土壤蒸滲儀是研究土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)中水分運(yùn)動(dòng)的核心設(shè)備,主要用于精確測(cè)量土壤蒸發(fā)、植物蒸騰(合稱蒸散,ET)以及深層滲漏量。土壤蒸滲儀的分類主要基于稱重原理、尺度(面積和深度)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制能力等幾個(gè)方面。那么,我們根據(jù)這些方向來聊下蒸滲儀種類和特點(diǎn),歡迎交流看法,一起學(xué)習(xí)。這是目前精度較高,應(yīng)用廣泛的一類。因直接測(cè)量水量變化,精度可達(dá)到每小時(shí)0.01mm甚至更高的分辨率,能捕捉瞬時(shí)的蒸散變化。原理上說,此類是通過稱量整個(gè)土柱(包括土壤、植物、容器、支撐結(jié)構(gòu)等)的重量變化來計(jì)算水量變化。重量減少對(duì)應(yīng)于蒸散量,重量增加對(duì)應(yīng)于降水或灌溉量(扣除滲漏量)。科研學(xué)者可以根據(jù)土柱桶的高度分層選配不同類型的土壤傳感器,實(shí)現(xiàn)土壤水分、溫度、電導(dǎo)率、水勢(shì)等參數(shù)的同步測(cè)量。這樣,可以更好地研究土壤中水分運(yùn)移情況、土壤水分特征曲線、灌溉優(yōu)化等。稱重式蒸滲儀又分為直接稱重式和機(jī)械杠桿式。直稱式:采用了高精度的電子稱重傳感器,傳感器一般基于電阻應(yīng)變片式或者電磁力補(bǔ)償式。這類傳感器安裝相對(duì)靈活,對(duì)地基要求稍低(但仍需穩(wěn)固),量程和分辨率范圍廣(可通過傳感器組合實(shí)現(xiàn)),易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。缺點(diǎn)在于傳感器成本較高(尤其高精度大噸位),易受溫度漂移、電磁干擾影響,需要定期校準(zhǔn)。電磁力補(bǔ)償式精度極高,但成本非常昂貴。小型/微型的雙層桶直稱式尤受青睞。內(nèi)桶不銹鋼,外桶為PP/PE-HD/不銹鋼材質(zhì),帶下滲水測(cè)量、水位監(jiān)測(cè)和自動(dòng)排出系統(tǒng),數(shù)據(jù)也可以自動(dòng)采集器上傳云端。杠桿式:利用精密機(jī)械杠桿原理放大重量變化,通過位移傳感器(如LVDT)或光學(xué)方法讀取。杠桿式結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠,對(duì)電子設(shè)備依賴低,抗電磁干擾能力強(qiáng)。并且長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單,成本通常低于高精度電子式。缺點(diǎn)是安裝調(diào)試復(fù)雜,對(duì)地基穩(wěn)定性要求極高(微小傾斜會(huì)導(dǎo)致巨大誤差),量程和分辨率受杠桿比限制,難以做很大很深。
非稱重式蒸滲儀
主要通過測(cè)量進(jìn)出水量來估算蒸散。此類又被稱為容積式、水力式或者滲漏儀,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,可以做得很大很深。通常,在封閉土柱的底部設(shè)置滲漏液收集裝置,精確測(cè)量滲漏量。
蒸散量的計(jì)算公式:蒸散量= 輸入水量(降水+灌溉) - 滲漏量 - 土壤儲(chǔ)水量變化。土壤儲(chǔ)水量變化需要通過額外的土壤水分傳感器(如TDR, FDR等)間接測(cè)量。土壤水分傳感器的精度高低,以及水量的測(cè)量將影響結(jié)果準(zhǔn)確度。用傳感器的單點(diǎn)測(cè)量代表整個(gè)土柱體積的平均值,也會(huì)帶來誤差。自由排水式最為常見,柱體底部開放或設(shè)置濾層,模擬重力排水條件。
恒定水位控制式則通過馬氏瓶或其他自動(dòng)供水系統(tǒng),在底部維持恒定的地下水位。用于研究地下水淺埋區(qū)的蒸發(fā)或植物吸水,適合濕地等生態(tài)系統(tǒng)模擬。
負(fù)壓控制式是通過張力計(jì)和多孔板在底部施加特定的土壤水吸力,模擬特定深度的土壤基質(zhì)勢(shì)。
按照土柱來源分類
填充式,土柱是人工填充的(擾動(dòng)土或按層回填)。相對(duì)容易安裝,成本較低,但土壤結(jié)構(gòu)被破壞,代表性可能受影響,需要長(zhǎng)時(shí)間“熟化”使土壤結(jié)構(gòu)、生物和化學(xué)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。
原狀土,土柱是從野外原位切割取出的,保持了原始土壤結(jié)構(gòu)和層次。最能代表真實(shí)情況,但獲取和安裝極其困難復(fù)雜,成本高昂。
按照尺度分類
微型/小型: 面積小(<1 m2),深度淺。成本低,易于控制,常用于機(jī)理研究、參數(shù)率定或溫室。代表性有限。
標(biāo)準(zhǔn)型: 面積1-4 m2,深度1-3 m。平衡了精度、代表性、成本和可行性,應(yīng)用廣泛。
大型: 面積>10 m2,深度>3 m。能容納多株甚至小片植物群落,代表性好。但需要建設(shè)地下室,成本極高,安裝維護(hù)困難(尤其是原狀土)
選型建議
選擇哪種蒸滲儀取決于研究目標(biāo)、預(yù)算、場(chǎng)地條件和對(duì)精度/時(shí)間分辨率的要求。
需要極高精度和瞬時(shí)變化數(shù)據(jù)(如驗(yàn)證模型、研究過程機(jī)制): 首選高精度電子稱重式或機(jī)械杠桿式(小尺度)。
需要大面積或深層的監(jiān)測(cè),對(duì)瞬時(shí)精度要求不高(如區(qū)域水量平衡、灌溉管理): 非稱重式(帶土壤水分監(jiān)測(cè))或大型平衡式稱重蒸滲儀是可行選擇。
研究地下水影響: 必須選擇能控制底部水位或吸力的類型。
追求高代表性: 應(yīng)盡量選用大型原狀土蒸滲儀。
預(yù)算有限或初步研究: 填充式非稱重蒸滲儀或小型稱重式是起點(diǎn)。
總而言之,稱重式蒸滲儀是蒸散測(cè)量精度的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”,現(xiàn)代研究常結(jié)合多種方法(如蒸滲儀+渦動(dòng)相關(guān)+遙感)來互補(bǔ)驗(yàn)證和尺度擴(kuò)展。