小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀系統的研制

謝永玉， 陳 冰， 徐俊增,， 李 萍， 方銘琛， 陳 曦， 魏含津， 劉笑吟

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇 南京 210098；

2.河海大學(xué) 農業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 211100；

3.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210049；
4.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

蒸發(fā)蒸騰是水循環(huán)過(guò)程中的重要環(huán)節之一，也是地球生態(tài)系統消耗水分的主要方式[1]，控制著(zhù)陸地生態(tài)系統和大氣之間的物質(zhì)和能量交換，對農業(yè)用水、水資源評價(jià)、區域干濕狀況[2]等均有影響。因此，準確地測定蒸發(fā)蒸騰量，對于制定合理的灌溉制度和排水標準，提高農田水分利用率，發(fā)展節水農業(yè)具有重要意義。

蒸滲儀作為蒸發(fā)蒸騰量地面觀(guān)測的主要方式，早在19世紀就開(kāi)始用于農田水分變化的監測[3]，經(jīng)過(guò)百年多的發(fā)展，蒸滲儀現已成為農田水利測定蒸發(fā)蒸騰的標準儀器[4]，除了用于作物蒸發(fā)蒸騰和作物系數的測定外，還用于微氣象儀器如渦度相關(guān)系統[5]、基于遙感的作物蒸發(fā)蒸騰測量方法[6]和土壤水量平衡模型[7]等的檢驗，隨著(zhù)科研工作的深入開(kāi)展，蒸滲儀更被廣泛應用于水文[8-9]、環(huán)境[10]、林業(yè)[11]等領(lǐng)域。

稱(chēng)重式蒸滲儀由于能夠通過(guò)重量測定感知測桶內短時(shí)間內的土壤水分變化，因此目前在國內外應用較多，按照其結構與測桶尺寸，可分為大型和小型兩種。大型稱(chēng)重式蒸滲儀的測桶表面積大，桶內種植的作物在數量、生理生態(tài)特征以及作物冠層結構等方面與大田相似，代表性好[12]，已被用于水稻、小麥等[13-16]作物的不同時(shí)間尺度需耗水規律及作物系數等相關(guān)研究，以及山區林地[17]、膜下滴灌[18]凝結水的測定。但上述大型稱(chēng)重式蒸滲儀普遍存在基礎質(zhì)量大、建造費用高、安裝維護及管理工藝復雜、使用環(huán)節較難對不同處理設置多個(gè)重復等問(wèn)題，因此不適合于大范圍推廣應用[12]。小型稱(chēng)重式蒸滲儀結構簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)低、可實(shí)現多個(gè)蒸滲儀連續觀(guān)測，國內外許多學(xué)者相繼使用小型蒸滲儀開(kāi)展了水分試驗研究，前期多以測定裸露土壤蒸發(fā)或作物冠層及以下土壤蒸發(fā)為主[19-20]，Dugas等[21]率先將小型蒸滲儀應用于作物蒸發(fā)蒸騰量的測定，結果表明其在測量高粱和冬小麥全生育期蒸發(fā)蒸騰總量上與大型蒸滲儀測量結果無(wú)顯著(zhù)差異；
Ruth等[22]將土壤水分狀況保持與周?chē)h(huán)境一致的小型蒸滲儀與大型蒸滲儀進(jìn)行對比，結果表明小型蒸滲儀的蒸發(fā)蒸騰量測量結果不會(huì )因其較小的尺寸而受到影響；
劉笑吟等[23]利用小型蒸滲儀測定了水稻不同時(shí)間尺度的蒸發(fā)蒸騰量，結果表明其測量結果與渦度相關(guān)系統測定結果之間具有較高的相關(guān)性。

