农业水利工程专业蒸散发设计性实验探究
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摘要：蒸散发是地表能量平衡和水量平衡的重要组分，绝大部分的农业用水最终以蒸散发的形式消耗，因此，农田蒸散发的准确估算对灌溉水利用率和农业节水发展提升意义重大。实验教学环节对培养复合应用型农林人才起着至关重要的作用，本文通过让学生自行设计蒸散发实验，制作蒸发器，测定蒸散发，分析实验结果。对培养学生创新能力和动手能力、加深对课本知识的理解、提高教学质量有着重要的作用，也有利于卓越工程师的培养。
关键词：蒸散发；土壤蒸发；水面蒸发
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0274-03
高等学校实施“卓越工程师培养计划”是贯彻落实《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》的高等教育和人才培养重大改革计划[1]。其中包含了“卓越农林人才培养计划”，江西农业大学结合“理论联系实践，教学结合生产”的办学方针，以及立足江西，面向全国，服务“三农”与水利行业，主动为区域经济社会发展服务的农业水利工程人才目标，制定了农业水利工程专业培养标准。近年来，我国不断加深对节水灌溉技术的研究，急需掌握相关知识体系和实践技能的高层次人才。能够从事节水灌溉规划、设计、管理及科学研究是农业水利工程专业的培养目标之一。其中，农业水利工程专业的实验教学环节对培养复合应用型农林人才起着至关重要的作用[2]。实验教学是卓越工程师培养计划的重要环节，对培养学生动手能力与加深对课本知识的理解、提高教学质量有着重要的作用。
然而受实验条件（包括实验场地及实验仪器）的限制，目前大多數实验是验证性实验和综合性实验，鲜少有设计性实验，而设计性实验往往是实验教学改革的重点内容[3-6]，故有必要探索农业水利工程专业的设计性实验。
在当前用水总量控制条件下，对农业生产实行有计划的用水成为亟待解决的问题。其关键是在确定作物蒸散发量的基础上，确定适宜的灌溉制度。因此，如何测定蒸散发对于农业水利工程学生的学习效果至关重要。
一、实验教学内容
蒸散发是发生在具有水分子的物理表面上的一种分子运动现象，是水面蒸发、土壤蒸发和植物蒸腾的总称。土壤蒸发是水文循环中十分重要的过程，尤其是在农田水循环中，土壤蒸发是蒸散发的主要组成部分。棵间蒸发也是蒸散发的一部分，当作物叶面积指数较小时，在灌溉或降雨后，棵间蒸发会明显增大[3-4]，使得农田水管理、作物产量估计以及土壤水分预报等诸多问题都和农田蒸散量联系紧密[5]。因此，研究土壤蒸发、作物棵间蒸发和叶面蒸腾的变化规律，对农田作物耗水规律和农业高效用水有着重要意义。
二、实验教学任务
将全班学生分成四组，每组需自行设计实验，并准备相关实验器材，制作实验装置。第一组测定水稻蒸散发，第二组测定水稻棵间蒸发，第三组测定土壤蒸发，第四组测定水面蒸发。实验场所为江西农业大学生态园。实验时间为6月1日—6月10日。
（一）水稻蒸散发
1.水稻株间蒸发。学生可根据土壤水量平衡原理设计和制作小型株间蒸发器，即：在白色或无色长方体无盖塑料盒（如：长×宽×高，54×20×30cm）边缘固定一根带有读数的插杆，在插杆上安置一根测针，在塑料盒里放置20cm深的稻田底泥并铺平，小型株间蒸发器制作完毕。最后将此蒸发器埋于江西农业大学生态园北侧水田种植的水稻行间，使蒸发器中土壤面与田间土壤面持平，用于测量水稻株间蒸发。
学生于每日上午8时在此蒸发器中加5cm清水（原量），使测针针尖上下移动，与水面正好相接，然后从测杆上读出水位，经24h后即翌日8时，再量器内的水位（余量），其减小的量为水稻株间蒸发量，即
蒸发量=原量-余量
若当日8时至翌日8时之间有降水，则
蒸发量=原量+降水量-余量
2.水稻蒸散发。第二组学生可根据土壤水量平衡原理自行设计和制作小型蒸散发器，即：在白色或无色长方体无盖塑料盒（如：长×宽×高：54×40×30 cm）边缘固定一根带有读数的插杆，在插杆上安置一根测针，在塑料盒里放置20cm深的稻田底泥并铺平，小型蒸散发器制作完毕。再将此蒸散发器埋于水稻行间，使蒸散发器土壤面与田间土壤面持平，最后均匀地栽种四株长势正常的水稻，用于测量水稻蒸散发量。
学生于每日上午8时在此蒸散发器中加5cm清水，使测针针尖上下移动，与水面正好相接，然后从测杆上读出水位，经24 h后即翌日8时，再量器内的水位，其减小的量即为水稻株间蒸发量。
