒸散量为254.91 mm，其中蒸腾和棵间蒸发分别为134.97 mm和119.54 mm，占总蒸散量的53.1%和46.9%，全生育期植株的蒸腾量与土壤蒸发量分别为1.12 mm/d和1.00 mm/d。

综上所述，在日均耗水量中棵间蒸发占比较大，温室内不同蔬菜的棵间蒸发量占总蒸散量的40%左右。

3.2 微型蒸发器在小麦上的应用效果

小麦是中国的主要粮食作物，量化小麦的蒸散量对于缓解小麦主产区灌溉用水压力具有重要意义[29-31]。

以冬小麦为例，梁文清[32]利用大型蒸渗仪和小型棵间蒸发器相结合的方法，获得冬小麦总蒸发蒸腾量为360.974 mm，棵间蒸发量为115.808 mm，日平均蒸发强度0.49 mm/d；而刘浩等[33]在不同种植模式下获得的冬小麦日棵间蒸发结果为0.63 mm/d，越冬期间棵间蒸发强度维持较低水平，返青后日蒸发速率迅速增大，最高达到1.68 mm。王建东[34]在华北平原利用自制微型蒸发器对秸秆覆盖滴灌冬小麦返青期进行了测定，结果表明2014年和2015年覆盖滴灌蒸发量分别为0.84、0.853 mm/d，不覆盖下的棵间蒸发量为1.33、1.24 mm/d。在春小麦研究中发现，地膜覆盖、秸秆覆盖、无覆盖条件下的棵间蒸发分别为1.09、0.83、1.30 mm/d[35]。王莉等[36]在控光对小麦耗水特性的试验中发现小麦整个生育期内自然光照、避荫率22%、避荫率49%、避荫率57%、避荫率70%处理的蒸散量为218.94、213.28、195.48、178.51、174.35 mm；棵间蒸发量为62.92、56.80、50.24、50.57、47.24 mm；日平均蒸发强度分别为1.23、1.05、0.88、0.80、0.71 mm/d。在覆盖试验中马莉[37]发现不同的覆盖方式对小麦棵间蒸发量有影响，在小麦全生育期内平均每天土壤棵间蒸发分别为对照处理0.8 mm/d；秸秆覆盖处理0.55 mm/d；石子覆盖处理0.58 mm/d；地膜覆盖处理0.48 mm/d。全生育期蒸散量小麦在对照、地膜覆盖、秸秆覆盖、石子覆盖下的蒸发量分别为567.37、492.89、487.80、511.55 mm。

冬小麦生育期长，棵间蒸发主要集中于返青期间，所以全生育期日棵间蒸发强度低；而春小麦生育期较短，所以日棵间蒸发强度高。光照和覆盖模式也会影响棵间蒸发。

3.3 微型蒸发器在玉米上的应用效果

刘小飞[38]、赵秀金[39]等利用微型蒸发器对玉米的棵间蒸发进行研究发现，棵间蒸发主要集中苗期，随着植株叶面积逐渐增大，蒸腾作用增强，棵间蒸发所占比例逐渐减小。王巧梅等[40]利用微型蒸发器对不同密度玉米群体的耗水特性研究发现高、中、低密度下玉米全生育期棵间蒸发总量分别为181.5、210.6、238.2 mm，所以选择适宜的种植密度在一定程度上可以抑制作物的棵间蒸发。现阶段玉米品种众多，将品种间耗水量进行归一化对于量化玉米的耗水量具有重要意义。陈江鲁[42]利用微型蒸发器确定了新疆地区不同滴灌量不同品种高产玉米的全生育期棵间蒸发量的范围为141.8～182.8 mm。通过前人研究发现，在适宜的种植密度下，不同品种间，全生育期露地种植的玉米棵间蒸发量为140～180 mm左右[39,41-42]，覆盖条件下的棵间蒸发量范围为100～129 mm[41,44]。研究发现光照会影响玉米的棵间蒸发，春玉米全生育期在自然光下的日平均棵间蒸发强度为2.00 mm/d，相对于遮光38%、遮光55%、遮光77%处理分别增加9.17%、19.62%、29.34%[14]。于庆峰等[45]发现秸秆覆盖可以减少玉米的棵间蒸发，随秸秆覆盖量的增加，棵间土壤蒸发量呈现减小趋势，且当秸秆覆盖量达到10 t/hm2时，对棵间土壤水分蒸发的抑制作用开始呈现减弱趋势。在不同秸秆的覆盖量下玉米的全生育期耗水量为399.61～350.5 mm，棵间蒸发量为47.59～109.23 mm。