隨著(zhù)農田作物蒸發(fā)蒸騰量研究時(shí)間尺度的進(jìn)一步縮小[24]，以及蒸滲儀被用于旱地生態(tài)系統空氣凝結水[25]、露珠、霧和霧凇的測定[26]等更精細化的研究工作的開(kāi)展，研究人員對蒸滲儀的測量分辨率要求也隨之提高。同時(shí)，傳感器作為稱(chēng)重式蒸滲儀的主要元件，具有因溫度的改變而產(chǎn)生溫度漂移的固有屬性[27]，而在實(shí)際測量工作中，傳感器往往并非在恒溫條件下工作，這將會(huì )影響傳感器的準確度，從而造成稱(chēng)重蒸滲儀出現不可避免的系統誤差。目前已知的稱(chēng)重式蒸滲儀最高分辨率為0.01 mm[20,28-30]，且沒(méi)有通過(guò)改進(jìn)蒸滲儀系統結構來(lái)修正溫度等環(huán)境因素干擾的相關(guān)研究，因此，有必要研制一種結構簡(jiǎn)單、造價(jià)低、分辨率更高且不易受溫度等外部因素干擾的稱(chēng)重蒸滲儀系統，以提升稱(chēng)重蒸滲儀的適用性。在充分吸取國內外有關(guān)稱(chēng)重式蒸滲儀特點(diǎn)的基礎上，本研究研制了小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀系統，該系統通過(guò)高精度稱(chēng)重傳感器的使用以及合理的尺寸設計提高了對水分變化的分辨率，并通過(guò)配備與蒸滲儀測桶相同尺寸和負載的密閉參考桶作為對照，來(lái)量化外部環(huán)境因素帶給稱(chēng)重系統的偏差并進(jìn)行修正，以提高稱(chēng)重蒸滲儀系統識別水分變化的準確度。

2.1 測量原理

小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀的測量原理是通過(guò)稱(chēng)重傳感器感應不同時(shí)刻蒸滲儀測桶內土體的重量，并根據水量平衡方程計算被測時(shí)間段內作物的蒸發(fā)蒸騰量或者棵間蒸發(fā)量，水量平衡方程如下[12]：

ET(或E)=I+P±Q±ΔR-ΔW

(1)

式中：ET為時(shí)段Δt內作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；
E為時(shí)段Δt內棵間蒸發(fā)量，mm；
I為時(shí)段Δt內灌溉量，mm；
P為時(shí)段Δt內降雨量，mm；
Q為時(shí)段Δt內地下水交換量，mm，發(fā)生地下水補給時(shí)為正，發(fā)生滲漏水時(shí)為負；

ΔR為時(shí)段Δt內的地表徑流量，mm，地表徑流向蒸滲儀內部補水時(shí)為正，反之取負值；

ΔW為時(shí)段始末蒸滲儀的質(zhì)量差，mm。

設計制造蒸滲儀時(shí)，盛土容器邊緣均高于地面，以防止降雨產(chǎn)生的地表積水溢出或外部水倒灌，因此在降雨量較小不發(fā)生溢出時(shí)ΔR=0；
如果發(fā)生溢出，可以通過(guò)重新選擇開(kāi)始時(shí)刻進(jìn)行推算。灌溉量I和降雨量P由灌溉水表和雨量計直接測得，也可根據灌溉和降雨發(fā)生時(shí)刻測桶重量增加值來(lái)進(jìn)行估算，ΔW由蒸滲儀的高精度稱(chēng)重傳感器測得。在大部分地中式蒸滲儀設計時(shí)，底部是密封的，而本研制中設置了專(zhuān)門(mén)的地下補水或者滲漏排出裝置，地下水交換量Q可由專(zhuān)門(mén)設計的補水排水裝置準確測定。

2.2 結構及組成

本研究設計的小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀系統由測桶、參考桶、補水排水裝置、稱(chēng)重系統、集線(xiàn)井、砝碼、連接管構成。

測桶作為盛土容器，包括內桶和外桶，均為圓形柱狀桶體，材質(zhì)為2 mm厚不銹鋼，內桶頂部一周焊有外傾防雨檐、覆蓋內外桶之間的空隙，防止雨水灌入內、外桶之間的空隙而危及底部傳感器。內桶回填原狀土并根據需求選擇種植作物(測ET)或保持土表裸露(測E)。外桶預埋于田間、保持底部水平，內部放置稱(chēng)臺。測桶按測量需求分為ET測桶與E測桶，兩者結構相似，尺寸稍有不同。測桶結構如圖1所示。

