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渗流补偿式陆面蒸散仪测量方法

阅读：63发布：2020-05-13

IPRDB可以提供渗流补偿式陆面蒸散仪测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于植物生理生态监测及农业与水文监测等技术领域，涉及到对陆生植物散发量、土壤蒸发量和下渗损失量直接测量的方法。其特征是把三个中空钢筒置入原状陆生植物生长环境土壤中，测量时三筒的状态分别为：上部开口筒内为原状陆生植物，上部开口筒内为维持通风透光条件下阻断植物水分传输处理后的植物，上部密封筒内为处理后的植物。利用剖面土壤水分传感器测量筒内土体含水量变化，根据三筒之间的补偿关系对植物蒸散发、土壤蒸发、下渗损失量进行直接测量。通过定期调整筒位使测量初始状态下筒内外的土体含水量一致。整个系统可自动采集数据并通过GPRS实时无线传输数据。本方法的效果和益处是操作简单、维护方便，具有实用性强等特点。，下面是渗流补偿式陆面蒸散仪测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种渗流补偿式陆面蒸散仪测量方法，利用三个布置在同一地点、直径等同于E601蒸发皿直径且规格相同、下端开口、边缘锋利的不锈钢筒，测量时三筒的状态分别为上部开口筒内为原状陆生植物、上部开口筒内为维持通风透光条件下阻断植物水分传输处理后的植物、上部封闭筒内为去除枝叶且保留地面上一部分杆茎的植物同时其筒壁留有通气孔保持筒内外等压；三筒内深入土层内部安装同类型剖面土壤水分传感器；通过测量各筒内部土壤含水量的变化得出该处的植物散发量、土壤蒸发量和下渗量；渗流补偿式陆面蒸散仪测量方法的特征是：1)通过直径等同于E601蒸发皿直径且规格相同钢筒测量结果之间的补偿关系确定同一地点陆生植物散发量、土壤蒸发量和渗流损失量；三筒的状态分别为：上部开口筒内为原状陆生植物，上部开口筒内为维持通风透光条件下阻断植物水分传输处理后的植物，上部封闭筒内为去除枝叶且保留地面上一部分杆茎的植物同时其筒壁留有通气孔保持筒内外等压；

筒口为开放状态内含原状陆生植物筒的内部水量平衡表达式：

Δ1＝R+I-E-S，其中R为降雨量，I为补充水量，E为植物蒸腾E2及地面蒸发量E1之和，S为下渗量

筒内为维持通风透光条件下阻断植物水分传输处理后的植物且上部为开放状态筒的内部水量平衡表达式：

Δ2＝R+I-E1-S，其中R为降雨量，I为补充水量，E1为地面蒸发量，S为下渗量

筒内为去除枝叶且保留地面上一部分杆茎的植物同时其筒壁留有通气孔保持筒内外等压、上部为封闭状态筒的内部水量平衡表达式：

Δ3＝R+I-S，其中R为降雨量，I为补充水量，S为下渗量

Δi为第i个筒内的土壤含水量变化；

2)筒壁隔绝筒内上体与周围自然土体的水分交换，各筒中心位置安装剖面土壤水分传感器，测量土壤含水量变化，各筒中土壤含水量变化由下式确定：

$Δ_{i} = \frac{1}{2} Σ_{j = 1}^{j = n} h_{i, j} (S_{i, j - 1}^{t_{1}} - S_{i, j - 1}^{t_{2}} + S_{i, j}^{t_{1}} - S_{i, j}^{t_{2}}) = \frac{1}{2} Σ_{j = 1}^{j = n} h_{i, j} ({ΔS}_{i, j - 1} + {ΔS}_{i, j})$ 其中，i为测量筒编号

j为剖面土壤水分传感器探头编号

n为监测土体分层数

hi，j为监测土体分层厚度

ΔSi，j-1为计算时段Δt内第i个筒中第j-1个剖面土壤水分传感器探头的实测值变化量， ${ΔS}_{i, j - 1} = S_{i, j - 1}^{t_{1}} - S_{i, j - 1}^{t_{2}}$ ΔSi，j为计算时段Δt内第i个筒中第j个剖面土壤水分传感器探头的实测值变化量， ${ΔS}_{i, j} = S_{i, j}^{t_{1}} - S_{i, j}^{t_{2}};$ 3)将三个测量筒置于相同条件的自然陆生植被环境内，无扰动条件下置入泥土中，下部进入土层70～75cm；操作时筒内地面距筒口5～10cm；

