專利名稱：滲流補(bǔ)償式陸面蒸散儀測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于植物生理、生態(tài)監(jiān)測及農(nóng)田水利量測技術(shù)領(lǐng)域。涉及到對陸生植物散發(fā)、土壤蒸發(fā)、土體中水流下滲進(jìn)行自動觀測。特別涉及到陸生植物散發(fā)、土壤蒸發(fā)、水體下滲的對比觀測的方法。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外對于陸生植物散發(fā)、土壤蒸發(fā)的直接測量方法主要分為四類第一類，蒸滲儀方法，利用質(zhì)量平衡方法確定各種植物的蒸散發(fā)量及下滲量，例如，劉士平等的《新型蒸滲儀及其在農(nóng)田水文過程研究中的應(yīng)用》中使用過蒸滲儀。蒸滲儀方法，需將自然土體移入固定容器中二次栽培測量植物，一般需要大量的人力物力投入和長期維護(hù)過程，而且測量時(shí)要對植物進(jìn)行采樣、二次培養(yǎng)，只能近似模擬原生植物的生長狀態(tài)，有尺度轉(zhuǎn)換的問題，同時(shí)，該儀器可以監(jiān)測陸生植物的蒸散發(fā)量及下滲量，無法將蒸、散發(fā)分離測量。
第二類，渦動相關(guān)法，基于湍流理論的渦度相關(guān)法(Eddy covariancetechnique)，其物理理論最為完善可靠，且精度很高，因此被認(rèn)為是觀測微量氣體地氣交換通量的最好辦法，該方法可直接測算下墊面的顯熱和潛熱湍流脈動值，此方法已經(jīng)在CO2和水氣通量觀測中被廣泛應(yīng)用，由于昂貴的投入限制了它的普及應(yīng)用。由于超聲脈動儀探頭及其支架對氣流的擾動會引起嚴(yán)重的觀測誤差，另外，該方法在夜間及陰雨天氣測量的準(zhǔn)確率不高。
第三類，氣孔表。例如SALVADOR SANCHEZ-CARRILLO在《A simple methodfor estimating water loss by transpiration in wetlands.HydrologicalSciences-Journal，2001.46(4).》(一種估算濕地中蒸騰水損失的簡易方法)中使用過美國的LICOR型LI-1600氣孔表。通過物理探測方法直接對植物單片葉面的蒸騰速率進(jìn)行測量，以國外進(jìn)口產(chǎn)品為主，昂貴的價(jià)格使這種方法難以普及。雖然可以精確確定單片植物的蒸騰速度，但是推廣至整株植物及確定單位面積植物蒸散發(fā)量的誤差較大。
第四類，植物莖流系統(tǒng)，利用熱平衡原理測量單位時(shí)間通過植物莖干的水量，為了對影響水平衡的水面蒸發(fā)量、下滲量作出測量，還需配備多種專門的傳感器。測量時(shí)對被測植物桿莖粗細(xì)有所限制，一般適合單株木本植物散發(fā)測量，對于陸生草本植物的蒸、散發(fā)量及下滲量難于測量。
迄今為止，國內(nèi)外主要利用波文比方法、紊流擴(kuò)散方法建立專門蒸散發(fā)監(jiān)測站，通過對各種氣象參數(shù)的觀測利用各種公式間接推求蒸散發(fā)量，投入巨大難以普及，缺乏不擾動植物生長狀態(tài)而直接進(jìn)行測量的簡易方法。我國為農(nóng)業(yè)大國，水資源緊缺問題嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)消耗70％的供水量，由于各種環(huán)境下陸生植物蒸散發(fā)及下滲損失等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的直接觀測資料難于獲得，農(nóng)田、濕地等條件下水資源優(yōu)化配置研究難于深入?？紤]到我國環(huán)境水利領(lǐng)域?qū)χ脖徽羯l(fā)監(jiān)測強(qiáng)烈需求的現(xiàn)狀，為了減少投入，發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)、易操作、能夠測量各種環(huán)境下陸生植被蒸散發(fā)的儀器成為解決問題的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在不破壞陸生植物生長狀態(tài)的前提下連續(xù)自動地采集陸生植物的散發(fā)量、土壤蒸發(fā)量和下滲損失量數(shù)據(jù)的方法；此方法可解決各種陸地環(huán)境下植物散發(fā)量和土壤蒸發(fā)量及下滲損失量的確定問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案，在不破壞測點(diǎn)土壤和植被結(jié)構(gòu)的條件下把三個(gè)相同規(guī)格的下端開口且開口邊緣打磨鋒利鋸齒的不銹鋼圓筒置入陸生植物生長環(huán)境的土壤中，下部進(jìn)入土層70～75cm；操作時(shí)筒內(nèi)土面距筒口5～10cm。三筒內(nèi)的狀態(tài)分別為(1)原狀陸生植物且筒口開放，(2)維持通風(fēng)透光條件下阻斷植物水分傳輸處理后的植物且筒口開放，(3)筒內(nèi)具有原狀陸生植物修剪枝葉后的剩余桿莖且筒口封閉，通過側(cè)向通氣孔維持筒內(nèi)外氣壓一致。利用筒壁的隔絕作用使筒內(nèi)土體與筒外土體只有豎向的水量交換，利用安裝在每個(gè)圓筒中的剖面土壤水分傳感器測量筒內(nèi)土體的含水量變化，通過三個(gè)筒中土體水分變化量之間的補(bǔ)償關(guān)系分別得出植物散發(fā)量、土壤蒸發(fā)量和下滲損失量的數(shù)據(jù)。
