专利名称：沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施的制作方法
技术领域：
沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施 技术领城本实用新型涉及生态系统主要生态过程与其主要限制因子变化的关系 的模拟设施，具体地说是一种沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟 设施。
背景技术：
近年来全球变化已经引起各界学者的广泛重视，水分环境作为全球变化 的主要组成部分，是沙地疏林草地生态系统过程最重要的限制因子，因此沙 地疏林草地生态系统对全球变化引起的水热耦合格局变化具有最灵敏的响 应，所以通过模拟沙地水分环境的变化，研究沙地疏林草地的净初级生产力、土壤C02通量、植被及物种组成变化，以及土壤养分循环过程等主要生态 过程的响应，能为预测沙地疏林草地生态系统变化趋势提供科学参考，进一 步为在全球变化背景下沙地疏林草地生态系统的经营管理提出合理的应对 策略，对实现沙地疏林草地生态系统的可持续发展具有重要意义。目前水分环境变化的模拟方法主要有盆栽模拟和水泥池模拟。盆栽模 拟水分环境的变化适用于研究不同物种在不同水分环境下的生理与形态变 化，该法操作简单，费用低廉，在对比研究时又具有一定的准确性，因此 应用十分广泛，但盆栽的盆子容量有限，因此不能重现被研究物种的原始 状态，所以只能用于幼苗或者小体积物种的比较研究。水泥池模拟方法与 盆栽模拟法相比增大了研究面积，目前有的水泥池尺寸达到了 1.5mx2m, 但依然跟野外原位生态系统有很大差别，不能代表原生的沙地疏林草地生 态系统的水分变化特征。而且盆栽和水泥池模拟水分环境变化的研究多是 采用地下水作为水源，地下水的养分及矿质含量等水质特征与天然降水是 有差异的，这也导致这些方法的水分环境变化模拟不能真正代表天然降水 特征。目前有研究者用小面积遮雨棚在野外对草地生态系统进行过干旱化 模拟的研究，也出现过人工浇水或用小型模拟降雨装置在野外进行的湿润 化模拟试验，但这些模拟水份变化的研究都是单向的，而生态系统水分环 境的变化恰恰包括干旱化与湿润化两个方面，因此国内外对生态系统水分环境的变化模拟方法都是不完善的。目前尚未发现能将模拟干旱化与湿润 化在野外原位样地进行有机结合的设施的报道。 实用新型内容 本实用新型的目的是提供一种接近天然状态的，能代表天然沙地疏林 草地生态系统生态特征的，适用于野外原位模拟的沙地疏林草地生态系统 水分环境变化的模拟设施。本实用新型技术方案如下本模拟措施包括千旱化模拟装置和湿润化 模拟装置，干單化模拟装置通过蓄水装置与湿润化模拟装置相连，其中 所述干單化模拟装置由遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置组成，遮雨装置与导水装置管路相连，导水装置输出至蓄水装置；防侧渗装置位 于遮雨装置下部内侧安装；所述湿润化模拟装置由供水装置、输水装置、 降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置组成，其供水装置输入接收 蓄水装置水源，输出端经输水装置和降雨量监测装置至降雨发生装置，防 侧渗装置位于降雨发生装置下部内侧安装。所述干旱化模拟装置包括遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装 置，所述遮雨装置为由具有弧状顶部的第一支架支撑遮雨棚结构，安装在 研究样地四周；所述导水装置由横截面上开口结构的导水主管和导水支管 构成，导水主管平行安放在遮雨棚上，导水支管一端分别与导水主管相连， 另一端连接蓄水装置；所述蓄水装置上端开口与导水支管相连，下端开口 与湿润化模拟装置中的供水装置相连；所述防侧渗装置为防渗屏障结构， 围绕研究样地四周垂直设置于地下；防侧渗装置位于遮雨装置中第一支架 下部内侧安装。