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一、應用

SoilScope 土壤生態(tài)水文觀測模擬設施可實現(xiàn)地下水位調(diào)控,，超滲產(chǎn)流實時監(jiān)測,，是水文、水資源領域研究“四水”轉(zhuǎn)換的重要設施,，為發(fā)展區(qū)域水文模型,、水資源管理提供支撐數(shù)據(jù)。

SoilScope設施既可人為設定蒸滲罐體內(nèi)的水位,，得到實時潛水蒸發(fā)量,，也可自動記錄水位、水勢的瞬時值,，在與大田水勢梯度一致的情況下,，得到罐體內(nèi)的土壤水動力學參數(shù)，水位變化量,、滲漏量,，揭開大田“黑箱”中的水文過程。

在降雨和灌溉過程中,，還可以實時自動記錄產(chǎn)流量,。

高精度稱重單元可測量各種類型降雨，從結(jié)露到下霜等,。在各種氣候和水分條件下測量與大田相同情況的蒸散量,、表層的實時蒸散值。

因蒸滲儀表面積可用戶定制,，可得到最佳降雨數(shù)據(jù),。物質(zhì)平衡、水量平衡和其它結(jié)果可從蒸滲儀尺寸及表面推廣到更大的尺度,。

SoilScope設施在作物主根域,，通過測量土壤不同深度的水量平衡和基質(zhì)勢，提供可用水量,、干旱脅迫,、過度施肥和過度灌溉預警。孔隙水取樣,，可將大田可用的水,、肥可視化，用于確定可用肥力和地下水污染的潛在威脅,。

二,、系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成和功能

SoilScope 生態(tài)水文過程觀測模擬設施由土柱,、稱重系統(tǒng)、地下水連通單元,、產(chǎn)流儀,、土壤水溫電導率傳感器、土壤溶液取樣單元,、EcoScope蒸滲中心軟件組成,，電源、維護井或地下室組成,。

2.1.1兩種水位調(diào)控模式

罐體內(nèi)地下水位控制有兩種模式,，即自動跟蹤與人為設定，水位精度可達0.2mm,。 補水,、排水精度達到0.001mm。

1）實現(xiàn)傳統(tǒng)的固定地下水位

人工設定固定水位,，水位平衡系統(tǒng)自動控制水泵,，當罐體內(nèi)水位低于設定值，水泵向罐體內(nèi)注水,；當罐體內(nèi)水位高于設定值,，水泵自動從罐體向外抽水，始終保持罐體水位在設定值附近,。向罐體內(nèi)注入的水和從罐體向外抽出的水,，都經(jīng)過高精度電子稱精確稱量，分辨率高達0.001mm,。

罐體底部的地下水連通器,，與受控的雙向高壓泵相連，當罐體內(nèi)的水位低于設定值時,，水泵通過連通器向罐體內(nèi)注水,，使罐體內(nèi)水位上升，達到預定水位時,，停止注水,。 反之，當罐體內(nèi)的水位高于設定值時,，水泵通過連通器向罐體外抽水,，使柱體內(nèi)水位下降，達到預定水位時,，停止抽水,。

向罐體內(nèi)注入的水量和從罐體向外抽取的水量，都會被設置的稱重單元精確計量，計量精度達到0.001mm,。 罐體內(nèi)的水位值,，由精密的水位計測量,，測量精度達到0.2mm,。

2）自動跟蹤水位模式

水位平衡系統(tǒng)同時測量罐體內(nèi)部水位和大田地下水位，自動跟蹤大田水位,，保持罐體內(nèi)水位與大田的地下水位在相同的水平,。控制動作過程與人為設定模式一樣,。大田的水位值,，也是由精密的水位計測量，測量精度達到0.2mm,。 自動水位調(diào)控方式,，相當于把罐體內(nèi)的地下水位與大田地下水位連通，用于*模擬自然的田間水分狀況,。

水位控制系統(tǒng),，每小時測量一次水位，并補充或抽取蒸散水量,，可以得到罐體內(nèi)蒸散的日變化曲線,。

3）人為設定水位調(diào)控模式 水位調(diào)控可以兼容兩種控制、調(diào)節(jié)方式,，即人為設定和自動調(diào)控,。

人為設定模式：罐體內(nèi)部水位*由人工任意設置,，最高可以到罐體內(nèi)土壤表面，可以將罐體內(nèi)部自由水*排空,。人為設定模式可以根據(jù)實驗目的,，任意改變罐體內(nèi)的地下水位，并觀察在不同的地下水位時作物的水分利用情況,。