內(nèi)含原狀陸生植物且筒口為開放狀態(tài)的筒內(nèi)水量平衡表達(dá)式Δ1＝R+I-E-S，其中R-降雨量，I-補(bǔ)充水量，E-植物蒸騰E2及地面蒸發(fā)量E1之和，S-下滲量筒內(nèi)為維持通風(fēng)透光條件下阻斷水分傳輸?shù)闹参锴疑喜繛殚_放狀態(tài)筒其內(nèi)部水量平衡表達(dá)式Δ2＝R+I-E1-S，其中R-降雨量，I-補(bǔ)充水量，E1-地面蒸發(fā)量，S-下滲量筒內(nèi)為處理后的植物桿莖且上部為封閉狀態(tài)的筒內(nèi)水量平衡表達(dá)式Δ3＝R+I-S，其中R-降雨量，I-補(bǔ)充水量，S-下滲量Δi-各筒中土壤含水量變化(mm)，筒壁使筒內(nèi)土體與周圍自然土體隔絕，各筒中心位置安裝剖面土壤水分傳感器，測量土壤含水量變化；各筒中土壤含水量變化由下式確定Δi=12Σj=1j=nhi,j(Si,j-1t1-Si,j-1t2+Si,jt1-Si,jt2)=12Σj=1j=nhi,j(ΔSi,j-1+ΔSi,j)]]>其中，i-測量筒編號j-剖面土壤水分傳感器探頭編號n-監(jiān)測土體分層數(shù)hi，j-監(jiān)測土體分層厚度(mm)ΔSi，j-1-計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)第i個(gè)筒中第j-1個(gè)剖面土壤水分傳感器探頭的實(shí)測值變化量，ΔSi,j-1=Si,j-1t1-Si,j-1t2(cm3/cm3)]]>
ΔSi，j-計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)第i個(gè)筒中第j個(gè)剖面土壤水分傳感器探頭的實(shí)測值變化量，ΔSi,j=Si,jt1-Si,jt2(cm3/cm3)]]>同一地點(diǎn)三筒內(nèi)的降雨量、補(bǔ)充水量、下滲損失量視為相同，對兩個(gè)鋼筒內(nèi)的植物作處理，阻斷上端開口筒的筒內(nèi)植物水分傳輸，保持通風(fēng)透光條件，對上端封閉的筒內(nèi)植物去掉上部枝葉但保留地面以上5cm植物桿莖部分。在三筒內(nèi)含水量與周圍環(huán)境產(chǎn)生差別影響蒸散發(fā)監(jiān)測時(shí)，調(diào)整筒位重新開始蒸散發(fā)監(jiān)測。通過一段時(shí)間間隔三筒內(nèi)土壤含水量差值及三筒之間的補(bǔ)償關(guān)系可以分別得出植物蒸騰量，土壤蒸發(fā)量及下滲損失量。
利用剖面土壤水分傳感器測量筒內(nèi)土壤含水量變化；利用單片機(jī)記錄及儲存能力，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)通電采集，利用GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)；利用密封蓄電池解決現(xiàn)場直流電源供應(yīng)問題，根據(jù)現(xiàn)場潮濕高溫的特殊性，將控制器、采集器、存儲器封閉在儀器箱中。
本發(fā)明的效果和益處是，直接在原狀陸生植物條件下進(jìn)行測量，避免二次栽培對植物生長狀態(tài)的擾動；剖面土壤水分傳感器，能夠滿足筒內(nèi)土壤含水量變化測量的要求；現(xiàn)場采用密封鉛酸蓄電池供電，操作維護(hù)簡單。采集器被密封在儀器箱中，適合各種野外環(huán)境；本發(fā)明解決了下墊面非飽和陸生植物蒸、散發(fā)量的測定問題，同時(shí)可對影響植物整體蒸散發(fā)的土壤蒸發(fā)及下滲損失水量進(jìn)行精確測定。整套系統(tǒng)操作維護(hù)簡單、實(shí)用性強(qiáng)，對比其他功能相似的儀器性價(jià)比較高?？蓮V泛用于各種陸生草本、木本植物的蒸散發(fā)測量，適用于農(nóng)田、水利等領(lǐng)域。


附圖1是滲流補(bǔ)償式陸面蒸滲儀剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1剖面土壤水分傳感器；2陸生植物；3筒壁扶手；4筒內(nèi)土壤表面；5圓筒；6筒內(nèi)土壤。
附圖2是滲流補(bǔ)償式陸面蒸滲儀剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中7處理后的植物。
附圖3是滲流補(bǔ)償式陸面蒸滲儀剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中8處理后的植物根莖；9密封筒蓋；10通氣孔。
附圖4是滲流補(bǔ)償式陸面蒸滲儀立面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中11打磨鋒利的鋸齒狀鋼筒下邊緣。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和最佳實(shí)施例。
實(shí)施例利用滲流補(bǔ)償式陸面蒸滲儀測量大連理工大學(xué)花壇綠化草場蒸散發(fā)量過程的方法和具體實(shí)施步驟如下步驟1.