在上述研究可以得出玉米的棵间蒸发受密度、品种、覆盖条件、光照等因素的影响。

3.4 微型蒸发器在其他作物上的应用效果

王亮[46]研究地膜残留量对新疆地区棉田蒸散量及棵间蒸发，试验结果表明在不同残膜量0、225、450 kg/hm2下，生育期平均棵间蒸发分别为149.06、158.33、171.26 mm。王兴繁等[47]采用自制微型蒸发器测定大田棉花的棵间蒸发，探究棉花田蒸散和棵间蒸发的变化规律，结果表明，棉田蒸散强度与棵间蒸发强度呈单峰曲线变化，花铃期达到最大；棵间蒸发占棉田蒸散量的比例先减小后增加，花铃期达到最小。棉花生育期内棵间蒸发占蒸散量的比例为16.49%。刘栋[48]通过研究长沙地区的油茶林地发现，土壤蒸发总量为192.15 mm，日均为1.05 mm；不同空间位置上，阳面、绝对阴面、相对阴面的土壤蒸发量依次减少，平均值分别为1.14、0.98、0.94 mm/d。王幼奇等[49]利用中型称重式蒸渗仪和微型蒸渗仪相结合的方法，定量化谷子全生育期蒸散量，结果表明谷子全生育期蒸散量为269 mm，棵间蒸发量为118 mm。张永胜等[15]对甜椒农田蒸散量的研究发现，常规灌溉、固定隔沟灌溉和交替隔沟灌溉下甜椒全生育期蒸散量分别为700.51、521.01、516.72 mm，棵间蒸发量分别为394.5、286.3、278.3 mm。在利用微型蒸发器测量干旱区葡萄园棵间蒸发时发现，不同水分处理不同位置上的土面蒸发受滴灌带布置方式及葡萄受阳光射区域的影响表现为坡的土面蒸发最大，沟次之，垄的土面蒸发最低；各水分处理在生育期内不同位置上的土面蒸发强度呈现由大到小的变化规律；高、中、低3种水分处理的逐日累积土面蒸发值分别为221.7、151.6、129.8 mm[50]。

综上所述，耕作方式和土壤中的残膜都会成为影响作物棵间蒸发的因素。

3.5 微型蒸发器在间作作物上的应用效果

高阳等[51]利用微型蒸发器研究玉米和大豆间作模式下的棵间蒸发规律发现，棵间蒸发值因间作模式的变化而变化。1行玉米和3行大豆的间作群体内，玉豆条带行间的棵间蒸发高于大豆条带行间；2行玉米和3行大豆间作模式下，玉米条带行间的棵间蒸发高于其他2种条带。与此同时，2种间作模式下整体棵间蒸发量存在差异，1:3间作的累积土面蒸发值为63.10 mm，2:3间作的累积土面蒸发值为69.31 mm。但是彭宵[52]在利用微型蒸发器研究玉豆套作发现，套作各行间棵间蒸发量结果均表现为大豆行＞玉豆行＞玉米行，差异显著，大豆行棵间蒸发量较玉豆行、玉米行分别高出2.88%、11.27%。这可能是因为间作模式不同而造成的。在麦玉间作中发现，不施氮间作小麦土面蒸发量在全生育期棵间蒸发量为130.2 mm，显著高于其他处理。不施氮间作玉米在全生育期土面蒸发量最大，达165.66 mm，土面蒸发量占耗水量的比例最高。同时玉米条带的棵间蒸发量远大于小麦条带[53]。艾瑞鹏[13]在枣棉间作模式中发现:枣树在充分灌溉条件下，单作棵间土壤蒸发占总蒸散量的50%，间作棵间土壤蒸发占总蒸散量的48%，单、间作棵间土壤蒸发差异明显，间作相比于单作，可以减少约32 mm土壤蒸发量。

综上所述，间作模式、施氮量和灌溉量的不同都会引起棵间蒸发量的差异。所以适宜的施肥量和灌溉量会减少棵间蒸发，间作相比于单作也会减少棵间蒸发。

4 微型蒸发器存在的问题

目前农业生产上应用的微型蒸发器多以圆柱形为主，广泛应用于平作作物中。垄作作物是否可以沿用圆柱形微型蒸发器?微型蒸发器该放置在什么位置?如果分别放置垄上、垄侧、垄中，蒸发量如何计算?其次测量垄作作物的蒸散量，是否需要改变微型蒸发器的形状，是否可以考虑使用与垄型相同的微型蒸发器?虽然微型蒸发器应用广泛，但是还存在许多问题需要解决。

5 展望

随着中国粮食种植重心北移，北方成为中国的主要粮食产区，而水资源是限制北方农业发展的重要因素，因此量化不同作物的蒸散量十分重要。现阶段测量作物蒸散量的仪器及方法层出不穷，但因价格昂贵、操作复杂，需要参数较多而导致实施困难；虽然可以利用彭曼公式计算作物蒸散量，根据作物系数计算作物实际蒸散量，但是不同地区的作物系数存在着一定的差异。

微型蒸发器因价格便宜、操作简单等优势，而被广泛使用。同时微型蒸发器可以将作物的蒸腾和棵间蒸发分割，量化出不同作物的土壤棵间蒸发，可以为干旱半干旱的地区的水资源合理管控提供基础参数。但是垄作作物该如何使用微型蒸发器还有待研究。