農業水利工程專業蒸散發設計性實驗探究

王艷艷 李保同 劉士余

摘要：蒸散發是地表能量平衡和水量平衡的重要組分，絕大部分的農業用水最終以蒸散發的形式消耗，因此，農田蒸散發的準確估算對灌溉水利用率和農業節水發展提升意義重大。實驗教學環節對培養復合應用型農林人才起著至關重要的作用，本文通過讓學生自行設計蒸散發實驗，制作蒸發器，測定蒸散發，分析實驗結果。對培養學生創新能力和動手能力、加深對課本知識的理解、提高教學質量有著重要的作用，也有利于卓越工程師的培養。

關鍵詞：蒸散發；土壤蒸發；水面蒸發

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）27-0274-03

高等學校實施“卓越工程師培養計劃”是貫徹落實《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》的高等教育和人才培養重大改革計劃[1]。其中包含了“卓越農林人才培養計劃”，江西農業大學結合“理論聯系實踐，教學結合生產”的辦學方針，以及立足江西，面向全國，服務“三農”與水利行業，主動為區域經濟社會發展服務的農業水利工程人才目標，制定了農業水利工程專業培養標準。近年來，我國不斷加深對節水灌溉技術的研究，急需掌握相關知識體系和實踐技能的高層次人才。能夠從事節水灌溉規劃、設計、管理及科學研究是農業水利工程專業的培養目標之一。其中，農業水利工程專業的實驗教學環節對培養復合應用型農林人才起著至關重要的作用[2]。實驗教學是卓越工程師培養計劃的重要環節，對培養學生動手能力與加深對課本知識的理解、提高教學質量有著重要的作用。

然而受實驗條件（包括實驗場地及實驗儀器）的限制，目前大多數實驗是驗證性實驗和綜合性實驗，鮮少有設計性實驗，而設計性實驗往往是實驗教學改革的重點內容[3-6]，故有必要探索農業水利工程專業的設計性實驗。

在當前用水總量控制條件下，對農業生產實行有計劃的用水成為亟待解決的問題。其關鍵是在確定作物蒸散發量的基礎上，確定適宜的灌溉制度。因此，如何測定蒸散發對于農業水利工程學生的學習效果至關重要。

一、實驗教學內容

蒸散發是發生在具有水分子的物理表面上的一種分子運動現象，是水面蒸發、土壤蒸發和植物蒸騰的總稱。土壤蒸發是水文循環中十分重要的過程，尤其是在農田水循環中，土壤蒸發是蒸散發的主要組成部分。棵間蒸發也是蒸散發的一部分，當作物葉面積指數較小時，在灌溉或降雨后，棵間蒸發會明顯增大[3-4]，使得農田水管理、作物產量估計以及土壤水分預報等諸多問題都和農田蒸散量聯系緊密[5]。因此，研究土壤蒸發、作物棵間蒸發和葉面蒸騰的變化規律，對農田作物耗水規律和農業高效用水有著重要意義。

二、實驗教學任務

將全班學生分成四組，每組需自行設計實驗，并準備相關實驗器材，制作實驗裝置。第一組測定水稻蒸散發，第二組測定水稻棵間蒸發，第三組測定土壤蒸發，第四組測定水面蒸發。實驗場所為江西農業大學生態園。實驗時間為6月1日—6月10日。

（一）水稻蒸散發

1.水稻株間蒸發。學生可根據土壤水量平衡原理設計和制作小型株間蒸發器，即：在白色或無色長方體無蓋塑料盒（如：長×寬×高，54×20×30cm）邊緣固定一根帶有讀數的插桿，在插桿上安置一根測針，在塑料盒里放置20cm深的稻田底泥并鋪平，小型株間蒸發器制作完畢。最后將此蒸發器埋于江西農業大學生態園北側水田種植的水稻行間，使蒸發器中土壤面與田間土壤面持平，用于測量水稻株間蒸發。

學生于每日上午8時在此蒸發器中加5cm清水（原量），使測針針尖上下移動，與水面正好相接，然后從測桿上讀出水位，經24h后即翌日8時，再量器內的水位（余量），其減小的量為水稻株間蒸發量，即

蒸發量=原量-余量

若當日8時至翌日8時之間有降水，則

蒸發量=原量+降水量-余量

2.水稻蒸散發。第二組學生可根據土壤水量平衡原理自行設計和制作小型蒸散發器，即：在白色或無色長方體無蓋塑料盒（如：長×寬×高：54×40×30 cm）邊緣固定一根帶有讀數的插桿，在插桿上安置一根測針，在塑料盒里放置20cm深的稻田底泥并鋪平，小型蒸散發器制作完畢。再將此蒸散發器埋于水稻行間，使蒸散發器土壤面與田間土壤面持平，最后均勻地栽種四株長勢正常的水稻，用于測量水稻蒸散發量。

學生于每日上午8時在此蒸散發器中加5cm清水，使測針針尖上下移動，與水面正好相接，然后從測桿上讀出水位，經24 h后即翌日8時，再量器內的水位，其減小的量即為水稻株間蒸發量。

