什么是蒸滲儀？
一文看懂土壤蒸發(fā)、植物蒸騰和深層滲漏
一、先用一句話說清楚：蒸滲儀到底是什么？
蒸滲儀，也常被稱為 lysimeter，是一種用于研究土壤—植物—大氣之間水分交換過程的觀測設(shè)備。簡單理解，它把一定體積的土壤和上面的植被“圈定”成一個(gè)可監(jiān)測的土柱，通過記錄降雨、灌溉、土壤儲(chǔ)水變化、地表徑流、底部排水或稱重變化，來計(jì)算土壤蒸發(fā)、植物蒸騰、總蒸散發(fā)以及深層滲漏等水分收支。
和單個(gè)土壤水分傳感器相比，蒸滲儀關(guān)注的不是某一點(diǎn)的含水量，而是一個(gè)代表性土柱的水量平衡；和普通氣象站相比，蒸滲儀不是只測“天氣條件”，而是更直接地回答一個(gè)生態(tài)水文問題：降到樣地上的水，最后去了哪里？
國際資料通常把蒸滲儀描述為具有已知體積和截面積、與外界土體邊界相對(duì)分離的土柱。FAO 關(guān)于有效降雨測量的資料也指出，蒸滲法能夠提供水量平衡各組成部分信息，并可用于測量蒸散發(fā)和檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式。
蒸滲儀基本結(jié)構(gòu)示意圖
二、蒸滲儀為什么能看懂“水去哪兒了”？
野外樣地里的水分變化看似簡單，實(shí)際包含多個(gè)過程：雨水落到地表，一部分被土壤吸收，一部分可能形成地表徑流；進(jìn)入土壤的水，一部分被植物根系吸收并通過葉片蒸騰返回大氣，一部分從土壤表面直接蒸發(fā)，還有一部分繼續(xù)向下移動(dòng)，形成深層滲漏或地下水補(bǔ)給。
蒸滲儀的核心思想就是“做水量平衡賬”。如果把樣地中的代表性土柱看作一個(gè)邊界清楚的小系統(tǒng)，就可以把輸入項(xiàng)和輸出項(xiàng)盡量記錄下來。常見表達(dá)可簡化為：
ET = P + I - RO - DP ± ΔSW
其中，ET 為蒸散發(fā)，P 為降雨，I 為灌溉，RO 為地表徑流，DP 為深層滲漏，ΔSW 為土壤儲(chǔ)水量變化。對(duì)于有地下水影響的場景，還可能需要考慮毛管上升、側(cè)向流等項(xiàng)。不同類型蒸滲儀的可測項(xiàng)目并不完全相同，是否能夠直接測深層滲漏，取決于底部是否配置排水、集水或滲漏監(jiān)測結(jié)構(gòu)。
圖3 根區(qū)水量平衡關(guān)系示意圖
三、土壤蒸發(fā)、植物蒸騰、深層滲漏分別是什么？
過程 | 發(fā)生位置 | 通俗理解 | 蒸滲儀能提供什么信息 |
土壤蒸發(fā) E | 土壤表層 | 裸土或植被間隙中的水分直接變成水汽進(jìn)入空氣。 | 配合稱重、水分變化或微型蒸滲桶，可估算表層蒸發(fā)損失。 |
植物蒸騰 T | 植物根—莖—葉 | 植物根系吸水，經(jīng)葉片氣孔散失到大氣，是植物耗水的重要組成。 | 在有植被土柱中，水量平衡可反映土壤蒸發(fā)與植物蒸騰合計(jì)的 ET。 |
蒸散發(fā) ET | 土壤+植物整體 | 土壤蒸發(fā) E 與植物蒸騰 T 的合計(jì)，是生態(tài)系統(tǒng)水分消耗的核心指標(biāo)。 | 稱重式蒸滲儀可連續(xù)記錄質(zhì)量變化，從而獲得較高時(shí)間分辨率 ET 數(shù)據(jù)。 |
深層滲漏 DP | 根區(qū)以下 | 水分穿過主要根區(qū)繼續(xù)向下移動(dòng)，可能攜帶鹽分、養(yǎng)分或污染物。 | 帶底部排水/集水單元的蒸滲儀可收集或計(jì)量滲漏水。 |
這也是為什么蒸滲儀特別適合做“過程解釋”：它不是只給出某個(gè)時(shí)刻的一個(gè)讀數(shù)，而是把水分輸入、儲(chǔ)存、消耗和輸出放到同一套邏輯里分析。
四、常見蒸滲儀類型：不是所有蒸滲儀都長一個(gè)樣
