降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统。该系统由地下观测室、观测池、入渗水收集系统、观测根窗构成。地下观测室由观测室内和观测室外构成，观测室外由分布在地上观测室周围的观测池组成。观测池上部分为正方体，下部分为锥形体，锥形体底部埋设有入渗水收集管；渗水收集管连接渗水收集漏斗，导水管出口延伸至观测室内，水管上安装阀门，管口处置有渗漏水收集容器。本发明适用于研究不同植被类型和土壤类型的降水再分配过程、土壤水分运动和再分布过程、深层补给特征、水量平衡、植物水关系、根系生长动态等方面的试验研究，可为干旱、半干旱地区大气-土壤-植被系统的质能转换和水资源利用以及植物响应土壤环境的适应过程和机制提供科学依据。
【专利说明】降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统，可用于研究不同植 被类型和土壤类型的降水再分配过程、土壤水分运动和再分布过程、深层补给特征、水量平 衡、植物水关系、根系生长动态等多方面的实验研究。
[0002]
【背景技术】
[0003] 在我国干旱和半干旱地区，大气降水和土壤水是无灌溉条件下天然植被得以生存 的主要水源之一，也是该区域决定生态系统结构与功能稳定的关键因子。由于降水稀少，蒸 发强烈，干旱缺水导致的植被和土地退化以及荒漠化问题一直困扰和制约着该区域的经济 发展。为了开展半干旱沙地不同生境降雨再分配过程及植物根系生长动态方面的研究。我 们根据研究需要设计了降水入渗过程及植物根系生长动态综合观测系统，应用该系统并结 合相关观测仪器可用于测定不同植被和土壤类型条件下的降水截留量、穿透雨、蒸发量、入 渗量、深层补给量、水分利用效率等指标，可精确测定不同土壤层水分入渗补给量。该发明 可以为开展干旱、半干旱地区大气-土壤-植被系统水循环过程及植被水关系研究提供了 技术支撑，同时应用该系统可有效减少了同类研究中利用水量平衡法间接计算深层补给量 而带来的误差，实现了多处理、多参数的同步观测。
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【发明内容】
鉴于上述，本发明的目的在于提供一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统。 利用该系统，可以根据需要配置多种实验处理，从而实现多种条件下降水入渗过程、土壤水 深层补给、植物根系生长动态等多方面的控制试验。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统，是由地下观测室、观测池、入渗水收 集系统、观测根窗组成。观测室一面设有观测根窗，观测根窗由观测窗和外窗构成，观测窗 由防弹玻璃做成，外窗是由不透光PVC材质做成的可推拉式窗户；地下观测室包括观测室 内和观测室外，观测室外由分布在地上观测室周围的观测池组成。观测池上部分为正方体， 下部分为锥形体，锥形体底部埋设有入渗水收集管；面向观测室内的观测池面上预留导水 管出口；入渗水收集系统由入渗水收集漏斗、反渗层、固定支撑片、导水管、阀门、拉杆、撑杆 构成，入渗水收集系统通过拉杆和撑杆固定在观测池内，入渗水收集漏斗居于不同深度并 焊接在等角度的固定支撑片上，并与导水管连通；入渗水收集漏斗内填装不同粒径石英砾 石反渗层；渗水收集管连接渗水收集漏斗，导水管出口延伸至观测室内，水管上安装阀门， 管口处置有渗漏水收集容器。
[0006] 本发明的优点及产生的积极效果是： 1、本发明具有多重功能，可用于研究不同植被和土壤类型降水再分配过程，深层补给 特征、植物根系生长动态等多方面的研究，在受水分制约的干旱和半干旱地区生态水文过 程及植物水关系研究中能发挥重要的作用；同时还可用于预测和评估气候变化特别是降水 变化对植被生长和演替的影响； 2、 本发明可以根据试验目的和处理试验数据进行扩展和延伸，同时还可以根据需要增 加观测指标，属于可延展更新的观测系统； 3、 本发明既能进行自然降水条件下的多参数协同观测，亦可用于模拟降水条件下的多 参数观测； 4、 本发明与同类研究仪器如土壤-植物-大气连续体（SPAC)生理生态环境监测系统 比较而言，该发明可设置多样本多处理实验，使样地更具代表性，能显著节约科研经费，同 时还能通过增减观测池数量实现不同处理的同步观测和比较； 5、 本发明所用材料坚固耐用，不受环境条件的制约，可进行长期观测。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1为本发明结构示意图。
[0008] 图2为观测池内入渗水收集系统结构示意图。
[0009] 图3为观测根窗及入渗水收集装置图。
[0010] 图4为2010-2012年生长季降雨及流动沙地土壤水分变化。
[0011] 图5为2010-2012年生长季降雨及潜在补给量变化。
[0012] 图6为2010-2012年累积降雨量和潜在补给量变化。
[0013] 图7为2010-2012年生长季降雨量和潜在补给系数；不同小写和大写字母代表在 /*〈 0.05水平差异显者。
[0014] 图8为2010-2013年生长季降雨量及小叶锦鸡儿灌丛下土壤水分变化。
[0015] 图9为2010-2013年生长季降雨及小叶锦鸡儿灌丛深层补给量。
[0016] 图10为2010-2013年生长季降雨量和潜在补给系数；不同大写和小写字母代表降 雨量和潜在补给系数在/^ <0.05水平差异显著。
[0017] 图11为2010-2012年生长季不同生境深层补给量。
[0018] 图12为地上、地下生物量变化及其比值。
[0019] 图13为地下生物量的垂直分布。