所述湿润化模拟装置包括供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨 量监测装置和防侧渗装置，其中所述供水装置包括滤网、逆止阀和水泵； 滤网安放在作为水源的蓄水装置与水泵的管路接口处，逆止阀安装滤网的 靠近水泵的一侧，水泵输出端与输水装置中输水干管相连，水泵作为模拟 降雨的动力装置，可以通过选择水泵的规格控制模拟降雨的雨强；输水装 置包括输水干管、输水主管和一组输水支管；所述输水干管一端与水泵相 连，另一端与输水主管相连，输水主管的另一端封闭，安放在降雨发生装 置的第二支架上，位于研究样地一侧悬空放置， 一组一端封闭的输水支管 的一端与输水主管相连，输水支管间水平等距设置，另一端安装在第二支 架上，纵向均匀的平行于研究样地地面；降雨发生装置包括第二支架和一 组喷头，第二支架为平顶结构，安装在研究样地四周， 一组喷头等距的安 装在每根输水支管上；降雨量监测装置采用流量计，安放在输水干管与输 水主管的接口处；防侧渗装置位于降雨发生装置中第二支架下部内侧安装。输水支管的间隔距离小于喷头喷洒半径，以便消除喷洒盲区；所述遮 雨棚采用透光性好的聚乙烯材料；所述防侧渗装置釆用不透水材料。本实用新型工作原理干旱化模拟装置中遮雨装置在发生天然降雨时
屏蔽天然降雨，达到模拟干旱化的目的，导水装置将遮雨装置屏蔽的天然 降雨导入蓄水装置中，湿润化模拟装置中的供水装置从湿润化模拟装置中 的蓄水装置中抽取蓄积的天然降水作为湿润化模拟的水源，供水装置将水 由输水装置经过降雨量监测装置进入降雨发生装置，在沙地疏林草地上形 成模拟降雨，达到模拟湿润化的目的，干單化模拟装置和湿銜化模拟装置 中的防侧渗装置都围绕沙地疏林草地一周垂直埋入地下一定深度，以防止 土壤水分的横向传输。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点1) 干旱化模拟和湿润化模拟样地面积均能达到8mx8m以上，可以代 表天然沙地疏林草地生态系统的生态特征；2) 湿將化模拟时釆用干單化模拟样地收集的天然降雨作为模拟降雨的 水源，消除了地下水作为水源与天然降雨的水质差异，使模拟降雨能代表 天然降雨过程；3) 将湿润化模拟与干單化模拟有机的结合了起来，完全的模拟了沙地 疏林草地生态系统的水分环境变化(包括干單化及湿润化)。4) 湿润化模拟时可以通过选择水泵的规格控制模拟降雨的雨强，而流 量计则能精确测定模拟降雨区域的水量，从而方便地做到对模拟降雨雨强 和降雨量的控制。5) 本实用新型结构简单，成本低，且安装、使用方便。
图1为沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施的整体结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施作 详细说明如图1所示，本实用新型沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟 设施包括干單化模拟装置与湿润化模拟装置，干單化模拟装置通过蓄水装 置与湿润化模拟装置相连；其中所述千旱化模拟装置由遮雨装置、导水装 置、蓄水装置和防侧渗装置组成，遮雨装置与导水装置管路相连，导水装 置输出至蓄水装置；防侧渗装置位于遮雨装置下部内侧安装；所述湿润化 模拟装置由供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧 渗装置组成，其供水装置输入接收蓄水装置水源，输出端经输水装置和降 雨量监测装置至降雨发生装置，防侧渗装置位于降雨发生装置下部内侧安 装。具体为干旱化模拟装置包括遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置，其
中遮雨装置在发生天然降雨时屏蔽天然降雨，达到模拟干旱化的目的，包括第一支架1和遮雨棚2;为由具有弧状顶部的第一支架1支撑遮雨棚2结构， 安装在研究样地四周，第一支架1一般釆用钢管搭建，规格根据样地面积及 样地中树木高度确定；遮雨棚2安放在第一支架1上方以屏蔽天然降雨达到 模拟干單化的目的， 一般采用透光性好的聚乙烯材料；所述导水装置由两根 横截面上开口结构的导水主管3和两根导水支管4构成，导水主管3平行安 放在遮雨棚2两侧，用于收集遮雨棚2屏蔽的天然降雨，两根导水支管4一 端分别与两根导水主管3相连，另一端都连入蓄水装置5中，将干旱化模拟 过程中屏蔽的天然降雨导入蓄水装置5保存；所述蓄水装置5采用蓄水罐， 安放于湿润化模拟样地附近，上端开口与导水支管4相连，用于蓄积屏蔽的 天然降雨，下端开口与湿润化模拟装置中的供水装置相连，作为湿润化模拟 的水源，蓄水装置5的规格根据研究样地面积及研究区年降雨量确定；所述 防侧渗装置6为防渗屏障结构，位于遮雨装置中第一支架l下部内侧安装， 围绕研究样地四周垂直埋入地下一定深度，用于防止土壤水的横向传输，一 般采用油毡布或聚乙烯塑料布等不透水材料。