降水入滲過程及根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種降水入滲過程及根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由地下觀測(cè)室、觀測(cè)池、入滲水收集系統(tǒng)、觀測(cè)根窗構(gòu)成。地下觀測(cè)室由觀測(cè)室內(nèi)和觀測(cè)室外構(gòu)成，觀測(cè)室外由分布在地上觀測(cè)室周圍的觀測(cè)池組成。觀測(cè)池上部分為正方體，下部分為錐形體，錐形體底部埋設(shè)有入滲水收集管；滲水收集管連接滲水收集漏斗，導(dǎo)水管出口延伸至觀測(cè)室內(nèi)，水管上安裝閥門，管口處置有滲漏水收集容器。本發(fā)明適用于研究不同植被類型和土壤類型的降水再分配過程、土壤水分運(yùn)動(dòng)和再分布過程、深層補(bǔ)給特征、水量平衡、植物水關(guān)系、根系生長動(dòng)態(tài)等方面的試驗(yàn)研究，可為干旱、半干旱地區(qū)大氣-土壤-植被系統(tǒng)的質(zhì)能轉(zhuǎn)換和水資源利用以及植物響應(yīng)土壤環(huán)境的適應(yīng)過程和機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。
【專利說明】降水入滲過程及根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種降水入滲過程及根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)，可用于研究不同植 被類型和土壤類型的降水再分配過程、土壤水分運(yùn)動(dòng)和再分布過程、深層補(bǔ)給特征、水量平 衡、植物水關(guān)系、根系生長動(dòng)態(tài)等多方面的實(shí)驗(yàn)研究。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003] 在我國干旱和半干旱地區(qū)，大氣降水和土壤水是無灌溉條件下天然植被得以生存 的主要水源之一，也是該區(qū)域決定生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定的關(guān)鍵因子。由于降水稀少，蒸 發(fā)強(qiáng)烈，干旱缺水導(dǎo)致的植被和土地退化以及荒漠化問題一直困擾和制約著該區(qū)域的經(jīng)濟(jì) 發(fā)展。為了開展半干旱沙地不同生境降雨再分配過程及植物根系生長動(dòng)態(tài)方面的研究。我 們根據(jù)研究需要設(shè)計(jì)了降水入滲過程及植物根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)并結(jié) 合相關(guān)觀測(cè)儀器可用于測(cè)定不同植被和土壤類型條件下的降水截留量、穿透雨、蒸發(fā)量、入 滲量、深層補(bǔ)給量、水分利用效率等指標(biāo)，可精確測(cè)定不同土壤層水分入滲補(bǔ)給量。該發(fā)明 可以為開展干旱、半干旱地區(qū)大氣-土壤-植被系統(tǒng)水循環(huán)過程及植被水關(guān)系研究提供了 技術(shù)支撐，同時(shí)應(yīng)用該系統(tǒng)可有效減少了同類研究中利用水量平衡法間接計(jì)算深層補(bǔ)給量 而帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)了多處理、多參數(shù)的同步觀測(cè)。
[0004]


【發(fā)明內(nèi)容】
鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種降水入滲過程及根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)。 利用該系統(tǒng)，可以根據(jù)需要配置多種實(shí)驗(yàn)處理，從而實(shí)現(xiàn)多種條件下降水入滲過程、土壤水 深層補(bǔ)給、植物根系生長動(dòng)態(tài)等多方面的控制試驗(yàn)。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)： 一種降水入滲過程及根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)，是由地下觀測(cè)室、觀測(cè)池、入滲水收 集系統(tǒng)、觀測(cè)根窗組成。觀測(cè)室一面設(shè)有觀測(cè)根窗，觀測(cè)根窗由觀測(cè)窗和外窗構(gòu)成，觀測(cè)窗 由防彈玻璃做成，外窗是由不透光PVC材質(zhì)做成的可推拉式窗戶；地下觀測(cè)室包括觀測(cè)室 內(nèi)和觀測(cè)室外，觀測(cè)室外由分布在地上觀測(cè)室周圍的觀測(cè)池組成。觀測(cè)池上部分為正方體， 下部分為錐形體，錐形體底部埋設(shè)有入滲水收集管；面向觀測(cè)室內(nèi)的觀測(cè)池面上預(yù)留導(dǎo)水 管出口；入滲水收集系統(tǒng)由入滲水收集漏斗、反滲層、固定支撐片、導(dǎo)水管、閥門、拉桿、撐桿 構(gòu)成，入滲水收集系統(tǒng)通過拉桿和撐桿固定在觀測(cè)池內(nèi)，入滲水收集漏斗居于不同深度并 焊接在等角度的固定支撐片上，并與導(dǎo)水管連通；入滲水收集漏斗內(nèi)填裝不同粒徑石英礫 石反滲層；滲水收集管連接滲水收集漏斗，導(dǎo)水管出口延伸至觀測(cè)室內(nèi)，水管上安裝閥門， 管口處置有滲漏水收集容器。