4)对其中两个钢筒内的植物作处理，阻断上端开口筒的筒内植物的水分传输，保持通风透光条件，对上端封闭筒的内部植物截掉上部枝叶保留地面以上5cm的植物杆茎，筒壁留有通气孔保持筒内外等压；

5)数据采集器、控制器采用间歇式自动供电；自动采集数据2～4周后，将计算机连接到采集器上，提取监测数据；或者通过GPRS无线传输方式远程操作下载监测数据；

6)当各筒内土壤含水量的差别影响监测指标一致性时，通过改变筒位使各筒初始含水量与周边土体含水量一致。

说明书全文

技术领域

本发明属于植物生理、生态监测及农田水利量测技术领域。涉及到对陆生植物散发、土壤蒸发、土体中水流下渗进行自动观测。特别涉及到陆生植物散发、土壤蒸发、水体下渗的对比观测的方法。

背景技术

目前，国内外对于陆生植物散发、土壤蒸发的直接测量方法主要分为四类：
第一类，蒸渗仪方法，利用质量平衡方法确定各种植物的蒸散发量及下渗量，例如，刘士平等的《新型蒸渗仪及其在农田水文过程研究中的应用》中使用过蒸渗仪。蒸渗仪方法，需将自然土体移入固定容器中二次栽培测量植物，一般需要大量的人力物力投入和长期维护过程，而且测量时要对植物进行采样、二次培养，只能近似模拟原生植物的生长状态，有尺度转换的问题，同时，该仪器可以监测陆生植物的蒸散发量及下渗量，无法将蒸、散发分离测量。
第二类，涡动相关法，基于湍流理论的涡度相关法(Eddy covariance technique)，其物理理论最为完善可靠，且精度很高，因此被认为是观测微量气体地气交换通量的最好办法，该方法可直接测算下垫面的显热和潜热湍流脉动值，此方法已经在CO2和水气通量观测中被广泛应用，由于昂贵的投入限制了它的普及应用。由于超声脉动仪探头及其支架对气流的扰动会引起严重的观测误差，另外，该方法在夜间及阴雨天气测量的准确率不高。
第三类，气孔表。例如SALVADOR SANCHEZ-CARRILLO在《A simple method for estimating water loss by transpiration in wetlands.Hydrological Sciences-Journal，2001.46(4).》(一种估算湿地中蒸腾水损失的简易方法)中使用过美国的LICOR型LI-1600气孔表。通过物理探测方法直接对植物单片叶面的蒸腾速率进行测量，以国外进口产品为主，昂贵的价格使这种方法难以普及。虽然可以精确确定单片植物的蒸腾速度，但是推广至整株植物及确定单位面积植物蒸散发量的误差较大。