2.1.2 產(chǎn)流（Runoff）收集與測量

由罐體內(nèi)地表產(chǎn)流的收集裝置,、導流管,、200kg緩沖儲水箱、高精度電子稱組成,。

徑流收集裝置可設置在罐體內(nèi)土壤表層的中部,，一個漏斗形的帶過濾網(wǎng)的進水口，可以調(diào)整進水口高度,，避免被土壤堵塞,。

2.1.3 地下水連通控制器

1）確保罐體內(nèi)的土壤水文過程與大田一致

蒸滲儀柱體底部的水勢參數(shù)是衡量蒸滲儀土柱與野外實際情況是否一致的必要指標，也是影響蒸滲儀土柱內(nèi)植物生長環(huán)境的關鍵指標,。

國內(nèi)蒸滲透儀系統(tǒng)底部的處理一般采用碎石和細砂作為濾層,，使用過程中無法得到底部水勢參數(shù)，此外,，長年的運行,，也會導致底部的微生物環(huán)境與罐體外大相徑庭。

SoilScope系統(tǒng)底部的地下水連通器可實現(xiàn)底部的注水或排水,，且質(zhì)地堅硬，能承載數(shù)十噸重的土體重量,。除用于測定田間水勢的變化外，還可測量排水量,定量控制蒸滲儀柱體底部的水勢,。蒸滲儀底部水勢和罐體外部水勢始終保持一致,。

2）自動實施排水和補水：當?shù)叵滤裆畋容^深，傳統(tǒng)的蒸滲儀系統(tǒng)的土柱體高度無法達到地下水位時,，無法調(diào)節(jié)柱體底部水勢。SoilScope系統(tǒng)配置了帶有稱重系統(tǒng)的水桶,，能提供或接收連通器的排水,，也能從水桶中抽水，實現(xiàn)補水,，且排水量和補水量自動被數(shù)據(jù)采集器存儲和記錄,。

2.1.4自動溶液取樣單元：土壤溶液的取樣是系統(tǒng)自動完成的。自動采樣泵的數(shù)據(jù)也可記錄在數(shù)據(jù)采集器中,。傳統(tǒng)的蒸滲儀系統(tǒng)一般采用人工采樣,，耗時耗力，且無法實現(xiàn)定時采樣,。

自動采樣泵：可連續(xù)輸出或張力控制輸出,。帶鍵盤和彩色、背景光顯示屏幕,，可方便設置和查看?？砷L期,、連續(xù)運行。用于精確的孔隙水和滲漏水取樣,。是目前國際技術和產(chǎn)品,，廣泛用于歐盟蒸滲站。

2.1.5土壤傳感器

EcoScope系統(tǒng)中采用的土壤水分傳感器有兩種可選,，即AIM-TDR 及AZS-3,。此兩種傳感器都獲得了“水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心”檢測合格證,。

AIM-TDR 來自德國IMKO公司定制產(chǎn)品,，其技術與Trime-PICO相同,，是市場的TDR原理土壤水分傳感器，確保在測量土壤水分的過程中,，不受土壤溫度,、電導率的影響。該傳感器技術在全球已經(jīng)使用了近三十年,，用戶遍布歐盟,、美國、英國,、加拿大,、亞洲等國家實驗室、大學和科研機構。

AZS-3 土壤水分溫度傳感器AZS-3土壤水分傳感器（Soil Moisture Probe type AZS-3）采用頻域（FD）原理來測量土壤中水分的含量,。該傳感器系列已用于國內(nèi)農(nóng)業(yè),、水利、林業(yè),、生態(tài),、土壤科學研究達十年之久，是性價比高的水分傳感器,。

采用負壓原理測量土壤水勢,，不受土壤電導率的影響，適用于農(nóng)田研究,。采用外部注水,，維護方便。帶有溫度傳感器,，液面指示器,，便于注水時檢測氣泡，同時便于冬季排水,，保護凍土層陶瓷杯,，性能穩(wěn)定、耐用是目前廣泛用于歐盟蒸滲站的傳感器,。

