一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法与流程

本发明属于农业技术领域，涉及一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法，具体地说，涉及一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法。

背景技术：

土壤-植物-大气连续体(spac)中的水分流动包括土壤表面的蒸发量和植物的蒸腾量，即蒸散量。目前常用的蒸发量测定和估算技术主要包括蒸渗仪法、水量平衡法、波文比能量平衡法、涡度相关法、空气动力学方法、遥感技术及penman-monteith经验公式等。但是这些方法无法获得土壤中或近地面蒸发量，也无法获得蒸散量的分量及不同类型植物的蒸腾量。

植物在蒸腾过程中，水分从土壤进入到根系，再通过植物茎秆输送至叶片，最终通过叶片的气孔散发到空气中，在这一过程中植物茎秆中的液体一直处于流动状态，而植物茎秆中液流量的大小可以反映出植物蒸腾量的变化，因此，测定植物茎秆液流量可以确定植物的蒸腾量。而土壤的蒸发量可以通过测定土壤的热特性及其温度动态来获取土壤热通量及热储量变化特征，根据热量平衡原理得到土壤潜热通量并换算为土壤蒸发量的方法来获得。目前，热脉冲技术是分别应用于土壤学测定土壤蒸发量和植物蒸腾量的一项技术。

热脉冲技术的原理是通过监测热源在各向同性的介质中产生的温度场变化特征，并通过求解热传导方程来获得土壤或植物介质的热物理参数(如热导率、热容量、热扩散系数等)、土壤水分及植物茎流速度的一种方法。但是如何将热脉冲技术用于原位连续自动测定土壤蒸发，茎秆粗壮植物茎流、茎秆细小植物的茎流并用于估算复合生态系统的蒸散量是有待解决的一项技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法。该系统是一种同时测定土壤原位蒸发量、茎秆粗壮植物茎秆液流量及茎秆细小植物茎秆液流量的传感器系统，该传感器系统将更加有助于应用热脉冲技术获取复合生态系统的蒸散量。

其技术方案如下：

一种复合生态系统蒸散量测量系统，包括九针热脉冲土壤蒸发量探头1、三针植物茎流计2、包裹式植物茎流计3、数据通信电缆4和电源、数据采集及传输系统5，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头1安装在土壤表层上，所述三针植物茎流计2安装在粗壮植物茎秆上，所述包裹式植物茎流计3安装在细小植物茎秆上，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头1、三针植物茎流计2、包裹式植物茎流计3和电源、数据采集及传输系统5通过数据通信电缆4依次连接。该系统连接在同一数据采集器或不同的数据采集器上。

进一步，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头由四个部件构成：一个包含两根根温度感应探针和一根加热探针的三针倒t型部件及三个包含一根温度感应探针和一根加热探针的两针“工型”部件。

所述的九针热脉冲土壤蒸发量探头的三针倒t型部件及两针“工型”部件是可替换的。

所述的九针热脉冲土壤蒸发量探头的两针“工型”部件的数量可根据需要增减，用于测定不同厚度土层的蒸发量。

所述的九针热脉冲土壤蒸发量探头的三针倒t型部件尺寸为：长16mm×宽10mm×厚10mm，部件下部两侧各有一个3mm的矩形突起10作为部件连接扣8。该九针热脉冲土壤蒸发量探头的三针倒t型部件上距离上边缘1mm的中轴线位置处布置一根九针热脉冲土壤蒸发量探头温度探针6，然后沿中轴线向下边沿依次间隔6mm各布置一根九针热脉冲土壤蒸发量探头加热探针7和一根九针热脉冲土壤蒸发量探头温度探针6。

所述两针“工型”部件尺寸为：长12mm×宽10mm×厚10mm部件上下两端两侧各有一个3mm的矩形突起10作为部件连接扣8。该部件由居于中轴线线上的一根温度探针和一根加热探针构成，二者相距6mm，两根探针与对应上下边缘相距3mm。

