面向哥伦比亚奥里诺科亚区气候智慧型农业的自动化称重式蒸渗仪设计、建造与标定

《Frontiers in Earth Science》：Design, construction, and calibration of an automated weighing lysimeter to support climate-smart agriculture in the Colombian Orinoquía

　　

在热带农业区，由于气候变率、数据稀缺以及FAO-56 Penman–Monteith等经验模型存在局限，参考蒸散量（ET0，reference evapotranspiration）的准确估算仍具挑战。为给未来基于田间的蒸散研究提供技术基础，研究人员报告了在哥伦比亚Villavicencio的La Libertad研究中心安装的自动化称重式蒸渗仪（weighing lysimeter）的设计、建造与标定。该系统集成镀锌钢罐（1 m3）、原状土壤层次重建、自动喷灌系统，以及由负载单元（load cell）、土壤水分传感器、专业气象站和光伏供电实时数据传输组成的监测模块。标定采用递增加卸载循环，得到R2 > 0.99的线性响应曲线，并构建土壤水分滞留曲线以界定灌溉阈值。结果表明系统成功建成与集成，负载单元响应高度线性，可在赤道条件下提供高分辨率测量，从而降低基于模型方法的方法学不确定性。该系统为后续蒸散监测及与既有ET0估算方法比较提供基础设施，可支撑热带区灌溉管理、水资源评估和气候智慧型农业应用。

《Frontiers in Earth Science》刊发的该文面向哥伦比亚奥里诺科亚区（Orinoquía）灌溉用水估算不确定性问题，开展自动化称重式蒸渗仪（weighing lysimeter，通过称量隔离土柱质量变化测定蒸散的装置）的工程化构建与标定研究。研究背景方面，哥伦比亚农业用水占比高，Meta省灌溉需求突出；FAO-56 Penman–Monteith模型（PMM）虽广泛应用，但在赤道区存在能量平衡闭合偏差、气象输入数据不全等缺陷，且既有哥伦比亚研究多比较经验公式而缺乏与高精度实测手段对照，因此亟需原位高精度装置支撑ET₀评估。研究人员在La Libertad研究中心完成系统设计、1 m³镀锌钢罐与隔离防护结构（LIPS）建造、原状土壤层次重建、自动灌溉与光伏遥测系统集成，并通过实验室加卸载标定和田间已知载荷验证，建立单传感器标定关系与土壤水分特征曲线（SWRC）。结论上，系统实现高线性称重响应（R² > 0.99），可提供湿热赤道环境高分辨率土壤—水动态观测，为后续与PMM等方法比对、优化灌溉管理和水足迹核算奠定技术基础。

关键技术方法上，研究人员采用文献综述与场地分析确定设计准则；以镀锌钢罐（Lysimeter Tank，LT）结合砌体隔离防护系统（LIPS）建立隔离土体控制体积；原状土壤按Ap、AB、Bw层次重建并做压力板提取实验；用经ISO/IEC 17025:2017校准的压缩试验机对S型负载单元做10–500 kg加卸载标定；以CR1000X采集负载单元、TEROS 12土壤传感器与气象站数据，经GSM调制解调器远程传输；并以已知5加仑水容器做田间增量载荷功能核查。样本来自La Libertad研究中心原址1 m³开挖土体，分三层取样送哥伦比亚国立大学土壤物理实验室做压力板分析。

研究结果如下。结构组装与实施：通过混凝土基础、砖砌LIPS、14号镀锌钢焊接罐体及内部钢管支撑，完成承重与防渗结构，通水检漏满足工程标准。内部配置与土壤剖面复原：底部10 cm砾石层、穿孔PVC排水管与非织造聚丙烯土工布构成自由排水下边界，分层回填原土以保持自然容重，使蒸渗仪土柱与周边田间大气条件可比。灌溉系统集成：埋地?英寸PVC管线、12 V直流电磁阀、隔膜泵与360°旋转喷头组成自动喷灌，使土基接近田间持水量。监测与电力系统（MMDSTP）：CR1000X、TEROS 12、Gill气象站、100 W光伏板、12 V 100 Ah AGM GEL电池与GSM modem构成自主供能实时监测链路。土壤水分滞留曲线与灌溉阈值：由0.03–1.4 MPa压力板数据拟合，并以1.0–1.4 MPa局部线性回归外推1.5 MPa，得Ap、AB、Bw的田间持水参考分别为32.10%、31.02%、31.14%体积含水率（VWC），永久凋萎点估计为22.55%、24.77%、26.61% VWC。负载单元标定：四个S型负载单元分别建加载/卸载线性方程，个体R² > 0.995，运行中对四路载荷求和得总质量；合并描述方程为加载 y = ?0.002x + 0.0085、卸载 y = ?0.002x + 0.0168（x为kg，y为mV）。

讨论部分指出，该系统证明在哥伦比亚奥里诺科亚区可将结构、液压、传感、遥测与自主供电集成于田间；Arachis pintoi cv. Centauro作永久地被但未评估其蒸散表现；450–500 kg间2 kg增量提高上限区标定密度，但未独立量化迟滞；振动与温度扰动风险由LIPS与光伏遥测配置缓解。研究人员强调后续需做长期漂移、测量不确定度、环境敏感性与水平衡闭合分析，并可用高频数据支撑机器学习ET₀模型训练与验证；未来换用更高等级C6负载单元并增设检修通道可提升计量性能与可维护性。

结论部分翻译：本研究回应了哥伦比亚赤道条件下作物蒸散直接高分辨率测量的迫切需求。所开发系统集成稳健结构部件、已标定负载单元、土壤水分滞留分析，以及太阳能数据传输模块，支持自主田间监测。实验室标定在使用经ISO/IEC 17025:2017认可实验室校准的试验压机时，得到决定系数大于0.99的高度线性负载单元响应。此外，研究人员选用Arachis pintoi cv. Centauro作为永久地被，为后续蒸散监测提供均匀且生理稳定植被层，但本文未评估作物特定蒸散表现。总体看，该自动化称重式蒸渗仪提供了湿热热带条件下土壤—水动态监测的集成可部署平台；其已标定称重系统、重建土壤剖面、自动灌排组件、气象仪器、自主光伏供电与实时遥测，为后续直接蒸散监测和包括FAO-56 Penman–Monteith在内的模型估算评价建立技术基础。通过在数据稀缺区生成站点特异性高频环境观测，该系统可支撑哥伦比亚奥里诺科亚及类似热带环境的更稳健灌溉评估、水资源研究与气候智慧型农业研究。未来改进应聚焦提高测量分辨率与便于长期维护：以适当额定容量的更高计量等级C6负载单元替代现有C3负载单元，可改善对短期蒸散相关微小质量变化的检测；未来设计应加入专用检修管或维护舱，以便在不扰动重建土壤剖面情况下接近负载单元、排水组件与电气连接，从而提升蒸渗仪的计量性能与长期可用性。