把三不銹鋼圓筒，規(guī)格均為壁厚2～2.5mm，高80cm，筒口面積3000cm2，直徑61.8cm，等同于標(biāo)準(zhǔn)的E-601蒸發(fā)皿面積和直徑，按圓心間隔90厘米、圓心位于一條直線上的布局安裝在綠化草場區(qū)域。安裝時(shí)將圓筒5套在陸生植物2之上，不干擾其生長環(huán)境均勻加力旋轉(zhuǎn)筒壁扶手3壓入筒內(nèi)土壤6中，壓入深度70～75cm，此時(shí)筒內(nèi)土壤表面4距離筒口5～10cm。
步驟2.
將圖2所示的筒中的陸生植物2阻斷植物水分傳輸，保持通風(fēng)透光條件，形成處理后的植物7。將圖3所示筒中的陸生植物在土壤表面4以上5cm處切斷，形成處理后的植物根莖8，分別在三個(gè)筒內(nèi)的土壤中豎直放入剖面土壤水分傳感器1。三個(gè)剖面土壤水分傳感器安裝完畢后在圖3所示的筒上加密封筒蓋9，再利用通氣孔10保持筒內(nèi)外的壓力一致。通氣孔設(shè)在筒口以下2cm處，外側(cè)加防風(fēng)罩，通氣孔直徑為5～10mm。
步驟3.
把三根剖面土壤水分傳感器連接線接到控制器接口上，將系統(tǒng)調(diào)至GPRS無線采集狀態(tài)，設(shè)置采集間隔6小時(shí)。檢查接線，包括與計(jì)算機(jī)通訊線的連接，檢查之后打開電源開關(guān)，對儀器供電。檢查計(jì)算機(jī)與采集板之間的通訊狀態(tài)，確認(rèn)采集器模塊工作正常。
步驟4.
由計(jì)算機(jī)對采集板復(fù)位，清除以前的采集記錄，并在1～24小時(shí)之間設(shè)置采樣間隔時(shí)間。切斷電源。斷開與計(jì)算機(jī)的連接，給主控板供電。關(guān)閉密封盒，此時(shí)進(jìn)入自動采集狀態(tài)。
步驟5.
自動采集數(shù)據(jù)2～4周后，將計(jì)算機(jī)連接到采集器上，提取監(jiān)測數(shù)據(jù)。或者通過GPRS無線傳輸方式遠(yuǎn)程操作下載監(jiān)測數(shù)據(jù)。
步驟6.
