專利名稱：滲流補償式測量陸生植物蒸散發的裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于植物生理、生態監測及農田水利量測裝置領域。涉及到對陸生植物散發、土壤蒸發、土體中水流下滲進行自動觀測。特別涉及到陸生植物散發、土壤蒸發、水體下滲的對比觀測的裝置。
背景技術：
目前，國內外對于陸生植物散發、土壤蒸發的直接測量方法主要分為四類第一類，蒸滲儀方法，利用質量平衡方法確定各種植物的蒸散發量及下滲量，例如，劉士平等的《新型蒸滲儀及其在農田水文過程研究中的應用》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過程，而且測量時要對植物進行采樣、二次培養，只能近似模擬原生植物的生長狀態，有尺度轉換的問題，同時，該儀器可以監測陸生植物的蒸散發量及下滲量，無法將蒸、散發分離測量。
第二類，渦動相關法，基于湍流理論的渦度相關法(Eddy covariancetechnique)，其物理理論最為完善可靠，且精度很高，因此被認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，此方法已經在CO2和水氣通量觀測中被廣泛應用，由于昂貴的投入限制了它的普及應用。由于超聲脈動儀探頭及其支架對氣流的擾動會引起嚴重的觀測誤差，另外，該方法在夜間及陰雨天氣測量的準確率不高。
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行測量，以國外進口產品為主，昂貴的價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量的誤差較大。
第四類，植物莖流系統，利用熱平衡原理測量單位時間通過植物莖干的水量，為了對影響水平衡的水面蒸發量、下滲量作出測量，還需配備多種專門的傳感器。測量時對被測植物桿莖粗細有所限制，一般適合單株木本植物蒸散發測量，對于陸生草本植物的蒸、散發量及下滲量難于測量。
迄今為止，國內外主要利用波文比方法、紊流擴散方法建立專門蒸散發監測站，通過對各種氣象參數的觀測利用各種公式間接推求蒸散發量，投入巨大難以普及，缺乏不擾動植物生長狀態而直接進行測量的簡易方法。我國為農業大國，水資源緊缺問題嚴重，農業消耗70％的供水量，由于各種環境下陸生植物蒸散發及下滲損失等基礎數據的直接觀測資料難于獲得，農田、濕地等條件下水資源優化配置研究難于深入。考慮到我國環境水利領域對植被蒸散發監測強烈需求的現狀，為了減少投入，發明實用性強、易操作、能夠測量各種環境下陸生植被蒸散發的儀器成為解決問題的關鍵。
發明內容
本發明的目的是提供一種在不破壞陸生植物生長狀態的前提下連續自動地采集陸生植物的散發量、土壤蒸發量和下滲損失量數據的裝置；此裝置可解決各種陸地環境下植物散發量和土壤蒸發量及下滲損失量的確定問題。
本發明的技術方案，三個規格相同的不銹鋼筒壁厚2～2.5mm，高80cm，筒口面積3000cm2，直徑61.8cm，等同于標準E-601蒸發皿的面積和直徑，下端開口、邊緣打磨成鋒利鋸齒，在筒口處對稱垂直焊接1/8圓筒周長的4個把手，試驗時三筒內土體中心垂直安裝剖面土壤水分傳感器，三筒筒壁帶有高度標尺，刻度范圍為0～80cm。在其中一個鋼筒上部加密封蓋密封，在筒口以下2cm處設通氣孔，外側加防風罩，通氣孔直徑為5～10mm。在不破壞測點土壤和植被結構的條件下把它們置于陸生植物的生長環境中，放置時利用扶手均勻加力，邊轉動邊下壓，平穩地將筒壓入土壤層中，壓入深度70～75cm，保持筒內土壤面距筒口5～10cm。三筒內的狀態分別為(1)原狀陸生植物且筒口開放，(2)維持通風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)內含處理后的植物桿莖且筒口封閉，通過側向通氣孔維持筒內外氣壓一致。利用筒壁的隔絕作用使筒內土體與筒外土體只有豎向的水量交換，利用安裝在每個圓筒中的剖面土壤水分傳感器測量筒內土體的含水量變化，通過在三個筒中分別得出的剖面土壤水分傳感器測量的土體水分變化量之間的補償關系分別得出植物散發量、土壤蒸發量和下滲損失量的數據。
