降水入滲過程及根系生長動態(tài)綜合觀測系統(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態(tài)綜合觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由地下觀測室、觀測池、入滲水收集系統(tǒng)、觀測根窗構(gòu)成。地下觀測室由觀測室內(nèi)和觀測室外構(gòu)成，觀測室外由分布在地上觀測室周圍的觀測池組成。觀測池上部分為正方體，下部分為錐形體，錐形體底部埋設有入滲水收集管；滲水收集管連接滲水收集漏斗，導水管出口延伸至觀測室內(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、土壤水分運動和再分布過程、深層補給特征、水量平衡、植物水關(guān)系、根系生長動態(tài)等方面的試驗研究，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土壤環(huán)境的適應過程和機制提供科學依據(jù)。
【專利說明】降水入滲過程及根系生長動態(tài)綜合觀測系統(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態(tài)綜合觀測系統(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、土壤水分運動和再分布過程、深層補給特征、水量平 衡、植物水關(guān)系、根系生長動態(tài)等多方面的實驗研究。
[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)強烈，干旱缺水導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 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態(tài)方面的研究。我 們根據(jù)研究需要設計了降水入滲過程及植物根系生長動態(tài)綜合觀測系統(tǒng)，應用該系統(tǒng)并結(jié) 合相關(guān)觀測儀器可用于測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、深層補給量、水分利用效率等指標，可精確測定不同土壤層水分入滲補給量。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，同時應用該系統(tǒng)可有效減少了同類研究中利用水量平衡法間接計算深層補給量 而帶來的誤差，實現(xiàn)了多處理、多參數(shù)的同步觀測。
[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態(tài)綜合觀測系統(tǒng)。 利用該系統(tǒng)，可以根據(jù)需要配置多種實驗處理，從而實現(xiàn)多種條件下降水入滲過程、土壤水 深層補給、植物根系生長動態(tài)等多方面的控制試驗。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)： 一種降水入滲過程及根系生長動態(tài)綜合觀測系統(tǒng)，是由地下觀測室、觀測池、入滲水收 集系統(tǒng)、觀測根窗組成。觀測室一面設有觀測根窗，觀測根窗由觀測窗和外窗構(gòu)成，觀測窗 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；地下觀測室包括觀測室 內(nèi)和觀測室外，觀測室外由分布在地上觀測室周圍的觀測池組成。觀測池上部分為正方體， 下部分為錐形體，錐形體底部埋設有入滲水收集管；面向觀測室內(nèi)的觀測池面上預留導水 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，導水管出口延伸至觀測室內(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，深層補給 特征、植物根系生長動態(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；同時還可用于預測和評估氣候變化特別是降水 變化對植被生長和演替的影響； 2、 本發(fā)明可以根據(jù)試驗目的和處理試驗數(shù)據(jù)進行擴展和延伸，同時還可以根據(jù)需要增 加觀測指標，屬于可延展更新的觀測系統(tǒng)； 3、 本發(fā)明既能進行自然降水條件下的多參數(shù)協(xié)同觀測，亦可用于模擬降水條件下的多 參數(shù)觀測； 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)測系統(tǒng) 比較而言，該發(fā)明可設置多樣本多處理實驗，使樣地更具代表性，能顯著節(jié)約科研經(jīng)費，同 時還能通過增減觀測池數(shù)量實現(xiàn)不同處理的同步觀測和比較； 5、 本發(fā)明所用材料堅固耐用，不受環(huán)境條件的制約，可進行長期觀測。

【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為觀測池內(nèi)入滲水收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009] 圖3為觀測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沙地土壤水分變化。
[0011] 圖5為2010-2012年生長季降雨及潛在補給量變化。
[0012] 圖6為2010-2012年累積降雨量和潛在補給量變化。
[0013] 圖7為2010-2012年生長季降雨量和潛在補給系數(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給量。
[0016] 圖10為2010-2013年生長季降雨量和潛在補給系數(shù)；不同大寫和小寫字母代表降 雨量和潛在補給系數(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]

【具體實施方式】
[0022] 下面，結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案再作進一步的說明： 如圖1-3所示，一種降水入滲過程及根系生長動態(tài)綜合觀測系統(tǒng)，是由地下觀測室1、 觀測池2、入滲水收集系統(tǒng)3、觀測根窗4組成，地下觀測室1 一面設有觀測根窗4,觀測根 窗4由觀測窗19和外窗20構(gòu)成。觀測窗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，觀測時拉開外窗用根系掃描系統(tǒng)觀測，完成后密閉 外窗以不影響根系生長。地下觀測室1由觀測室內(nèi)5和觀測室外6構(gòu)成。觀測室外6由23 個分布在地上觀測室周圍的觀測池2組成。觀測池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底部埋設有入滲水收集管9;，面向觀測 室內(nèi)5的觀測池2面上預留導水管出口 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固定在觀測池2內(nèi)，入滲水收集漏斗11分別居于觀測池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，導水管出口 10延伸至觀測室內(nèi)5,并在導水管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 動態(tài)綜合觀測系統(tǒng)。根據(jù)試驗需求，地下觀測室1地面周圍共修建了 23個觀測池2,工程于 2009年5月完工，為防止觀測池漏水，對每個觀測池內(nèi)部做防水處理及密封。基于本發(fā)明研 究計劃的設置，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，共設置了 5種處理，即流動沙地自然恢復、流動沙地土壤、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、土壤水分及深層補給特征、不同生境 深層補給量比較、典型植物根系生物量及垂直分布格局等方面的研究。
[0024] 1.流動沙地土壤水分對降雨特征的響應 在2009年夏季，本發(fā)明將其中3個觀測池2分層填裝流動沙地土壤，并于2010年開 始觀測土壤水分對降雨格局的響應。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。對于流動沙地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與0-20cm基本一致，但 是變化強度隨著深度增加而減弱。當降雨量大于20 _或者幾個持續(xù)的降雨其總降雨量大 于20mm時，0-100cm深度土壤水分增加顯著。而只有當降雨量大于40mm或者幾個連續(xù) 降雨事件總降雨量大于40mm時，140-160cm土壤水分才能出現(xiàn)增加的趨勢(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 水分與降雨強度顯著相關(guān)0? = 〇.284,0.244，產(chǎn)〈0.05)，此外，降雨間隔時間與0-20cm 土壤水分顯著負相關(guān)0? = _〇. 293，/*〈0. 05)。
[0025] 表1為流動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態(tài)綜合觀測系統(tǒng)，是由地下觀測室（1)、觀測池 (2) 、入滲水收集系統(tǒng)（3)、觀測根窗（4)組成，其特征是地下觀測室（1) 一面設有觀測根窗 (4) ，觀測根窗（4)由觀測窗（19)和外窗（20)構(gòu)成，觀測窗（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；地下觀測室（1)包括觀測室內(nèi)（5)和觀測室外 (6) ，觀測室外（6)由分布在地上觀測室周圍的觀測池（2)組成，觀測池（2)上部分為正方體 (7) ，下部分為錐形體（8)，錐形體（8)底部埋設有入滲水收集管（9);面向觀測室內(nèi)（5)的觀 測池（2)面上預留導水管出口（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);導水管（14)通過預留的導水管出口（10)延伸至觀測室內(nèi) (5) ，導水管（14)上安裝閥門（15)，管口處置有滲漏水收集容器（18)。
【文檔編號】G01N33/00GK104459045SQ201410719410
【公開日】2015年3月25日 申請日期: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, 趙學勇, 何玉惠, 張銅會, 李玉霖, 云建英, 羅永清, 魏水蓮 申請人:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所