湿润化模拟装置包括供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监 测装置和防側渗装置，其中所述供水装置包括滤网7、逆止阀8和水泵9; 滤网7安放在作为水源的蓄水装置5与水泵9的管路接口处，起防止异物 堵塞输水管遒的喷头的作用，逆止阀8安装滤网7的靠近水泵9的一侧， 用于防止水流倒流，水泵9放置在蓄水装置5旁边，输出端与输水装置中 输水干管IO相连，水泵9作为模拟降雨的动力装置，可以通过选择水泵的 规格控制模拟降雨的雨强；输水装置包括输水干管10、输水主管11和输水 支管12;所述输水干管10—端与水泵9相连，另一端与输水主管ll相连, 输水主管11的另一端封闭，安放在降雨发生装置的第二支架13上，位于 研究样地一側悬空放置， 一组一端封闭的输水支管12的一端与输水主管11 相连，输水支管12间水平等距设置，另一端安装在第二支架13上，纵向 均匀的平行于研究样地地面；降雨发生装置包括第二支架13和喷头14,用 以形成降雨区域；第二支架13为平顶结构，安装在研究样地四周，起支撑 输水装置中输水主管11和输水支管12的作用， 一般采用钢管搭建，规格 根据样地面积及样地中树木高度确定， 一组喷头14等距的安装在每根输水 支管12上，在研究样地上空形成均匀分布，用于形成模拟降雨；降雨量监 测装置15采用流量计，安放在输水干管IO与输水主管11的接口处，由于 输水主管11紧邻由降雨发生装置形成的降雨区域一侧安放，所以该流量计 能精确测定进入降雨区域的水量；所述防侧渗装置6为防渗屏障结构， 位于降雨发生装置中第二支架13下部内侧安装，围绕研究样地四周垂直
埋入地下一定深度，用于防止土壤水的横向传输， 一般采用油毡布或聚乙 烯塑料布等不透水材料。本实用新型运行过程是自然降雨时，安放在第一支架l上的遮雨棚2 屏蔽天然降雨，在该研究样地达到干旱化模拟的效果，导水主管3收集遮 雨棚2屏蔽的天然降雨，通过导水支管4将其保存于蓄水装置5中。自然 降雨一段停止时间后，在另一块研究样地进行湿润化模拟蓄水装置5中 保存的自然降雨由水泵9抽取加压后经过滤网7和逆止阀8进入输水干管 10,再经由流量计15后流入输水主管11,输水主管11 一端封闭，中间每 间隔一段距离连接一根输水支管12，每根输水支管12都是一端封闭，中间 每间隔一段距离连接一个喷头14,加压后的水流由输水主管11流出后分流 至各个输水支管12，然后经由在研究样地上空均勾分布的喷头14均勻喷洒 在研究样地内达到湿润化模拟的效果。最终在两块研究样地达到了模拟沙 地疏林草地生态系统水分环境(干旱化及湿润化)变化的目的。本模拟设施实施例在两块8mx8m的沙地疏林草地样地中模拟降雨水 分环境的变化，2个钢质支架(第一、二支架)的规格都是8mx8mx2m, 蓄水罐直径为4m,高度为2m，干旱化模拟样地在5-7月份进行天然降雨的 屏蔽，根据研究区气象站的降雨资料，该时段内屏蔽降雨量共计 170.433mm,达到了模拟干旱化的效果；湿润化模拟样地选用的喷头喷洒半 径为1.5m，因此设置输水支管12的间隔距离为lm,以便消除喷洒盲区， 每根输水支管12上连接7个喷头14,降雨区域内一共有49个喷头作业， 一次模拟降雨前流量计读数5.94265m3,降雨后流量计读数12.S8113m3， 共降雨6.93848m3，根据降雨面积换算成该次模拟的降雨量为10.8414mm, 可以代表该研究区的一次典型自然降雨。