圖1 小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀測桶結構示意圖

參考桶用于儀器校正和修正。參考桶為圓形柱狀桶體，尺寸分別與ET測桶外桶和E測桶外桶一致，材質(zhì)為不銹鋼，根據填土重量，選擇與之相近重量的標準砝碼替代測桶內桶置于稱(chēng)臺上，并蓋上不銹鋼蓋子，用于校準蒸滲儀受到外部環(huán)境因素綜合影響產(chǎn)生的測量誤差，以提高測量準確度。

補水排水裝置由十字形集水管和集水主管組成，十字形集水管包裹土工布，安裝于測量桶內桶底部并由集水主管豎直連接至土表，便于人為控制地下水位，使桶內土壤狀況最大限度接近大田土壤狀況。

稱(chēng)重系統由稱(chēng)臺和稱(chēng)重變送器組成。稱(chēng)臺為訂做，由4個(gè)支腳、安裝底座、梁式稱(chēng)重傳感器和承重板組成，材質(zhì)均為不銹鋼，稱(chēng)重傳感器選用中航電測儀器股份有限公司生產(chǎn)的L6E-C3型高精度稱(chēng)重傳感器。稱(chēng)臺線(xiàn)纜從外桶側壁靠近底部所開(kāi)的5 cm孔洞通過(guò)一PVC硬管與集線(xiàn)井連通，并將線(xiàn)纜終端連接至稱(chēng)重變送器，稱(chēng)重傳感器測得的數據經(jīng)稱(chēng)重變送器采集、存儲和顯示，數據采集頻率可根據研究需要進(jìn)行設置。

2.3 田間安裝與校驗

(1)田間系統安裝。本研究布設兩套小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀系統，A套為3個(gè)ET測桶+2個(gè)E測桶+1個(gè)E參考桶，B套為2個(gè)ET測桶+3個(gè)E測桶+1個(gè)ET參考桶，具體安裝如圖2所示。多測桶的配置既可用于同一試驗條件下的重復處理以減小隨機誤差，又可對各測桶進(jìn)行不同水肥管理以進(jìn)行對照試驗，提高了稱(chēng)重蒸滲儀的適用性。本測試設定的ET測桶的內桶內徑為500 mm，高度為560 mm；
外桶內徑為540 mm，高度為610 mm。E測桶的內桶內徑為200 mm，高度為560 mm；
外桶內徑為240 mm，高度為600 mm。ET測桶及參考桶的稱(chēng)重傳感器量程為300 kg，標識精度為0.02%；
E測桶及參考桶量程為50 kg，標識精度為0.02%。根據測桶尺寸和土體密度，本測試ET測桶的標準參照物取175 kg，E測桶取30 kg。

圖2 兩套稱(chēng)重蒸滲儀系統的安裝現場(chǎng)

(2)標定與校驗。稱(chēng)重蒸滲儀在使用前需要進(jìn)行標定和校驗，標定是在變送器中建立不同重量下稱(chēng)重傳感器輸出信號與實(shí)際重量的關(guān)系，而校驗則是在標定后，通過(guò)加載與卸載砝碼，驗證稱(chēng)重系統的測量精度與分辨率。選擇在無(wú)風(fēng)無(wú)雨的天氣下進(jìn)行標定，啟動(dòng)系統預熱，待變送器上顯示的數值穩定后，操作變送器的人機交互界面開(kāi)始標定。稱(chēng)臺上放置空桶，標定為零點(diǎn)，再根據傳感器量程或可能的最大承載重量選擇1個(gè)或多個(gè)重量點(diǎn)進(jìn)行標定；
校驗時(shí)，采取逐級加載、卸載砝碼的方式，模擬真實(shí)使用環(huán)境下的重量變化，以檢驗其精度與分辨率。

本試驗對兩組ET測桶分別標定了0、150、175和180 kg，并在175 kg的基礎上分別依次加載和卸載500、200、100、50、20、10、5、2 g和11個(gè)1 g標準砝碼，記錄下理論重量變化分別對應的加載和卸載過(guò)程中的兩組實(shí)測重量變化；
E測桶標定了0、10、20和30 kg，并在30 kg的基礎上分別依次加載和卸載500、200、100、50、20、10、5、2、1 g和10個(gè)0.1 g標準砝碼，記錄下理論重量變化分別對應的加載和卸載過(guò)程中的兩組實(shí)測重量變化。所得的重量變化校驗數據見(jiàn)表1。