所述九针热脉冲土壤蒸发量探头的温度探针的有效长度为20mm，在该探针顶点处含有一温度感应元件11。

所述九针热脉冲土壤蒸发量探头的加热探针长为40mm。加热电阻丝12伸入到加热探针的顶端；距离所述探针顶点20mm处含有一个温度感应元件11。

进一步，所述的三针热脉冲植物茎流计探头包含3个部件：一个单针加热探针部件及两个单针温度探针部件。所述各部件尺寸为：长6mm×宽6mm×厚30mm。在所述三针热脉冲植物茎流计探头的单针加热探针探头手柄9中心处布置一根温度探针或一根加热探针。

所述三针热脉冲植物茎流计探头的温度探针部件及加热探针部件包含五种有效长度：30mm、70mm、110mm、150mm、190mm、230mm、270mm。实际使用时根据树木直径选择相应的有效长度，且一个加热探针部件及两个温度探针部件选用同一有效长度组合使用。

所述三针热脉冲植物茎流计探头的温度探针部件，从该探针部件手柄10mm距离位置起，每10mm放置一个温度感应元件11。

所述三针热脉冲植物茎流计探头的加热探针部件，加热电阻丝12伸入到加热探针的顶端；从该探针部件手柄10mm距离位置起，每10mm放置一个温度感应元件11。

各所述加热探针和温度探针的温度感应元件11为ntc热敏电阻或e型、k型、t型热电偶之一。

各所述加热探针中的加热电阻丝的总阻值为500～1000ωm^-1。

对于各所述温度探针和加热探针，在不锈钢钢管14与温度感应元件11及加热电阻丝12之间的空隙间填充有导热环氧树脂13。

各所述温度探针及加热探针中的元件由不锈钢钢管14保护，该不锈钢钢管14外径为2.54mm，壁厚为0.54mm，不锈钢钢管14顶部进行锐化处理便于插入土壤或茎秆中去。

所述三针倒t型部件手柄、两针“工型”部件手柄、单针加热探针部件、单针温度探针部件的手柄是使用聚氯乙烯pvc或绝热环氧树脂材料灌入模具在探针尾部凝固形成。

进一步，所述三针植物茎流计的辅助钻孔器上设有不锈钢手柄16，其尺寸为：长40mm×宽10mm×厚10mm，所述不锈钢手柄上包含3个间距为15mm，内径为2.54mm的预留钻孔用于引导三针植物茎流计探针插入树木茎秆。

进一步，所述包裹式植物茎流计3，其设计类似于可调节的充气式血压计。所述包裹式植物茎流计3探头包括：外隔水绝热绝缘材料层17、充气气囊18、内绝热层绝缘材料层19、加热板21、热电堆22、压力和温度感应元件11。

所述外隔水绝热绝缘材料层17和内绝热层绝缘材料层19为隔水绝热材料，长50～800mm，宽40～100mm。

所述外层绝热绝缘材料层17和内绝热层绝缘材料层19中空位置内设有通过进出气管与空气泵连接的环形充气气囊18。

所述隔水绝热材料外侧有粘扣20，可根据植物茎秆粗细调节。

所述内绝热绝缘材料层19上附有加热板21。

所述加热板21中央位置上附有一线性热电堆22。

所述加热板21为质地柔软、可折叠，其尺寸为：长800mm，宽30～90mm。

距所述加热板21上下边缘5mm处各放置一对温度感应元件11及压力检测传感元件和报警器24。所述压力检测传感器用于控制气囊加压，报警器用于检测失效探头。

一种复合生态系统蒸散量测量系统的操作方法，包括以下步骤：

步骤1、选择需要布设复合生态系统蒸散量测量系统的地点，准备好相关仪器及辅助工具和材料(如铁锹、取样刀、线缆等)。

步骤2、复合生态系统蒸散量测量系统的九针热脉冲土壤蒸发量探头的使用：第一步，传感器田间安装。在田间挖一个长50mm×宽100mm×深60mm的土坑，用刮刀将欲插入探针的土壤垂直面整理平整并保持土壤原有结构。第二步，将九针热脉冲土壤蒸发量探头沿着地表水平插入土壤中，保证其表面与土壤表面几乎持平，然后将土坑填平。