內含原狀陸生植物且筒口為開放狀態的筒內水量平衡表達式Δ1＝R+I-E-S，其中R-降雨量，I-補充水量，E-植物蒸騰E2及地面蒸發量E1之和，S-下滲量筒內為維持通風透光條件下阻斷水分傳輸的植物且上部為開放狀態筒其內部水量平衡表達式Δ2＝R+I-E1-S，其中R-降雨量，I-補充水量，E1-地面蒸發量，S-下滲量筒內為處理后的植物桿莖且上部為封閉狀態的筒內水量平衡表達式Δ3＝R+I-S，其中R-降雨量，I-補充水量，S-下滲量Δi-各筒中土壤含水量變化(mm)，筒壁使筒內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-監測土體分層數hi，j-監測土體分層厚度(mm)ΔSi，j-1-計算時段Δt內第i個筒中第j-1個剖面土壤水分傳感器探頭的實測值變化量，ΔSi,j-1=Si,j-1t1-Si,j-1t2,(cm3/cm3)]]>ΔSi，j-計算時段Δt內第i個筒中第j個剖面土壤水分傳感器探頭的實測值變化量，ΔSi,j=Si,jt1-Si,jt2(cm3/cm3)]]>同一地點三筒內的降雨量、補充水量、下滲損失量視為相同，對兩個鋼筒內的植物作處理，阻斷上端開口筒的筒內植物水分傳輸，保持通風透光條件，對上端封閉的筒內植物去掉上部枝葉但保留地面以上5cm植物桿莖部分。在三筒內含水量與周圍環境產生差別影響蒸散發監測時，調整筒位重新開始蒸散發監測。通過一段時間間隔三筒內土壤含水量差值及三筒之間的補償關系可以分別得出植物蒸騰量，土壤蒸發量及下滲損失量。
利用剖面土壤水分傳感器測量筒內土壤含水量變化；利用筒壁標尺記錄筒體進入土壤的深度；利用通氣孔使密封筒筒內外氣壓相同但筒內水汽不外泄；利用單片機記錄及儲存能力，實現定點通電采集，利用GPRS無線傳輸數據；利用密封蓄電池解決現場直流電源供應問題，根據現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。
本發明的效果和益處是，直接對原狀陸生植物進行測量，避免二次栽培對植物生長狀態的擾動；剖面土壤水分傳感器，能夠滿足筒內土壤含水量變化測量的要求；現場采用密封鉛酸蓄電池供電，操作維護簡單。采集器被密封在儀器箱中，適合各種野外環境；本發明解決了下墊面非飽和陸生植物蒸、散發的測定問題，同時可對影響植物整體蒸散發的土壤蒸發及下滲損失水量進行精確測定。整套系統操作維護簡單、實用性強且對比其他功能相似儀器性價比較高。可廣泛用于各種陸生草本、木本植物的蒸散發測量，適用于農田、水利等領域。
附圖1是滲流補償式陸面蒸滲儀剖面結構示意圖。
圖中1剖面土壤水分傳感器；2陸生植物；3筒壁扶手；4筒內土壤表面；5圓筒；6筒內土壤。
附圖2是滲流補償式陸面蒸滲儀剖面結構示意圖。
圖中7處理后的植物。
附圖3是滲流補償式陸面蒸滲儀剖面結構示意圖。
圖中8處理后的植物根莖；9密封筒蓋；10通氣孔。
附圖4是滲流補償式陸面蒸滲儀立面結構示意圖。
圖中11打磨鋒利的鋸齒狀鋼筒下邊緣。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖，詳細說明本發明的具體實施方式
和最佳實施例。
實施例利用滲流補償式陸面蒸滲儀測量大連理工大學花壇綠化草場蒸散發量過程的方法和具體實施步驟如下步驟1.