[0020] 图14为差不嘎蒿高度及植被密度与活根及总根生物量的关系。
[0021]
【具体实施方式】
[0022] 下面，结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明： 如图1-3所示，一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统，是由地下观测室1、 观测池2、入渗水收集系统3、观测根窗4组成，地下观测室1 一面设有观测根窗4,观测根 窗4由观测窗19和外窗20构成。观测窗19由20mm的2块防弹玻璃做成，外窗20是由 不透光PVC材质做成的可推拉式窗户，观测时拉开外窗用根系扫描系统观测，完成后密闭 外窗以不影响根系生长。地下观测室1由观测室内5和观测室外6构成。观测室外6由23 个分布在地上观测室周围的观测池2组成。观测池2上部分为200X200X200cm3的正方 体7,下部分为深度为30cm的锥形体8,锥形体8底部埋设有入渗水收集管9;，面向观测 室内5的观测池2面上预留导水管出口 10;入渗水收集系统3由入渗水收集漏斗11、反渗 层12、固定支撑片13、导水管14、阀门15、拉杆16、撑杆17构成，入渗水收集系统3通过拉 杆16和撑杆17固定在观测池2内，入渗水收集漏斗11分别居于观测池2内20cm、40cm、 60cm、100cm深度，入渗水收集漏斗11焊接在等角度的固定支撑片13上，与导水管14连通； 入渗水收集漏斗11内填装不同粒径石英砾石反渗层12 ;渗水收集管9连接渗水收集漏斗 11，导水管出口 10延伸至观测室内5,并在导水管14上安装阀门15,管口处置有渗漏水收 集容器18。
[0023] 试验例 为了研究不同植被和土壤类型降水再分配过程，中国科学院奈曼沙漠化研究站以位于 半干旱地区的科尔沁沙地为研究区域，于2008年开始着手修建降水入渗过程及根系生长 动态综合观测系统。根据试验需求，地下观测室1地面周围共修建了 23个观测池2,工程于 2009年5月完工，为防止观测池漏水，对每个观测池内部做防水处理及密封。基于本发明研 究计划的设置，先期开展了不同生境降雨再分配过程的研究，在本研究中主要涉及不同植 被类型，共设置了 5种处理，即流动沙地自然恢复、流动沙地土壤、草本植物、灌木、灌木+草 本植物。本研究主要探讨了不同生境降雨再分配过程、土壤水分及深层补给特征、不同生境 深层补给量比较、典型植物根系生物量及垂直分布格局等方面的研究。
[0024] 1.流动沙地土壤水分对降雨特征的响应 在2009年夏季，本发明将其中3个观测池2分层填装流动沙地土壤，并于2010年开 始观测土壤水分对降雨格局的响应。结果显示随着降雨量的增加，土壤水分含量逐渐增加， 特别是在较大的降雨之后表层0-20cm土壤水分显著增加。对于流动沙地0-20cm土层， 在34. 4，35. 1，47. 1，56. 3和47. 4mm的降雨之后，土壤水分分别增加了 126. 9，81.7， 122. 4，90. 7和45. 1 %。而20-160cm深度土壤水分的变化趋势与0-20cm基本一致，但 是变化强度随着深度增加而减弱。当降雨量大于20 _或者几个持续的降雨其总降雨量大 于20mm时，0-100cm深度土壤水分增加显著。而只有当降雨量大于40mm或者几个连续 降雨事件总降雨量大于40mm时，140-160cm土壤水分才能出现增加的趋势(见图4)。表 1显示，0-100cm土壤水分与降雨量显著相关〇? =0.239?0. 438，产〈0.05)，0-40cm土壤 水分与降雨强度显著相关0? = 〇.284,0.244，产〈0.05)，此外，降雨间隔时间与0-20cm 土壤水分显著负相关0? = _〇. 293，/*〈0. 05)。
[0025] 表1为流动沙地土壤水分与降雨特征的相关分析
【权利要求】
1. 一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统，是由地下观测室（1)、观测池 (2) 、入渗水收集系统（3)、观测根窗（4)组成，其特征是地下观测室（1) 一面设有观测根窗 (4) ，观测根窗（4)由观测窗（19)和外窗（20)构成，观测窗（19)由防弹玻璃做成，外窗（20) 是由不透光PVC材质做成的可推拉式窗户；地下观测室（1)包括观测室内（5)和观测室外 (6) ，观测室外（6)由分布在地上观测室周围的观测池（2)组成，观测池（2)上部分为正方体 (7) ，下部分为锥形体（8)，锥形体（8)底部埋设有入渗水收集管（9);面向观测室内（5)的观 测池（2)面上预留导水管出口（10);入渗水收集系统（3)由入渗水收集漏斗（11)、反渗层 (12)、固定支撑片（13)、导水管（14)、阀门（15)、拉杆（16)、撑杆（17)构成，入渗水收集系统 (3) 通过拉杆（16)和撑杆（17)固定在观测池（2)内，入渗水收集漏斗（11)居于不同深度 并焊接在等角度的固定支撑片（13)上并与导水管（14)连通；入渗水收集漏斗（11)内填装 不同粒径石英砾石反渗层（12);导水管（14)通过预留的导水管出口（10)延伸至观测室内 (5) ，导水管（14)上安装阀门（15)，管口处置有渗漏水收集容器（18)。
【文档编号】G01N33/00GK104459045SQ201410719410
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月3日 优先权日:2014年12月3日
【发明者】刘新平, 赵学勇, 何玉惠, 张铜会, 李玉霖, 云建英, 罗永清, 魏水莲 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所