第四类，植物茎流系统，利用热平衡原理测量单位时间通过植物茎干的水量，为了对影响水平衡的水面蒸发量、下渗量作出测量，还需配备多种专门的传感器。测量时对被测植物杆茎粗细有所限制，一般适合单株木本植物散发测量，对于陆生草本植物的蒸、散发量及下渗量难于测量。
迄今为止，国内外主要利用波文比方法、紊流扩散方法建立专门蒸散发监测站，通过对各种气象参数的观测利用各种公式间接推求蒸散发量，投入巨大难以普及，缺乏不扰动植物生长状态而直接进行测量的简易方法。我国为农业大国，水资源紧缺问题严重，农业消耗70％的供水量，由于各种环境下陆生植物蒸散发及下渗损失等基础数据的直接观测资料难于获得，农田、湿地等条件下水资源优化配置研究难于深入。考虑到我国环境水利领域对植被蒸散发监测强烈需求的现状，为了减少投入，发明实用性强、易操作、能够测量各种环境下陆生植被蒸散发的仪器成为解决问题的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不破坏陆生植物生长状态的前提下连续自动地采集陆生植物的散发量、土壤蒸发量和下渗损失量数据的方法；此方法可解决各种陆地环境下植物散发量和土壤蒸发量及下渗损失量的确定问题。
本发明的技术方案，在不破坏测点土壤和植被结构的条件下把三个相同规格的下端开口且开口边缘打磨锋利锯齿的不锈钢圆筒置入陆生植物生长环境的土壤中，下部进入土层70～75cm；操作时筒内土面距筒口5～10cm。三筒内的状态分别为(1)原状陆生植物且筒口开放，(2)维持通风透光条件下阻断植物水分传输处理后的植物且筒口开放，(3)筒内具有原状陆生植物修剪枝叶后的剩余杆茎且筒口封闭，通过侧向通气孔维持筒内外气压一致。利用筒壁的隔绝作用使筒内土体与筒外土体只有竖向的水量交换，利用安装在每个圆筒中的剖面土壤水分传感器测量筒内土体的含水量变化，通过三个筒中土体水分变化量之间的补偿关系分别得出植物散发量、土壤蒸发量和下渗损失量的数据。
内含原状陆生植物且筒口为开放状态的筒内水量平衡表达式：
Δ1＝R+I-E-S，其中R-降雨量，I-补充水量，E-植物蒸腾E2及地面蒸发量E1 之和，S-下渗量
筒内为维持通风透光条件下阻断水分传输的植物且上部为开放状态筒其内部水量平衡表达式：
Δ2＝R+I-E1-S，其中R-降雨量，I-补充水量，E1-地面蒸发量，S-下渗量筒内为处理后的植物杆茎且上部为封闭状态的筒内水量平衡表达式：
Δ3＝R+I-S，其中R-降雨量，I-补充水量，S-下渗量
Δi-各筒中土壤含水量变化(mm)，
筒壁使筒内土体与周围自然土体隔绝，各筒中心位置安装剖面土壤水分传感器，测量土壤含水量变化；各筒中土壤含水量变化由下式确定：