权利要求1.一种沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施，其特征在于由干旱化模拟装置和湿润化模拟装置组成，干旱化模拟装置通过蓄水装置与湿润化模拟装置相连；其中所述干旱化模拟装置由遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置组成，遮雨装置与导水装置管路相连，导水装置输出至蓄水装置；防侧渗装置位于遮雨装置下部内侧安装；所述湿润化模拟装置由供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置组成，其供水装置输入接收蓄水装置水源，输出端经输水装置和降雨量监测装置至降雨发生装置，防侧渗装置位于降雨发生装置下部内侧安装。
2. 按照权利要求l所述模拟设施，其特征在于所述干單化模拟装置由遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置组成，其遮雨装置为由具有弧状顶部的第一支架(1)支撑遮雨棚(2)的结构；所述导水装置为横 截面上开口结构的导水主管(3)和导水支管(4)构成，导水主管(3)平 行安放在遮雨棚(2 )上，导水支管(4 )连接导水主管(3 )与蓄水装置(5 ); 所述蓄水装置(5)上端开口与导水支管(4)相连，下端开口与湿润化模 拟装置中的供水装置相连；防侧渗装置位于遮雨装置中第一支架(1)下部 内侧安装。
3. 按照权利要求l所述模拟设施，其特征在于所述湿润化模拟装置 由供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置组 成，其中所述供水装置由滤网(7)、逆止阀(8)和水泵(9)组成，滤网(7)、逆止阀(8)依次安放在蓄水装置(5)与水泵(9)的管路接口处， 水泵(9)输出端与输水装置相连；输水装置由输水干管(10)、输水主管(11)和一组输水支管(12)组成；所述输水干管(10) —端与水泵(9) 相连，另一端与输水主管(11)相连，输水主管(11)的另一端封闭，安 放在降雨发生装置的第二支架(13)上， 一组一端封闭的输水支管(12) 的一端与输水主管(11)相连，另一端安装在第二支架(13)上；降雨发 生装置包括第二支架(13)和一组喷头(14)，第二支架(13)为平顶结构, 安装在研究样地四周， 一组喷头(14)安装在每根输水支管(12)上；降 雨量监测装置(15)安放在输水干管(10)与输水主管(11)的接口处； 防侧渗装置位于降雨发生装置中第二支架(13)下部内侧安装。
4. 按照权利要求2所述模拟设施，其特征在于所述遮雨棚(2)采 用透光性好的聚乙烯材料。
5. 按照权利要求3所述模拟设施，其特征在于所述输水支管(12) 间水平等距设置，纵向均勻的平行于研究样地地面。
6. 按照权利要求3所述模拟设施，其特征在于所述一组喷头(14)等距的安装在每根输水支管(12)上。
7. 按照权利要求3所述模拟设施，其特征在于所述输水支管(12) 的间隔距离小于喷头(14)喷洒半径。
8. 按照权利要求3所述模拟设施，其特征在于所述降雨量监测装置 (15)釆用流量计。^
9. 按照权利要求2或3所述模拟设施，其特征在于所述防侧渗装置 (6)采用不透水材料。
专利摘要本实用新型公开一种沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施。由干旱化模拟装置和湿润化模拟装置组成，干旱化模拟装置通过蓄水装置与湿润化模拟装置相连；干旱化模拟装置由遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置组成，遮雨装置与导水装置管路相连，导水装置输出至蓄水装置；防侧渗装置位于遮雨装置下部内侧安装；湿润化模拟装置由供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置组成，其供水装置输入接收蓄水装置水源，输出端经输水装置和降雨量监测装置至降雨发生装置，防侧渗装置位于降雨发生装置下部内侧安装。本实用新型具有接近天然状态、能代表天然沙地疏林草地生态系统生态特征、适用于野外原位模拟的特点。
文档编号A01G9/00GK201015331SQ20072001201
公开日2008年2月6日 申请日期2007年5月9日 优先权日2007年5月9日
发明者于占源, 李法云, 胡亚林, 范志平, 邓东周 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所