[0006] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及產(chǎn)生的積極效果是： 1、本發(fā)明具有多重功能，可用于研究不同植被和土壤類型降水再分配過程，深層補(bǔ)給 特征、植物根系生長動(dòng)態(tài)等多方面的研究，在受水分制約的干旱和半干旱地區(qū)生態(tài)水文過 程及植物水關(guān)系研究中能發(fā)揮重要的作用；同時(shí)還可用于預(yù)測(cè)和評(píng)估氣候變化特別是降水 變化對(duì)植被生長和演替的影響； 2、 本發(fā)明可以根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮吞幚碓囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展和延伸，同時(shí)還可以根據(jù)需要增 加觀測(cè)指標(biāo)，屬于可延展更新的觀測(cè)系統(tǒng)； 3、 本發(fā)明既能進(jìn)行自然降水條件下的多參數(shù)協(xié)同觀測(cè)，亦可用于模擬降水條件下的多 參數(shù)觀測(cè)； 4、 本發(fā)明與同類研究儀器如土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC)生理生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 比較而言，該發(fā)明可設(shè)置多樣本多處理實(shí)驗(yàn)，使樣地更具代表性，能顯著節(jié)約科研經(jīng)費(fèi)，同 時(shí)還能通過增減觀測(cè)池?cái)?shù)量實(shí)現(xiàn)不同處理的同步觀測(cè)和比較； 5、 本發(fā)明所用材料堅(jiān)固耐用，不受環(huán)境條件的制約，可進(jìn)行長期觀測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008] 圖2為觀測(cè)池內(nèi)入滲水收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009] 圖3為觀測(cè)根窗及入滲水收集裝置圖。
[0010] 圖4為2010-2012年生長季降雨及流動(dòng)沙地土壤水分變化。
[0011] 圖5為2010-2012年生長季降雨及潛在補(bǔ)給量變化。
[0012] 圖6為2010-2012年累積降雨量和潛在補(bǔ)給量變化。
[0013] 圖7為2010-2012年生長季降雨量和潛在補(bǔ)給系數(shù)；不同小寫和大寫字母代表在 /*〈 0.05水平差異顯者。
[0014] 圖8為2010-2013年生長季降雨量及小葉錦雞兒灌叢下土壤水分變化。
[0015] 圖9為2010-2013年生長季降雨及小葉錦雞兒灌叢深層補(bǔ)給量。
[0016] 圖10為2010-2013年生長季降雨量和潛在補(bǔ)給系數(shù)；不同大寫和小寫字母代表降 雨量和潛在補(bǔ)給系數(shù)在/^ <0.05水平差異顯著。
[0017] 圖11為2010-2012年生長季不同生境深層補(bǔ)給量。
[0018] 圖12為地上、地下生物量變化及其比值。
[0019] 圖13為地下生物量的垂直分布。
[0020] 圖14為差不嘎蒿高度及植被密度與活根及總根生物量的關(guān)系。
[0021]

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面，結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案再作進(jìn)一步的說明： 如圖1-3所示，一種降水入滲過程及根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)，是由地下觀測(cè)室1、 觀測(cè)池2、入滲水收集系統(tǒng)3、觀測(cè)根窗4組成，地下觀測(cè)室1 一面設(shè)有觀測(cè)根窗4,觀測(cè)根 窗4由觀測(cè)窗19和外窗20構(gòu)成。觀測(cè)窗19由20mm的2塊防彈玻璃做成，外窗20是由 不透光PVC材質(zhì)做成的可推拉式窗戶，觀測(cè)時(shí)拉開外窗用根系掃描系統(tǒng)觀測(cè)，完成后密閉 外窗以不影響根系生長。地下觀測(cè)室1由觀測(cè)室內(nèi)5和觀測(cè)室外6構(gòu)成。觀測(cè)室外6由23 個(gè)分布在地上觀測(cè)室周圍的觀測(cè)池2組成。觀測(cè)池2上部分為200X200X200cm3的正方 體7,下部分為深度為30cm的錐形體8,錐形體8底部埋設(shè)有入滲水收集管9;，面向觀測(cè) 室內(nèi)5的觀測(cè)池2面上預(yù)留導(dǎo)水管出口 10;入滲水收集系統(tǒng)3由入滲水收集漏斗11、反滲 層12、固定支撐片13、導(dǎo)水管14、閥門15、拉桿16、撐桿17構(gòu)成，入滲水收集系統(tǒng)3通過拉 桿16和撐桿17固定在觀測(cè)池2內(nèi)，入滲水收集漏斗11分別居于觀測(cè)池2內(nèi)20cm、40cm、 60cm、100cm深度，入滲水收集漏斗11焊接在等角度的固定支撐片13上，與導(dǎo)水管14連通； 入滲水收集漏斗11內(nèi)填裝不同粒徑石英礫石反滲層12 ;滲水收集管9連接滲水收集漏斗 11，導(dǎo)水管出口 10延伸至觀測(cè)室內(nèi)5,并在導(dǎo)水管14上安裝閥門15,管口處置有滲漏水收 集容器18。