（二）土壤蒸发
第三组学生可根据土壤水量平衡原理自行设计和制作裸地土壤蒸发器装置，分为内测试桶和外套桶两部分，均不封底。需将内径90 mm的长硬质塑料管（PVC）截短至200 mm，作为内测试桶。将内径110 mm的长硬质塑料管（PVC）截短至200 mm，作为外测试桶。对内测试桶和外套桶按梅花状打孔，孔间距需小于4cm内，孔径以4mm为宜，然后在内测试桶打孔以便在试验时用于固定提绳，最后用砂纸磨平小孔。试验时，将置于田间的内测试桶取出，并将桶外壁擦拭干净，先用小刀削平底部，再用薄塑料封底，然后用胶带封堵侧壁小孔，最后系上提绳，内测试桶即制作完毕。之后将埋于田间的外套桶内的土壤取出，放入内测试桶，然后将外测试桶和内测试桶垂直压入到两行作物之间的土壤中，需确保内外桶顶面与田间的土壤表面齐平。将内测试桶内的表层原状土壤取出后封底，置于田间外套桶内进行自然蒸发。使用电子天平进行称量，质量的变化量即为棵间土壤蒸发量。3个小型棵间蒸发器为1个测定组合，每组需测量4—5d，平均值为作物棵间蒸发量[7]。此种棵间蒸发器制作简单、测量方便、造价低廉、误差较小，克服了以往使用小型棵间蒸发器自行装土而引起的试验误差，可降低因观测人员对某一地块的踩踏而引起的覆盖度变化[8-9]。 学生于每日上午8时使用精度为0.001g的电子天平称重，当日与翌日的重量差值即为土壤蒸发量（重量每减少1g等同于0.2147 mm）。
（三）水面蒸发
第四组学生可根据土壤水量平衡原理自行设计和制作水泥路面蒸发器。学生可选取一口径为200mm，高度100mm的金属圆盆，在口缘处镶上内直外斜的刀刃形铜圈，器旁安置倒水小嘴。为了防止鸟兽饮水，器口上安置一个上端向外张开成喇叭状的金属丝网圈。将次蒸发器放置到能够受到阳光照射的水泥路面上。学生于每日（无降雨时）上午8时在上述自制蒸散器中加20mm清水，经24h后即翌日8时，再量器内的水量，其减小的量为蒸发量。
得出结果之后，每组学生需对数据进行分析，并得出相应结论（如蒸散发的影响因素）。
三、实验教学考核
实验考试成绩可改变以往的“实验报告+考试成绩”的做法，改为“实验成绩+实验报告成绩+创新实验成绩”，以便体现出学生的动手能力、分析解决问题以及创新能力。平时实验成绩打分需结合预习报告、出勤情况、实验态度、实验操作情况。实验报告成绩以试验记录、完成情况、结果分析、思考题回答情况等进行打分。创新实验成绩按照试验的设计及对基础理论的运用情况进行综合评定[10]。
对此次创新性实验，要求每组学生在课外用两周的时间准备，每组学生用PPT汇报实验过程、结果以及分析。评委为授课老师及其他小组成员，根据试验内容讲解的详实程度、语言的组织和结构、PPT设计等进行现场打分，之后再去掉两个最高分和两个最低分之后，得出的平均成绩即为该组的平时成绩。
四、结语
蒸散发是地表能量平衡和水量平衡的重要组分，绝大部分的农业用水最终以蒸散发的形式消耗，因此，农田蒸散发的准确估算对灌溉水利用率和农业节水发展提升意义重大。学生通过自行设计实验，制作蒸发器，测定蒸散发，分析实验结果。大大地提高了创新能力、动手能力、团队合作能力、分析问题以及解决问题的能力。通过几年来的实践与探索，该实验教学已成为培养学生科学研究实践能力和创新能力的重要平台和手段，实验教学内容、方法与手段等对于其他实验教学有很大的借鉴意义，对实验教学质量的提升具有很重要的价值，也有利于卓越工程师的培养。
参考文献：
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[2]陶洪飞，马英杰，赵经华，等.农业水利工程專业设计性实验初探[J].当代教育理论与实践，2015，7（06）：82-84.
[3]李海燕，赵汗青，高兴海，刘训涛.实验教学创新的研究与探索[J].实验室研究与探索，2009，28（08）：115-117.
[4]丁红胜，董军军，吴平.综合性设计性实验的教学思路探讨[J].大学物理，2007，26（5）：44-47.
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[10]张军红，常允燕，徐义萍.任务导向式授课方式探索——以灌溉排水工程学为例[J].课程整合，2015，（20）：94-95.
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