采集一段時(shí)間后，調(diào)整筒位保持三筒內(nèi)外土壤含水量與周圍環(huán)境一致，重新開始采集數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種滲流補(bǔ)償式陸面蒸散儀測量方法，利用三個(gè)布置在同一地點(diǎn)、尺寸相同、下端開口、邊緣鋒利的不銹鋼筒，測量時(shí)三筒的狀態(tài)分別為上部開口筒內(nèi)為原狀陸生植物、上部開口筒內(nèi)為維持通風(fēng)透光條件下阻斷植物水分傳輸處理后的植物、上部封閉筒內(nèi)為處理后的植物；三筒內(nèi)深入土層內(nèi)部安裝同類型剖面土壤水分傳感器；通過測量各筒內(nèi)部土壤含水量的變化得出該處的植物散發(fā)量、土壤蒸發(fā)量和下滲量；滲流補(bǔ)償式陸面蒸散儀測量方法的特征是1)通過三個(gè)同規(guī)格鋼筒測量結(jié)果之間的補(bǔ)償關(guān)系確定同一地點(diǎn)陸生植物散發(fā)量、土壤蒸發(fā)量和滲流損失量；三筒的狀態(tài)分別為上部開口筒內(nèi)為原狀陸生植物，上部開口筒內(nèi)為維持通風(fēng)透光條件下阻斷植物水分傳輸處理后的植物，上部封閉筒內(nèi)有處理后的植物；筒口為開放狀態(tài)內(nèi)含原狀陸生植物筒的內(nèi)部水量平衡表達(dá)式Δ1＝R+I-E-S，其中R-降雨量，I-補(bǔ)充水量，E-植物蒸騰E2及地面蒸發(fā)量E1之和，S-下滲量筒內(nèi)為維持通風(fēng)透光條件下阻斷植物水分傳輸處理后的植物且上部為開放狀態(tài)筒的內(nèi)部水量平衡表達(dá)式Δ2＝R+I-E1-S，其中R-降雨量，I-補(bǔ)充水量，E1-地面蒸發(fā)量，S-下滲量筒內(nèi)為處理后的植物且上部為封閉狀態(tài)筒的內(nèi)部水量平衡表達(dá)式Δ3＝R+I-S，其中R-降雨量，I-補(bǔ)充水量，S-下滲量Δi-第i個(gè)筒內(nèi)的土壤含水量變化；2)筒壁隔絕筒內(nèi)土體與周圍自然土體的水分交換，各筒中心位置安裝剖面土壤水分傳感器，測量土壤含水量變化，各筒中土壤含水量變化由下式確定Δi=12Σj=1j=nhi,j(Si,j-1t1-Si,j-1t2-Si,jt1-Si,jt2)=12Σj=1j=nhi,j(ΔSi,j-1+ΔSi,j)]]>其中，i-測量筒編號j-剖面土壤水分傳感器探頭編號n-監(jiān)測土體分層數(shù)hi，j-監(jiān)測土體分層厚度(mm)ΔSi，j-1-計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)第i個(gè)筒中第j-1個(gè)剖面土壤水分傳感器探頭的實(shí)測值變化量，ΔSi,j-1=Si,j-1t1-Si,j-1t2(cm3/cm3)]]>ΔSi，j-計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)第i個(gè)筒中第j個(gè)剖面土壤水分傳感器探頭的實(shí)測值變化量，ΔSi,j=Si,jt1-Si,jt2(cm3/cm3);]]>3)將三個(gè)測量筒置于相同條件的自然陸生植被環(huán)境內(nèi)，無擾動條件下置入泥土中，下部進(jìn)入土層70～75cm；操作時(shí)筒內(nèi)地面距筒口5～10cm；4)對其中兩個(gè)鋼筒內(nèi)的植物作處理，阻斷上端開口筒的筒內(nèi)植物的水分傳輸，保持通風(fēng)透光條件，對上端封閉筒的內(nèi)部植物截掉上部枝葉保留地面以上5cm植物桿莖；5)數(shù)據(jù)采集器、控制器采用間歇式自動供電；自動采集數(shù)據(jù)2～4周后，將計(jì)算機(jī)連接到采集器上，提取監(jiān)測數(shù)據(jù)；或者通過GPRS無線傳輸方式遠(yuǎn)程操作下載監(jiān)測數(shù)據(jù)；6)當(dāng)各筒內(nèi)土壤含水量的差別影響監(jiān)測指標(biāo)一致性時(shí)，通過改變筒位使各筒初始含水量與周邊土體含水量一致。
全文摘要
本發(fā)明屬于植物生理生態(tài)監(jiān)測及農(nóng)業(yè)與水文監(jiān)測等技術(shù)領(lǐng)域，涉及到對陸生植物散發(fā)量、土壤蒸發(fā)量和下滲損失量直接測量的方法。其特征是把三個(gè)中空鋼筒置入原狀陸生植物生長環(huán)境土壤中，測量時(shí)三筒的狀態(tài)分別為上部開口筒內(nèi)為原狀陸生植物，上部開口筒內(nèi)為維持通風(fēng)透光條件下阻斷植物水分傳輸處理后的植物，上部密封筒內(nèi)為處理后的植物。利用剖面土壤水分傳感器測量筒內(nèi)土體含水量變化，根據(jù)三筒之間的補(bǔ)償關(guān)系對植物蒸散發(fā)、土壤蒸發(fā)、下滲損失量進(jìn)行直接測量。通過定期調(diào)整筒位使測量初始狀態(tài)下筒內(nèi)外的土體含水量一致。整個(gè)系統(tǒng)可自動采集數(shù)據(jù)并通過GPRS實(shí)時(shí)無線傳輸數(shù)據(jù)。本方法的效果和益處是操作簡單、維護(hù)方便，具有實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
文檔編號G01F22/00GK1657932SQ20051004595
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月27日
發(fā)明者許士國, 王昊, 周林飛 申請人:大連理工大學(xué)