Δ_{i} = \frac{1}{2} Σ_{j = 1}^{j = n} h_{i, j} (S_{i, j - 1}^{t_{1}} - S_{i, j - 1}^{t_{2}} + S_{i, j}^{t_{1}} - S_{i, j}^{t_{2}}) = \frac{1}{2} Σ_{j = 1}^{j = n} h_{i, j} (Δ S_{i, j - 1} + Δ S_{i, j})

其中，i-测量筒编号
j-剖面土壤水分传感器探头编号
n-监测土体分层数
hi，j-监测土体分层厚度(mm)
ΔSi，j-1-计算时段Δt内第i个筒中第j-1个剖面土壤水分传感器探头的实测值变化量，

Δ S_{i, j - 1} = S_{i, j - 1}^{t_{1}} - S_{i, j - 1}^{t_{2}}, ({cm}^{3} / {cm}^{3})

ΔSi，j-计算时段Δt内第i个筒中第j个剖面土壤水分传感器探头的实测值变化量，

Δ S_{i, j} = S_{i, j}^{t_{1}} - S_{i, j}^{t_{2}}, ({cm}^{3} / {cm}^{3})

同一地点三筒内的降雨量、补充水量、下渗损失量视为相同，对两个钢筒内的植物作处理，阻断上端开口筒的筒内植物水分传输，保持通风透光条件，对上端封闭的筒内植物去掉上部枝叶但保留地面以上5cm植物杆茎部分。在三筒内含水量与周围环境产生差别影响蒸散发监测时，调整筒位重新开始蒸散发监测。通过一段时间间隔三筒内土壤含水量差值及三筒之间的补偿关系可以分别得出植物蒸腾量，土壤蒸发量及下渗损失量。
利用剖面土壤水分传感器测量筒内土壤含水量变化；利用单片机记录及储存能力，实现定点通电采集，利用GPRS无线传输数据；利用密封蓄电池解决现场直流电源供应问题，根据现场潮湿高温的特殊性，将控制器、采集器、存储器封闭在仪器箱中。
本发明的效果和益处是，直接在原状陆生植物条件下进行测量，避免二次栽培对植物生长状态的扰动；剖面土壤水分传感器，能够满足筒内土壤含水量变化测量的要求；现场采用密封铅酸蓄电池供电，操作维护简单。采集器被密封在仪器箱中，适合各种野外环境；本发明解决了下垫面非饱和陆生植物蒸、散发量的测定问题，同时可对影响植物整体蒸散发的土壤蒸发及下渗损失水量进行精确测定。整套系统操作维护简单、实用性强，对比其他功能相似的仪器性价比较高。可广泛用于各种陆生草本、木本植物的蒸散发测量，适用于农田、水利等领域。

附图说明

附图1是渗流补偿式陆面蒸渗仪剖面结构示意图。
图中：1剖面土壤水分传感器；2陆生植物；3筒壁扶手；4筒内土壤表面；5圆筒；6筒内土壤。
附图2是渗流补偿式陆面蒸渗仪剖面结构示意图。
图中：7处理后的植物。
附图3是渗流补偿式陆面蒸渗仪剖面结构示意图。
图中：8处理后的植物根茎；9密封筒盖；10通气孔。
附图4是渗流补偿式陆面蒸渗仪立面结构示意图。
图中：11打磨锋利的锯齿状钢筒下边缘。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细说明本发明的具体实施方式和最佳实施例。
实施例：
利用渗流补偿式陆面蒸渗仪测量大连理工大学花坛绿化草场蒸散发量过程的方法和具体实施步骤如下：
步骤1.
把三不锈钢圆筒，规格均为壁厚2～2.5mm，高80cm，筒口面积3000cm2，直径61.8cm，等同于标准的E-601蒸发皿面积和直径，按圆心间隔90厘米、圆心位于一条直线上的布局安装在绿化草场区域。安装时将圆筒5套在陆生植物2 之上，不干扰其生长环境均匀加力旋转筒壁扶手3压入筒内土壤6中，压入深度70～75cm，此时筒内土壤表面4距离筒口5～10cm。
步骤2.
将图2所示的筒中的陆生植物2阻断植物水分传输，保持通风透光条件，形成处理后的植物7。将图3所示筒中的陆生植物在土壤表面4以上5cm处切断，形成处理后的植物根茎8，分别在三个筒内的土壤中竖直放入剖面土壤水分传感器1。三个剖面土壤水分传感器安装完毕后在图3所示的筒上加密封筒盖9，再利用通气孔10保持筒内外的压力一致。通气孔设在筒口以下2cm处，外侧加防风罩，通气孔直径为5～10mm。
步骤3.
把三根剖面土壤水分传感器连接线接到控制器接口上，将系统调至GPRS无线采集状态，设置采集间隔6小时。检查接线，包括与计算机通讯线的连接，检查之后打开电源开关，对仪器供电。检查计算机与采集板之间的通讯状态，确认采集器模块工作正常。
步骤4.
由计算机对采集板复位，清除以前的采集记录，并在1～24小时之间设置采样间隔时间。切断电源。断开与计算机的连接，给主控板供电。关闭密封盒，此时进入自动采集状态。
步骤5.
自动采集数据2～4周后，将计算机连接到采集器上，提取监测数据。或者通过GPRS无线传输方式远程操作下载监测数据。
步骤6.
采集一段时间后，调整筒位保持三筒内外土壤含水量与周围环境一致，重新开始采集数据。

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