表1 ET和E測桶加卸載過(guò)程重量變化校驗結果 g

從表1中的校驗數據來(lái)看，該試驗區蒸滲儀ET測桶的分辨率能達到1 g，相當于0.005 mm水深，E測桶的分辨率能達到0.1 g，相當于0.003 mm水深。從理論重量變化與加卸載過(guò)程實(shí)測重量變化線(xiàn)性擬合的結果來(lái)看，兩者相關(guān)系數均大于0.99。以上結果表明該小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀系統分辨率高，在重復測量時(shí)數據一致性好，測量精度高。

2.4 田間驗證

將蒸滲儀系統安裝于河海大學(xué)江寧校區節水園試驗基地的水稻田內，在2021年水稻生長(cháng)季，該系統穩定運行，連續記錄了120 d的水稻蒸發(fā)蒸騰量和棵間蒸發(fā)量，數據采集時(shí)間間隔為15 min?？紤]到周邊生物及維護人員、風(fēng)速等因素對稱(chēng)重數據造成的擾動(dòng)，采集到的稱(chēng)重數據需經(jīng)篩選和簡(jiǎn)單滑動(dòng)平均處理[31]。

3.1 稱(chēng)重數據變化特征

圖3為水稻生長(cháng)季典型時(shí)段(9月9日-9月15日)該蒸滲儀系統ET測桶、E測桶及參考桶的稱(chēng)重數據隨時(shí)間變化情況，w1～w5分別為5個(gè)ET測桶或5個(gè)E測桶的稱(chēng)重，w參考為ET參考桶或E參考桶的稱(chēng)重。由圖3可以看出，ET測桶的重量總體隨時(shí)間緩慢減小且每天的波形變化較為相似，即每天8：00-22：00ET測桶重量逐漸減小，其余時(shí)段測桶重量變化相對平緩；
E測桶重量變化規律與ET測桶相似。9月13日10：50-11：25、17：50-18：35兩個(gè)時(shí)段的ET和E測桶重量均有小幅增加，這一結果可能與該兩個(gè)時(shí)段內的降雨(分別為0.2和1.4 mm)有關(guān)；
類(lèi)似地，9月14日15：35的ET和E測桶重量均出現了突增，可能是由該時(shí)段內各測桶進(jìn)行的灌溉所引起的?？傮w上，該稱(chēng)重蒸滲儀系統對測桶的重量變化反應靈敏，且5個(gè)ET和E測桶的重量變化具有較好的一致性。

進(jìn)一步研究發(fā)現，ET和E參考桶的重量隨時(shí)間均呈周期性變化，但其變化規律存在差異，參考桶的變動(dòng)表明稱(chēng)重系統在溫度、材料、濕度等多種因素影響下，數據存在一定程度的差異，利用稱(chēng)重式蒸滲儀開(kāi)展農田需耗水監測，需要考慮這一變化，如不進(jìn)行修正，計算的ET或者E可能存在誤差。

3.2 ET與E計算結果

分別選取間隔15 min、1 h和24 h的稱(chēng)重原始數據，經(jīng)水量平衡方程計算得到15 min、小時(shí)和日尺度的ET，其值分別維持在-0.015～0.484 mm、-0.061～1.845 mm和3.358～15.108 mm范圍內；
類(lèi)似地，15 min、小時(shí)和日尺度E值分別維持在-0.008～0.153 mm，-0.011～0.555 mm和1.767～4.018 mm范圍內。進(jìn)一步分析發(fā)現，ET和E的負值多出現在凌晨，這可能是由夜間出現凝露(包括在植株、表層土壤、桶壁形成的)或發(fā)生小于雨量計分辨率的降雨所致的。