[0023] 試驗(yàn)例 為了研究不同植被和土壤類型降水再分配過程，中國科學(xué)院奈曼沙漠化研究站以位于 半干旱地區(qū)的科爾沁沙地為研究區(qū)域，于2008年開始著手修建降水入滲過程及根系生長 動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)需求，地下觀測(cè)室1地面周圍共修建了 23個(gè)觀測(cè)池2,工程于 2009年5月完工，為防止觀測(cè)池漏水，對(duì)每個(gè)觀測(cè)池內(nèi)部做防水處理及密封?；诒景l(fā)明研 究計(jì)劃的設(shè)置，先期開展了不同生境降雨再分配過程的研究，在本研究中主要涉及不同植 被類型，共設(shè)置了 5種處理，即流動(dòng)沙地自然恢復(fù)、流動(dòng)沙地土壤、草本植物、灌木、灌木+草 本植物。本研究主要探討了不同生境降雨再分配過程、土壤水分及深層補(bǔ)給特征、不同生境 深層補(bǔ)給量比較、典型植物根系生物量及垂直分布格局等方面的研究。
[0024] 1.流動(dòng)沙地土壤水分對(duì)降雨特征的響應(yīng) 在2009年夏季，本發(fā)明將其中3個(gè)觀測(cè)池2分層填裝流動(dòng)沙地土壤，并于2010年開 始觀測(cè)土壤水分對(duì)降雨格局的響應(yīng)。結(jié)果顯示隨著降雨量的增加，土壤水分含量逐漸增加， 特別是在較大的降雨之后表層0-20cm土壤水分顯著增加。對(duì)于流動(dòng)沙地0-20cm土層， 在34. 4，35. 1，47. 1，56. 3和47. 4mm的降雨之后，土壤水分分別增加了 126. 9，81.7， 122. 4，90. 7和45. 1 %。而20-160cm深度土壤水分的變化趨勢(shì)與0-20cm基本一致，但 是變化強(qiáng)度隨著深度增加而減弱。當(dāng)降雨量大于20 _或者幾個(gè)持續(xù)的降雨其總降雨量大 于20mm時(shí)，0-100cm深度土壤水分增加顯著。而只有當(dāng)降雨量大于40mm或者幾個(gè)連續(xù) 降雨事件總降雨量大于40mm時(shí)，140-160cm土壤水分才能出現(xiàn)增加的趨勢(shì)(見圖4)。表 1顯示，0-100cm土壤水分與降雨量顯著相關(guān)〇? =0.239?0. 438，產(chǎn)〈0.05)，0-40cm土壤 水分與降雨強(qiáng)度顯著相關(guān)0? = 〇.284,0.244，產(chǎn)〈0.05)，此外，降雨間隔時(shí)間與0-20cm 土壤水分顯著負(fù)相關(guān)0? = _〇. 293，/*〈0. 05)。
[0025] 表1為流動(dòng)沙地土壤水分與降雨特征的相關(guān)分析

【權(quán)利要求】
1. 一種降水入滲過程及根系生長動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)系統(tǒng)，是由地下觀測(cè)室（1)、觀測(cè)池 (2) 、入滲水收集系統(tǒng)（3)、觀測(cè)根窗（4)組成，其特征是地下觀測(cè)室（1) 一面設(shè)有觀測(cè)根窗 (4) ，觀測(cè)根窗（4)由觀測(cè)窗（19)和外窗（20)構(gòu)成，觀測(cè)窗（19)由防彈玻璃做成，外窗（20) 是由不透光PVC材質(zhì)做成的可推拉式窗戶；地下觀測(cè)室（1)包括觀測(cè)室內(nèi)（5)和觀測(cè)室外 (6) ，觀測(cè)室外（6)由分布在地上觀測(cè)室周圍的觀測(cè)池（2)組成，觀測(cè)池（2)上部分為正方體 (7) ，下部分為錐形體（8)，錐形體（8)底部埋設(shè)有入滲水收集管（9);面向觀測(cè)室內(nèi)（5)的觀 測(cè)池（2)面上預(yù)留導(dǎo)水管出口（10);入滲水收集系統(tǒng)（3)由入滲水收集漏斗（11)、反滲層 (12)、固定支撐片（13)、導(dǎo)水管（14)、閥門（15)、拉桿（16)、撐桿（17)構(gòu)成，入滲水收集系統(tǒng) (3) 通過拉桿（16)和撐桿（17)固定在觀測(cè)池（2)內(nèi)，入滲水收集漏斗（11)居于不同深度 并焊接在等角度的固定支撐片（13)上并與導(dǎo)水管（14)連通；入滲水收集漏斗（11)內(nèi)填裝 不同粒徑石英礫石反滲層（12);導(dǎo)水管（14)通過預(yù)留的導(dǎo)水管出口（10)延伸至觀測(cè)室內(nèi) (5) ，導(dǎo)水管（14)上安裝閥門（15)，管口處置有滲漏水收集容器（18)。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK104459045SQ201410719410
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】劉新平, 趙學(xué)勇, 何玉惠, 張銅會(huì), 李玉霖, 云建英, 羅永清, 魏水蓮 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所