步骤3、复合生态系统蒸散量测量系统的三针热脉冲植物茎流计探头的使用步骤(以90mm的三针热脉冲植物茎流计探头测定橡木树茎流流量为例)：第一步，选择胸径约为20cm的橡木树，将树的北面胸高处(约1.4m)表层树皮去除，然后利用如图6所示的预制钻孔器在垂直方向上钻三个水平向内90mm深的孔。使用预制钻孔器的目的是为了保证三根探针能够平行插入到树体内。第二步，在三根探针表面涂上润滑油，并将加热探针插入中间的孔，两根温度探针插入上下两个孔中。探针上覆盖遮阳、防水材料，防止阳光直射及雨水对探针测量的影响。

步骤4、复合生态系统蒸散量测量系统的包裹式茎流计探头的使用(以玉米为例)：第一步，选择典型的玉米植株，在下部茎秆粗壮部位缠绕100mm长×40mm宽的包裹式茎流计探头3，并手动给气囊18充气保证热电偶23及压力传感器和报警器24与玉米茎秆紧密接触。第二步，在探针上覆盖遮阳、防水材料，防止阳光直射及雨水对探针测量的影响。

步骤5、将一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的九针热脉冲土壤蒸发量探头、三针热脉冲植物茎流计探头、包裹式茎流计探头与数据采集器及电源等设备连接，并检查保证仪器能正常工作。通过编程设置加热及数据采集频率来分别控制数据采集器完成九针热脉冲土壤蒸发量探头的加热和土壤温度数据采集、三针热脉冲植物茎流计探头的加热和茎干温度数据采集、包裹式茎流计探头的加热和茎干温度数据采集。

步骤6、在拟定的数据采集时间点，分别读取数据采集器中储存的九针热脉冲土壤蒸发量探头数据，利用热量平衡方法计算获取不同土壤层次的蒸发量。读取数据采集器中储存的三针热脉冲植物茎流计探头数据，计算径向剖面的茎流流量。读取数据采集器中储存的包裹式茎流计探头数据，计算玉米茎秆的茎流流量。

步骤7、一种复合生态系统蒸散量的计算。根据步骤6中计算的土壤蒸发量、根据地块橡木树的横截面积及橡木树数量计算整个地块橡木树的蒸腾量、根据玉米的横截面积及地块玉米植株数量计算整个地块玉米的蒸腾量。三者之和为该复合生态系统的蒸散量。

步骤8、根据研究需要可以长期连续定位测定也可短期测定，实验完毕取回仪器并妥善保管，将实验地恢复原貌。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明的传感器系统可用于原位连续测定复合生态系统的蒸散量及分量，包括土壤蒸发量，粗、细茎秆植物的液流量。