把三不銹鋼圓筒，規格均為壁厚2～2.5mm，高80cm，筒口面積3000cm2，直徑61.8cm，等同于標準的E-601蒸發皿面積和直徑，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域。安裝時將圓筒5套在陸生植物2之上，不干擾其生長環境均勻加力旋轉筒壁扶手3壓入筒內土壤6中，壓入深度70～75cm，此時筒內土壤表面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，分別在三個筒內的土壤中豎直放入剖面土壤水分傳感器1。三個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保持筒內外的壓力一致。通氣孔設在筒口以下2cm處，外側加防風罩，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，將系統調至GPRS無線采集狀態，設置采集間隔6小時。檢查接線，包括與計算機通訊線的連接，檢查之后打開電源開關，對儀器供電。檢查計算機與采集板之間的通訊狀態，確認采集器模塊工作正常。
步驟4.
由計算機對采集板復位，清除以前的采集記錄，并在1～24小時之間設置采樣間隔時間。切斷電源。斷開與計算機的連接，給主控板供電。關閉密封盒，此時進入自動采集狀態。
步驟5.
自動采集數據2～4周后，將計算機連接到采集器上，提取監測數據。或者通過GPRS無線傳輸方式遠程操作下載監測數據。
步驟6.
采集一段時間后，調整筒位保持三筒內外土壤含水量與周圍環境一致，重新開始采集數據。
權利要求
1.一種滲流補償式測量陸生植物蒸散發的裝置，利用三個布置在同一地點、尺寸相同、下端開口、邊緣打磨成鋒利鋸齒的不銹鋼筒，測量時三筒的狀態分別為上部開口筒內為原狀陸生植物、上部開口筒內為維持通風透光條件下阻斷植物水分傳輸處理后的植物、上部封閉筒內為處理后的植物；三筒內深入土層內部安裝同類型剖面土壤水分傳感器；測量它們內部土壤含水量的變化得出該處的植物散發量、土壤蒸發量和下滲量；滲流補償式陸面蒸散儀測量裝置的特征是1)三個測量圓筒采用不銹鋼制造，下部筒口打磨成鋒利鋸齒，壁厚2～2.5mm，高80cm，筒內面積3000cm2，直徑61.8cm；在筒口處對稱垂直焊接1/8圓筒周長的4個把手；2)三筒內土體中心安裝同類型剖面土壤水分傳感器，筒壁標記高度，標記范圍為0～80cm；3)上部封閉筒的筒口用密封圈密封，在筒口以下2cm處設通氣孔，外側加防風罩，通氣孔直徑為5～10mm；4)數據采集器、控制器采用間歇式自動供電；自動采集數據2～4周后，將計算機連接到采集器上，提取監測數據；或者通過GPRS無線傳輸方式遠程操作下載監測數據。
全文摘要
本發明屬于植物生理生態監測及農業與水文監測等技術領域，涉及到對陸生植物散發量、土壤蒸發量和下滲損失量直接測量的裝置。其特征是三個采用不銹鋼制造的測量筒，下部筒壁打磨鋒利呈鋸齒狀，在筒壁外側對稱焊接兩個把手，三筒內土體中心垂直安裝土壤剖面水分傳感器。在其中一個筒壁上設通氣孔，外側加防風罩。利用三種不同狀態筒內土體含水量變化之間關系計算植物散發量、土壤蒸發量及下滲損失量。通過定期調整筒位使測量初始期三筒內外的土體含水量一致。整個系統自動通電采集并處理數據，可通過GPRS實時傳輸數據或者存入存儲器中。本裝置的效果和益處是操作簡易、維護方便，具有實用性強等特點。
文檔編號G01F22/00GK1657931SQ20051004595
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月27日 優先權日2005年2月27日
發明者許士國, 王昊, 周林飛 申請人:大連理工大學
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