觀(guān)測期試驗田間水稻每15 min的ET和E及其參考值隨時(shí)間變化情況如圖4所示，ET1～ET5分別為5個(gè)ET測桶的測值，ET參考為ET參考桶的測值；
E1～E5分別為5個(gè)E測桶的測值，E參考為E參考桶的測值。分析圖4可知，水稻ET和E的變化曲線(xiàn)基本呈典型單峰型，其中ET從每天7：00開(kāi)始快速增加，并在12：00-14：00達到峰值后逐漸減小，最終于20：00后趨于穩定并伴隨有小幅波動(dòng)；
每15 minE與ET變化規律相似，但時(shí)間總體上滯后1～2 h；
而每15 minE從每天8：00開(kāi)始快速增加，12：00-14：00達到峰值后逐漸減小，于22：00后趨于穩定并伴隨有小幅波動(dòng)。

圖3 蒸滲儀ET和E測桶、參考桶重量觀(guān)測數據隨時(shí)間變化情況(2021年9月9日-9月15日)

圖4 試驗田間水稻每15 min的ET和E及其參考值隨時(shí)間變化情況(2021年9月9日-9月15日)

圖5、6給出了各測桶ET觀(guān)測值與ET平均值、E觀(guān)測值與E平均值的散點(diǎn)圖及線(xiàn)性關(guān)系，由圖5、6可知，各散點(diǎn)圖均緊沿1∶1線(xiàn)分布，各ET值與ET平均值的散點(diǎn)圖線(xiàn)性斜率維持在0.871 9～1.174 8范圍內，R2均大于0.99；
各E值與E平均值的散點(diǎn)圖線(xiàn)性斜率維持在0.854 6～1.100 8范圍內，R2均大于0.95。其中ET3和ET5比ET平均值分別存在偏大和偏小的現象，這可能是由于各ET測桶內水稻長(cháng)勢有所差異，而9月上旬正處于水稻拔節孕穗期，蒸發(fā)蒸騰量大，從而導致各測桶的水稻蒸發(fā)蒸騰量存在差異；
此外，與E平均值相比，E1和E3值也出現了不同程度的差異，這可能是由于E測桶埋設于水稻棵間，而水稻因長(cháng)勢不均勻導致了各測桶裸露在外的蒸發(fā)面積不同，從而導致了各蒸發(fā)量的差異。整體而言，不同測桶測得的ET、E隨時(shí)間的變化趨勢以及各ET值與E值之間均具有較高的一致性。

圖5 各測桶ET值與ET平均值的散點(diǎn)圖及線(xiàn)性關(guān)系

圖6 各測桶E值與E平均值的散點(diǎn)圖及線(xiàn)性關(guān)系

3.3 準確度提升

將參考桶的重量變化換算成蒸滲儀面積對應的水深，以下稱(chēng)為蒸滲儀的系統偏差量(mm)，其隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，ET和E系統偏差量分別在每天8：00-20：00和6：00-18：00時(shí)段內的變化幅度較大。其中，每15 min、小時(shí)和日尺度的ET系統偏差量變化幅度分別為-0.025～0.020 mm、-0.031～0.035 mm和-0.178～0.132 mm；
每15 min、小時(shí)和日尺度的E系統偏差量變化幅度分別為-0.032～0.035 mm、-0.094～0.109 mm和-0.090～0.118 mm。

進(jìn)一步分析不同時(shí)間尺度下參考桶對ET和E準確度的提升(提升準確度=ET(或E)系統偏差量/修正后的ET(或E)值×100%)可知，每15 min、小時(shí)和日尺度的ET準確度分別提升了3.51%、2.17%、0.77%，每15 min 、小時(shí)和日尺度的E準確度分別提升了18.52%、11.81%、2.95%(因作物蒸發(fā)蒸騰和蒸發(fā)主要發(fā)生在白天，故此處統計的是參考桶對8：00-20：00ET值和E值的提升精度)。上述結果表明，隨著(zhù)觀(guān)測時(shí)間尺度的增加，ET和E參考桶對測量結果準確度的提升幅度逐漸減小，產(chǎn)生這一現象的主要原因是ET和E隨著(zhù)觀(guān)測時(shí)間尺度的增加而大幅增加，而系統偏差量有正有負，隨時(shí)間累積增幅不大，故兩者比值相對減小。