2、本发明传感器系统中的九针热脉冲土壤蒸发量探头及三针热脉冲植物茎流计探头由多个部件组合构成，方便替换损坏部件。

3、本发明传感器系统中的九针热脉冲土壤蒸发量探头可监测不同深度土层热特性和蒸发量。

4、本发明传感器系统中的三针热脉冲植物茎流计探头可用于监测茎秆不同深度的正向或逆向流动茎秆液流量。

5、本发明传感器系统中的包裹式茎流计增加探头与植物茎秆的接触，增加测量准确度。

6、本发明传感器系统具有原位、扰动小、自动化程度高、使用便捷、测量精度高等优点，材料价格较低，便于科研和气象台站推广使用。

附图说明

图1是一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统示意图；

图2是九针土壤蒸发量传感器的正视图和侧视图；

图3是九针土壤蒸发量传感器的三针“⊥型”部件的正视图、侧视图和剖视图；

图4是九针土壤蒸发量传感器的两针“工型”部件的正视图、侧视图和剖视图；

图5是三针植物茎流计单针部件的正视图、侧视图和剖视图(以长度为30mm探针为例)；

图6是三针植物茎流计的辅助钻孔器；

图7是包裹式植物茎流计展开平面示意图；

图中；1-九针热脉冲土壤蒸发量探头，2-三针植物茎流计，3-包裹式植物茎流计，4-数据通信电缆，5-电源、数据采集及传输系统，6-九针热脉冲土壤蒸发量探头温度探针，7-九针热脉冲土壤蒸发量探头加热探针，8-部件连接扣，9-探头手柄，10-部件矩形突起，11-温度感应元件，12-加热电阻丝，13-导热环氧树脂，14-不锈钢钢管，15-预留钻孔，16-不锈钢手柄，17-外隔水绝热绝缘材料层，18-充气气囊，19-内绝热绝缘材料层，20-粘扣，21-加热板，22-热电堆，23-热电偶，24-压力传感器及报警器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1，本发明为一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统，包括安装在土壤表层的九针热脉冲土壤蒸发量探头、安装在粗壮植物茎秆上的三针热脉冲植物茎流计探头及安装在细小植物茎秆上的包裹式茎流计探头。本发明传感器系统具有原位、扰动小、自动化程度高、使用便捷、测量精度高等优点，材料价格较低，便于科研和气象台站推广使用。可用于测定复合生态系统的蒸散量。

一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的土壤表层的九针热脉冲土壤蒸发量探头：

1、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的九针热脉冲土壤蒸发量探头测定土壤蒸发量的原理

依据热传导原理，土壤中的热量平衡方程可表示为：

δg-δs＝le(1)

其中，δg不同土层深度的热通量(wm-2)，可根据fourier定律计算

δg＝gu-gd＝(-λuδtd/δz)-(-λdδtu/δz)，λ为热导率(wm-1℃-1)，δt/δz为温度梯度：δs为土壤热储量变化(wm^-2)，δs＝0.5(cu+cd)(δt/δt)δz，c为容积热容量(jm^-3c^-1)；δz为土层厚度；δt为时间步长；le为蒸发潜热(wm^-2)，l是汽化潜热(2.264×106jm^-3)，e为蒸发量(mmh^-1)。

由上可知，只要测定土壤各层的温度，热导率及容积热容量，就可以计算出其热通量和热储量变化，继而利用热平衡方程求出土壤各层的蒸发速率e。

2、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的九针热脉冲土壤蒸发量探头的设计

如图2所示，根据上述原理，本发明提供的土壤原位蒸发测定传感器主要由三个部件构成：1个三针“丄型”部件3及2个两针“工型”部件4。

如图3所示，三针“⊥型”部件3包含两根温度探针6和一根加热探针7。

如图4所示，两针“工型”部件4包括温度探针6和加热探针7各一根。

如图2～4所示，所有温度感应探针6的长度为约30mm，露出手柄9的有效长度为20mm。在该温度感应探针6的顶点处含有一温度感应元件11用于测定土壤温度动态。所有加热探针7的总长度为约50mm，露出手柄9的有效长度为40mm。加热电阻丝元件12伸入到加热探针7的顶端用以模拟线行热源，距离所述探针顶点20mm处含有一温度感应元件11用于测定土壤温度动态。不锈钢钢管14的作用是保护内部各元件，顶端的锐化处理是为了减少探针插入土壤的难度。在不锈钢钢管与内部元件之间填充有高热导率材料omegabond101(imegaengineering，stamford，ct，美国)，用于增加线性热源的能量向土壤传输，同时起到绝缘和防水的作用。

本发明中，要求每一加热探针7中的电阻丝12的总阻值介于500到1000ωm^-1。温度感应元件为为ntc热敏电阻或e型、k型、t型热电偶之一。

在各个温度和加热探针制作完成后，使用绝缘环氧树脂材料灌入预制的三针“⊥型”部件和两针“工型”部件手柄模具中，使得其在探针尾部制作探头部件。

如图3所示，成型的三针“⊥型”部件包含两根温度探针6和一根加热探针7。顶部的温度探针与手柄上边缘的距离为1mm，与加热探针的距离为6mm，与下边沿的温度探针距离为12mm，下边沿的温度探针距离下边沿距离3mm。