2.1.6 SoilScope設施數(shù)據(jù)采集和傳輸

中心控制軟件EcoScope 是澳作生態(tài)儀器公司自行研發(fā)設計、擁有軟件著作權的的專業(yè)生態(tài)環(huán)境采集,、計算軟件,。用戶可自由選擇同時顯示在屏幕上的測點數(shù)據(jù)，如瀏覽各柱體的重量,、產(chǎn)流量,、各層土壤水分、溫度,、EC數(shù)據(jù),；同一界面顯示同一柱體多層、或不同柱體同一層的土壤參數(shù),；對比顯示不同柱體的重量,、產(chǎn)流量,、各層土壤水分、溫度,、EC數(shù)據(jù),；顯示計算的參數(shù)如ET、潛水蒸發(fā)量,。

2.2 系統(tǒng)布設

系統(tǒng)可以按照維護井和土柱井分別放入大田的方式建造如圖1，也可以將多個土柱放入一個地下室,，如圖2,。罐體內(nèi)的布設圖如圖3 ，用戶可自設定土體剖面監(jiān)測的深度和層數(shù),。

2.3 數(shù)據(jù)采集頻率

重量測量間隔是1min，土壤水分,、水勢,、溫度、測量間隔是30min,。

系統(tǒng)軟件直接輸出土柱重量,、土壤剖面水勢,、水分、溫度,、土壤溶液取樣負壓。

2.4觀測指標

SoilScope 生態(tài)水文過程觀測模擬設施,，提供如下觀測數(shù)據(jù)：

1）每分鐘測量,、記錄土柱重量。

2）維持罐體內(nèi)水位在預設值,，每小時檢測水位值,，若水位不在預設值，啟動補水或抽水泵,。隨大田水位調(diào)控的測筒,，控制原理相同,。

3）實時自動記錄產(chǎn)流量,。

4）每半小時（或的間隔）記錄土壤水分,、溫度、電導率,、水勢數(shù)據(jù)

5）啟動土壤溶液取樣裝置后，自動自動采集土壤溶液樣品,，實驗人員及時將采集的水樣取走,，倒空采樣瓶。

三,、應用案例

1,、地下水位調(diào)控系統(tǒng)

德國UMS公司建造的意大利NaPles 蒸滲儀系統(tǒng)用于原油事故污染土壤的生物修復,。此外，也研究化學物質(zhì)在固態(tài),、液態(tài),、氣態(tài)轉(zhuǎn)換中的運移,。用戶是Naples University,。

  該系統(tǒng)帶地下水位調(diào)控,，根據(jù)野外的地下水位調(diào)控罐體內(nèi)的地下水位,，使它們保持一致,。 如下圖：

2,、地表徑流收集系統(tǒng)

Dedelow 蒸滲儀系統(tǒng)是歐盟大型項目TERENO的 蒸滲儀站之一,，帶地表徑流收集功能，用于研究氣候變化,。歐盟TERENO SoilCAN-氣候反饋機理項目的研究目標是氣候變化對如下生態(tài)因子影響的特征分析和定量分析：

n C-/N 循環(huán) 和 C-/N 儲量的變化

n 生物-大氣界面上溫室氣體的交換

n 植被和微生物多樣性及C和 N的動態(tài)變化,，以及與生物多樣性變化的耦合關系

n 陸地水文（水量平衡，降雨變化,，水文-氣象事件（洪澇,、干旱）、滲漏水質(zhì)和水量,、持水能力）

研究入滲能力的蒸滲儀設計圖如下,，在Dedelow 蒸滲系統(tǒng)中，罐體表層中間有個地表徑流收集器,，比土壤表層高10mm,，比罐體外沿低20mm。罐體外有地表徑流的水管,。

部分國內(nèi)外應用如下：

 左圖：土壤植被對氣候變化響應模擬觀測研究,；右圖：工業(yè)污染生態(tài)修復模擬觀測研究

長江科學院貴州蒸滲儀站安裝調(diào)試

中國農(nóng)科院草原所蒸滲儀站安裝調(diào)試

黑龍江水科院蒸滲儀站安裝調(diào)試

安徽水科院蒸滲儀站安裝調(diào)試