由之前的計算結果已知每15 minET最高可達0.484 mm，通過(guò)本文中2.4節的田間驗證試驗已知ET測桶的分辨率為1 g，對應ET測桶內徑500 mm、高度560 mm的分辨率為0.005 mm，由此可以推算出該蒸滲儀系統ET測桶在高峰ET觀(guān)測時(shí)段的數據采集頻率可以實(shí)現1 min以?xún)?甚至達到10 s測定1次)。類(lèi)似地，可以推算出該蒸滲儀系統E測桶在高峰ET觀(guān)測時(shí)段的數據采集頻率可以實(shí)現1 min以?xún)?甚至達到20 s測定1次)。而針對低通量階段，每15 min尺度的ET和E分別在0.025和0.01 mm左右，則數據采集頻率可以達到3～5 min測定1次。該稱(chēng)重蒸滲儀系統可以實(shí)現對蒸發(fā)蒸騰的高頻高分辨率測定，滿(mǎn)足短時(shí)蒸發(fā)蒸騰觀(guān)測的要求。

盡管小型蒸滲儀在測量蒸發(fā)蒸騰方面被認為存在一定的局限性，但以往多數關(guān)于其可靠性方面的研究認為，小型稱(chēng)重式蒸滲儀因其造價(jià)低、結構簡(jiǎn)單、易于安裝等優(yōu)勢已成為測量蒸發(fā)蒸騰量的有效方法[21-25]。巴西巴伊亞聯(lián)邦大學(xué)研制的用于測量煙草需水量的小型半封閉箱體結構稱(chēng)重式蒸滲儀，其分辨率達0.06 mm[28]；
德國UMS公司研發(fā)生產(chǎn)的SFL-600小型稱(chēng)重式蒸滲儀，直徑為0.3 m，深度為0.6 m，分辨率為0.014 mm[20]；
王富慶等[29]研制的自動(dòng)地下軌道稱(chēng)重式蒸滲儀測控系統的自動(dòng)化程度高，蒸滲儀直徑為0.68 m，高度為1.2 m，分辨率可達0.028 mm；
南京南林電子科技有限公司設計的型號為NLZS-10-01的小型蒸滲儀對應分辨率達0.01 mm[30]。本研究所設計的小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀系統ET測桶直徑為0.50 m，深度為0.56 m，分辨率達到0.005 mm；
E測桶直徑為0.20 m，深度為0.56 m，分辨率達到0.003 mm，其分辨率較以往系統有大幅提高，充分滿(mǎn)足了短時(shí)段內對作物蒸發(fā)蒸騰量、裸土(棵間)蒸發(fā)量、旱地生態(tài)系統空氣凝結水等更微小水量變化觀(guān)測的需求。

稱(chēng)重蒸滲儀系統的工作環(huán)境一般在戶(hù)外，其稱(chēng)重數據易受到外部環(huán)境因素的影響，已有研究表明，作為稱(chēng)重蒸滲儀核心元件的稱(chēng)重傳感器，其輸出因材料和電橋結構特性會(huì )隨溫度變化而改變，即產(chǎn)生溫度漂移[27]。而傳感器一般不會(huì )在恒溫下工作，這將會(huì )影響傳感器的準確度和性能，并最終影響蒸滲儀的測定準確度。通常情況下，解決傳感器溫度漂移的主要方法是對稱(chēng)重傳感器進(jìn)行溫度補償[32]，可在一定程度上減小溫度漂移的影響。本研究設計的蒸滲儀系統所用稱(chēng)重傳感器已經(jīng)經(jīng)過(guò)廠(chǎng)家溫度補償，并專(zhuān)門(mén)配備了與測桶尺寸、負載相同的密閉參考桶，用于量化外部環(huán)境對蒸滲儀測量結果造成的影響。研究結果表明，本應保持恒定的參考桶質(zhì)量隨時(shí)間呈明顯的周期性變化，造成蒸滲儀稱(chēng)重系統的系統偏差，將偏差量換算為蒸滲儀面積所對應的水深，得到每15 min、每小時(shí)和每日的ET參考桶系統偏差量最大分別可達0.020、0.035和0.132 mm，E參考桶系統偏差量最大分別可達0.035、0.109和0.118 mm，通過(guò)修正各測桶的系統偏差將水稻每15 min、每小時(shí)和每日ET的準確度分別提升了3.51%、2.17%、0.77%，每15 min 、每小時(shí)和每日E的準確度分別提升了18.52%、11.81%、2.95%。另有研究表明西北干旱地區日凝結水結果觀(guān)測為0.055～0.5 mm[20-21]，而該蒸滲儀稱(chēng)重系統的日系統偏差量占到了日凝結水觀(guān)測量的26%～240%，可見(jiàn)稱(chēng)重蒸滲儀系統中參考桶的配備對研究凝結水等微小水量變化的觀(guān)測精度至關(guān)重要。