如图4所示，成型的两针“工型”部件上加热探针与上边沿距离及温度探针与下边沿距离皆为3mm，两探针之间的距离为6mm。

九针热脉冲土壤蒸发量探头的改进之处在于：应用本探头时将1个三针“⊥型”部件3及2个两针“工型”部件4通过连接扣固定在一起一个九针热脉冲土壤蒸发量探头。如测量过程中发现有损毁的探针，可以用新的部件替换损坏部件而不影响探头的使用。此外，九针热脉冲土壤蒸发量探头的三个部件可以拆分为1个三针热脉冲探头和2个两针热脉冲探头使用，提高探头的使用频率。

3、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的九针热脉冲土壤蒸发量探头的使用

在田间测量中的使用步骤包括：

第一步，传感器田间安装。在田间挖一个长50mm×宽100mm×深60mm的土坑，用刮刀将欲插入探针的土壤垂直面整理平整并保持土壤原有结构。

第二步，将九针热脉冲土壤蒸发量探头沿着地表水平插入土壤中，保证其表面与土壤表面几乎持平，然后将土坑填平。

第三步，连接探头、数据采集器及电源等设备，通过编程控制数据采集器完成加热和土壤温度数据采集。

第四步，实验完毕，读取数据采集器中储存的数据，利用热量平衡方法计算获取不同土壤层次的蒸发量。

一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的三针热脉冲植物茎流计探头：

1、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的三针热脉冲植物茎流计探头测定植物茎流流量的原理

2、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的三针热脉冲植物茎流计探头的设计

如图5所示，一个单针加热探针部件及两个单针温度探针部件。所述各部件手柄的尺寸为：长6mm×宽6mm×厚30mm。在部件手柄中心处布置一根温度探针6或一根加热探针7。

所述三针热脉冲植物茎流计探头的温度探针部件及加热探针部件包含七种长度：30mm、70mm、110mm、150mm、190mm、230mm、270mm。实际使用时根据树木直径选择相应的长度。一个加热探针部件及两个温度探针部件应选用同一有效长度来组合使用。

所述三针热脉冲植物茎流计探头的单针温度探针部件的温度探针6，从该探针部件手柄10mm距离位置起，每10mm放置一个温度感应元件直到探针的锐化顶端。

所述三针热脉冲植物茎流计探头的单针加热探针部件加热探针7，加热电阻丝元件伸入到加热探针的顶端；从该探针部件手柄10mm距离位置起，每10mm放置一个温度感应元件直到探针的锐化顶端。

各所述加热探针和温度探针的温度感应元件11为ntc热敏电阻或e型、k型、t型热电偶之一。

各所述加热探针中的加热电阻丝12的总阻值为500～1000ωm^-1。

对于各所述温度探针和加热探针，在不锈钢管14与温度感应元件11及加热电阻丝12之间的空隙间填充导热环氧树脂13。

各所述温度探针及加热探针中的元件由不锈钢管保护，该不锈钢管外径为2.54mm，壁厚为0.54mm，不锈钢管顶部进行锐化处理便于插入树木茎秆中去。

在所述单针加热探针部件、单针温度探针部件的手柄是使用聚氯乙烯pvc或绝热环氧树脂材料灌入模具在探针尾部凝固形成。

3、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的三针热脉冲植物茎流计探头的使用步骤

下面以90mm的三针热脉冲植物茎流计探头测定橡木树茎流流量为例说明该仪器的使用步骤：

第一步，选择胸径约为20cm的橡木树，将树的北面胸高处(约1.4m)表层树皮去除，然后利用如图6所示的预制钻孔器在垂直方向上钻三个水平向内90mm深的孔。使用预制钻孔器的目的是为了保证三根探针能够平行插入到树体内。