蒸滲儀按測量方式和應(yīng)用尺度可以分成很多類型。官網(wǎng)科普中不建議一次講得過細(xì)，可以先抓住三個(gè)最容易理解的類別：
類型 | 主要特點(diǎn) | 應(yīng)用 |
稱重式蒸滲儀 | 通過高精度稱重記錄土柱質(zhì)量變化，適合連續(xù)計(jì)算蒸散發(fā)。 | 作物耗水量、作物系數(shù)、灌溉制度、生態(tài)系統(tǒng) ET 校準(zhǔn)。 |
排水/滲漏式蒸滲儀 | 重點(diǎn)收集和計(jì)量根區(qū)以下排水，可進(jìn)一步分析水鹽、養(yǎng)分或污染物遷移。 | 深層滲漏、淋溶液采集、土壤溶質(zhì)運(yùn)移、水鹽平衡。 |
微型蒸滲儀 | 體積較小、安裝相對(duì)靈活，適合野外多點(diǎn)布設(shè)和表層土壤蒸發(fā)研究。 | 干旱半干旱區(qū)樣地、裸地/草地/灌叢間土壤蒸發(fā)、空間異質(zhì)性對(duì)比。 |
五、為什么說蒸滲儀適合解釋“土壤—植物—大氣”的連續(xù)過程？
在生態(tài)和農(nóng)業(yè)研究中，土壤并不是一個(gè)單獨(dú)的“水桶”，植物也不是只靠空氣條件決定耗水。根系吸水、土壤儲(chǔ)水變化、葉片蒸騰、降雨入滲、深層排水共同組成了土壤—植物—大氣連續(xù)體。蒸滲儀的價(jià)值在于，它把這個(gè)連續(xù)體中的關(guān)鍵水分通量放到同一個(gè)水量平衡框架下觀察。
例如，一場降雨后，如果只看氣象數(shù)據(jù)，我們知道“下了多少雨”；如果只看土壤水分傳感器，我們知道“某幾個(gè)深度土壤變濕了多少”；如果結(jié)合蒸滲儀，就可以進(jìn)一步判斷“這場水后來有多少通過蒸散發(fā)返回大氣，有多少繼續(xù)向下形成滲漏”。
圖4 微型蒸滲桶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場埋設(shè)細(xì)節(jié)
六、哪些場景需要蒸滲儀？
蒸滲儀并不是所有項(xiàng)目都必須配置，但只要研究問題涉及“水分收支”“蒸散發(fā)驗(yàn)證”“深層滲漏”“土壤水鹽遷移”，它就會(huì)比單一傳感器更有解釋力。典型場景包括：干旱半干旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)樣地、草地或灌叢水分利用研究、農(nóng)田作物耗水與灌溉制度研究、土壤鹽分淋洗與深層排水監(jiān)測、通量塔或遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品的地面驗(yàn)證。
需要特別說明的是，蒸滲儀觀測的是某個(gè)代表性土柱或小面積樣方的水分過程。為了讓結(jié)果更接近真實(shí)樣地，安裝時(shí)要盡量保證土柱結(jié)構(gòu)、植被狀況、地表高度、傳感器位置、周邊緩沖區(qū)和排水條件與周圍環(huán)境一致。對(duì)于空間異質(zhì)性強(qiáng)的荒漠草地、灌叢樣地或農(nóng)田樣地，通常需要多點(diǎn)重復(fù)布設(shè)，并與氣象站、土壤溫濕鹽監(jiān)測系統(tǒng)共同使用。
圖5 微型蒸滲系統(tǒng)與太陽能供電、數(shù)據(jù)采集單元在野外樣地中的組合部署
蒸滲儀的核心價(jià)值，是把降雨、灌溉、土壤儲(chǔ)水、蒸散發(fā)和深層滲漏放在同一個(gè)水量平衡框架下進(jìn)行連續(xù)觀測。通過蒸滲系統(tǒng)，科研人員不僅可以知道土壤某個(gè)深度“濕不濕”，還可以進(jìn)一步理解水分在土壤—植物—大氣系統(tǒng)中的輸入、消耗和下移過程。對(duì)于干旱、半干旱區(qū)生態(tài)研究而言，這類數(shù)據(jù)能夠?yàn)橹脖换謴?fù)、樣地水分平衡、作物耗水、土壤水鹽運(yùn)移和長期生態(tài)監(jiān)測提供重要支撐。