為探究影響蒸滲儀稱(chēng)重輸出的外部環(huán)境因素，將2021年水稻季觀(guān)測到的參考桶重量與同時(shí)期該區域氣象站監測到的空氣溫度、濕度進(jìn)行畫(huà)圖分析，結果表明三者之間有明顯的相關(guān)關(guān)系?？紤]到稱(chēng)重蒸滲儀系統內部溫濕度與大氣溫濕度存在一定差異，于2021年水稻季后的11月19日將溫濕度傳感器放置于參考桶內稱(chēng)臺旁，對蒸滲儀系統內部溫濕度進(jìn)行為期1周的實(shí)時(shí)觀(guān)測，并同步高頻采集參考桶的稱(chēng)重數據，得到ET、E參考桶重量與各自桶內溫度、濕度的變化關(guān)系，如圖7、8所示。由圖7、8可知，ET參考桶的重量與桶內溫度、濕度均有較明顯的相關(guān)關(guān)系，分析計算其相關(guān)系數分別為0.84和0.97；
而E參考桶的重量與桶內溫度、濕度相關(guān)關(guān)系不明顯。兩參考桶重量與溫濕度相關(guān)關(guān)系存在差異的原因可能是兩參考桶的尺寸不同、所用傳感器量程不同，兩桶內部溫度、濕度也存在一定差異。但溫度、濕度各自對稱(chēng)重蒸滲儀系統的影響規律及所占比重尚不明確，需要進(jìn)一步試驗再做深入研究。

圖8 E參考桶重量與桶內溫度、濕度的變化關(guān)系

為進(jìn)一步提高稱(chēng)重蒸滲儀的適用性，研制了小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀系統，并分析了該稱(chēng)重蒸滲儀系統在水稻生育期的觀(guān)測結果，得出的主要結論如下：

(1)該稱(chēng)重蒸滲儀系統對蒸發(fā)蒸騰量(ET)和蒸發(fā)量(E)的分辨率可達0.005 mm和0.003 mm，高峰ET和E觀(guān)測時(shí)段的數據采集頻率可以實(shí)現1 min以?xún)?，低通量階段可以達到3～5 min一次測定，該系統高頻高分辨率的數據監測可以很好地滿(mǎn)足水稻短時(shí)蒸發(fā)蒸騰量和棵間蒸發(fā)量的觀(guān)測需求。

(2)測量數據經(jīng)參考桶修正后，每15 min、每小時(shí)、每日ET觀(guān)測準確度分別提升了3.51%、2.17%、0.77%，每15 min、每小時(shí)、每日E觀(guān)測準確度分別提升了18.52%、11.81%、2.95%，這一結果表明參考桶的配備有效減小了稱(chēng)重蒸滲儀因受溫度等外部環(huán)境因素的影響而導致的測量誤差，進(jìn)一步提升了稱(chēng)重蒸滲儀的測量準確度。

本研究設計的小型地中式稱(chēng)重蒸滲儀系統的分辨率高，準確度好，適用性強，可應用于農業(yè)、水文等不同領(lǐng)域的研究。然而，本研究雖用參考桶數據對測量結果進(jìn)行了修正，但導致參考桶稱(chēng)重數據變化的各環(huán)境因素對稱(chēng)重數據影響的規律尚不明晰，所占比重尚不明確，未來(lái)還需進(jìn)一步研究。