（二）土壤蒸發

第三組學生可根據土壤水量平衡原理自行設計和制作裸地土壤蒸發器裝置，分為內測試桶和外套桶兩部分，均不封底。需將內徑90 mm的長硬質塑料管（PVC）截短至200 mm，作為內測試桶。將內徑110 mm的長硬質塑料管（PVC）截短至200 mm，作為外測試桶。對內測試桶和外套桶按梅花狀打孔，孔間距需小于4cm內，孔徑以4mm為宜，然后在內測試桶打孔以便在試驗時用于固定提繩，最后用砂紙磨平小孔。試驗時，將置于田間的內測試桶取出，并將桶外壁擦拭干凈，先用小刀削平底部，再用薄塑料封底，然后用膠帶封堵側壁小孔，最后系上提繩，內測試桶即制作完畢。之后將埋于田間的外套桶內的土壤取出，放入內測試桶，然后將外測試桶和內測試桶垂直壓入到兩行作物之間的土壤中，需確保內外桶頂面與田間的土壤表面齊平。將內測試桶內的表層原狀土壤取出后封底，置于田間外套桶內進行自然蒸發。使用電子天平進行稱量，質量的變化量即為棵間土壤蒸發量。3個小型棵間蒸發器為1個測定組合，每組需測量4—5d，平均值為作物棵間蒸發量[7]。此種棵間蒸發器制作簡單、測量方便、造價低廉、誤差較小，克服了以往使用小型棵間蒸發器自行裝土而引起的試驗誤差，可降低因觀測人員對某一地塊的踩踏而引起的覆蓋度變化[8-9]。

學生于每日上午8時使用精度為0.001g的電子天平稱重，當日與翌日的重量差值即為土壤蒸發量（重量每減少1g等同于0.2147 mm）。

（三）水面蒸發

第四組學生可根據土壤水量平衡原理自行設計和制作水泥路面蒸發器。學生可選取一口徑為200mm，高度100mm的金屬圓盆，在口緣處鑲上內直外斜的刀刃形銅圈，器旁安置倒水小嘴。為了防止鳥獸飲水，器口上安置一個上端向外張開成喇叭狀的金屬絲網圈。將次蒸發器放置到能夠受到陽光照射的水泥路面上。學生于每日（無降雨時）上午8時在上述自制蒸散器中加20mm清水，經24h后即翌日8時，再量器內的水量，其減小的量為蒸發量。

得出結果之后，每組學生需對數據進行分析，并得出相應結論（如蒸散發的影響因素）。

三、實驗教學考核

實驗考試成績可改變以往的“實驗報告+考試成績”的做法，改為“實驗成績+實驗報告成績+創新實驗成績”，以便體現出學生的動手能力、分析解決問題以及創新能力。平時實驗成績打分需結合預習報告、出勤情況、實驗態度、實驗操作情況。實驗報告成績以試驗記錄、完成情況、結果分析、思考題回答情況等進行打分。創新實驗成績按照試驗的設計及對基礎理論的運用情況進行綜合評定[10]。

對此次創新性實驗，要求每組學生在課外用兩周的時間準備，每組學生用PPT匯報實驗過程、結果以及分析。評委為授課老師及其他小組成員，根據試驗內容講解的詳實程度、語言的組織和結構、PPT設計等進行現場打分，之后再去掉兩個最高分和兩個最低分之后，得出的平均成績即為該組的平時成績。

四、結語

蒸散發是地表能量平衡和水量平衡的重要組分，絕大部分的農業用水最終以蒸散發的形式消耗，因此，農田蒸散發的準確估算對灌溉水利用率和農業節水發展提升意義重大。學生通過自行設計實驗，制作蒸發器，測定蒸散發，分析實驗結果。大大地提高了創新能力、動手能力、團隊合作能力、分析問題以及解決問題的能力。通過幾年來的實踐與探索，該實驗教學已成為培養學生科學研究實踐能力和創新能力的重要平臺和手段，實驗教學內容、方法與手段等對于其他實驗教學有很大的借鑒意義，對實驗教學質量的提升具有很重要的價值，也有利于卓越工程師的培養。

參考文獻：

[1]林健.“卓越工程師教育培養計劃”通用標準詮釋[J].高等工程教育研究，2014，（01）：12-23.

[2]陶洪飛，馬英杰，趙經華，等.農業水利工程專業設計性實驗初探[J].當代教育理論與實踐，2015，7（06）：82-84.

[3]李海燕，趙汗青，高興海，劉訓濤.實驗教學創新的研究與探索[J].實驗室研究與探索，2009，28（08）：115-117.

[4]丁紅勝，董軍軍，吳平.綜合性設計性實驗的教學思路探討[J].大學物理，2007，26（5）：44-47.

[5]盧均治，劉美.卓越工程師教育培養計劃下的實踐教學改革探索[J].中國電力教育，2012，（11）：95-96.

[6]馮建剛，朱成立，王為木.農業水利工程國家特色專業建設探索[J].高等理科教育，2014，（1）：72-77.

[7]王健，蔡煥杰，劉紅英.測定農田蒸發量的小型棵間蒸發器的制作與應用[J].廣東農業科學，2012，（20）：170-172.

[8]孫景生，康紹忠，王景雷，等.溝灌夏玉米棵間土壤蒸發規律的試驗研究[J].農業工程學報，2005，21（11）：20-24.

[9]孫宏勇，劉昌明，張永強，等.微型蒸發器測定土面蒸發的試驗研究[J].水利學報，2004，（8）：114-118.

[10]張軍紅，常允燕，徐義萍.任務導向式授課方式探索——以灌溉排水工程學為例[J].課程整合，2015，（20）：94-95.