第二步，在三根探针表面涂上润滑油，并将加热探针插入中间的孔，两根温度探针插入上下两个孔中。探针上覆盖遮阳、防水材料，防止阳光直射及雨水对探针测量的影响。

第三步，连接探头、数据采集器及电源等设备，通过编程控制数据采集器完成加热和茎干温度数据采集。

第四步，实验完毕，读取数据采集器中储存的数据，计算径向剖面的茎流流量。根据地块橡木树的横截面积及橡木树数量计算整个地块橡木树的蒸腾量。

一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的包裹式茎流计探头：

1、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的包裹式茎流计探头的原理

包裹式茎流计探头是基于能量平衡原理，通过加热植物茎秆来测量茎秆液流v。当茎流计的热源以恒定的功率(pin)作用于茎秆后，在不考虑茎秆本身热容量的情况下，传输给茎秆液流的能量由三部分组成：与垂直方向液流进行的向上和向下的热交换(qv＝qu+qd)，沿茎秆四周的辐射散发(qr)，和随茎秆内液流传输的能量(qf)，即

pin＝qv+qr+qf(2)

其中，pin可根据欧姆定律计算pin＝u²/r，u为加热电压，r为电阻值(ω)。垂直方向的热交换可根据foruier定律计算：qu＝λs·a·dtu/dx，a为加热部位茎秆截面积(m²)，qd＝λs·a·dtd/dx，λs为茎秆热导率(wm^-1℃^-1)，dtn/dx及dtd/dx分别为向上和向下热传导的温度梯度(℃m^-1)，dx为测定温度梯度时两个热电偶间的距离(m)；

qr＝λs·ch，ch为辐射热电堆电压(v)。

茎秆中的液流流速v可

v＝(pin-qy-qr)/[2.084(tu+td)](3)

2、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的包裹式茎流计探头的设计

如图7所示，根据上述原理，本发明提供的一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的包裹式茎流计探头，包括绝热层17，绝热层17为软质隔水绝热材料，易于折叠，绝热及防水效果好，方便绕茎秆缠绕包裹。绝热层17内部设有可替换的充气气囊18，气囊18通过进出气管与空气泵连接，可手动加压或利用电动空气泵加压，确保包裹式茎流计探头工作时测量装置与树体充分接触，减少由于接触热阻误差引起的测量误差。绝热层18内侧材料为软质可折叠绝缘、绝热层19，绝缘、绝热层19上附有软质地可折叠加热板21，加热板21的末端为粘扣带20，通过粘扣带20可根据测试树木粗细进行快速固定，提高安装效率。加热板21通过热电阻堆22进行加热。本发明的改进之处在于加热板21的上下两侧依次排列着热电偶23及压力传感器和报警器24，树木越粗壮，与之接触的热电偶23越多。同时，压力传感器和报警器24可在操作出现错误或气压异常时报警，这种设置可以保证茎秆液流测量结果的可靠性。

3、一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统的包裹式茎流计探头的使用

以玉米为例说明该仪器的使用步骤：

第一步，选择典型的玉米植株，在下部茎秆粗壮部位缠绕100mm长×40mm宽的包裹式茎流计探头3，并手动给气囊18充气保证热电偶23及压力传感器和报警器24与玉米茎秆紧密接触。

第二步，在探针上覆盖遮阳、防水材料，防止阳光直射及雨水对探针测量的影响。

第三步，连接探头、数据采集器及电源等设备，通过编程控制数据采集器完成加热和茎干温度数据采集。

第四步，实验完毕，读取数据采集器中储存的数据，计算玉米茎秆的茎流流量。根据玉米的横截面积及地块玉米植株数量计算整个地块玉米的蒸腾量。

上述九针热脉冲土壤蒸发量探头测定获得的土壤蒸发量、根据安装在橡木树茎秆上的三针热脉冲植物茎流计探头测定橡木树地块蒸腾量及安装在玉米茎秆上的包裹式茎流计探头测定的玉米地块蒸腾量三者之和即为该橡木树-玉米复合生态系统的蒸散量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。