一种模拟高寒草原干旱情况的降水控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及干旱灾害机理研究领域，特别是涉及一种模拟高寒草原干旱情况的降水控制系统及其控制方法。

背景技术：

高寒草原为草原群落的一种植被类型。它一般在海拔4000米以上。环境为寒冷而潮湿，日照强烈，紫外线作用增强，空气稀薄，土壤温度高于空气温度，昼夜温差极大，年平均温度不到1℃，植物生长季短，植物多低矮丛生，叶面积缩小，根系较浅，植株形成密丛。

而草原的降水量会极大影响牧草等植物的生长状况，对与生态环境、大气等具有重大影响意义，因此，模拟草原的干旱情况具有重要的意义，目前，主要的模拟方法有：数值模式模拟方法，人工样地样方降水控制方法。

但目前的模拟方法需要较多的人为鉴定，测量不准确，控制难度大，或者及其昂贵，因此有必要提供一种能够较准确模拟高寒草原干旱情况，连续、准确、自动而且相对经济的降水控制方法显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种连续、准确、自动而且相对经济的模拟高寒草原多种干旱情况的降水控制系统，

本发明还提供一种模拟高寒草原干旱情况的降水控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种模拟高寒草原干旱情况的降水控制系统，包括若干样地单元、设置在所述样地单元上的遮雨棚系统、设置在所述样地单元中的自动雨量计、用于隔离样地单元的样地隔离板及设置在样地单元中间位置地下的用于测量土壤情况的土壤根系层温湿盐系统，土壤状况包括土壤含水率、温度和电导率；

所述遮雨棚系统包括遮雨栅格和支架；所述遮雨格栅由若干高透明度的凹槽格板组成；所述凹槽格板倾斜设置在支架上；

所述样地隔离板地上部分为0.15m-0.35m、地下部分为0.15m-0.35m；

所述样地单元之间设置有样地隔离带。

优选地，所述样地隔离板地上部分为0.20m、地下部分为0.20m。

进一步地，所述支架包括四个横梁和至少四个竖杆，所述竖杆竖直设置于所述样地单元上，所述竖杆上设置有用于固定在所述样地单元上的底座，所述竖杆上端连接有所述横梁，所述四个横梁围成方形，所述四个横梁分别为一个高横梁、一个矮横梁和两个斜横梁，所述高横梁的高度大于矮横梁的高度，对应地，与所述高横梁连接的至少两个竖杆为等高的高竖杆，与所述矮横梁连接的至少两个竖杆为等高的矮竖杆，所述斜横梁连接所述高竖杆和矮竖杆的上端；所述高横梁和矮横梁之间连接有所述的遮雨格栅；所述四个横梁围成的方形在所述样地单元上形成方形投影，在所述方形投影范围内设置有方形的样地隔离板。

优选地，所述相邻的竖杆的低端之间连接有支撑梁，用于支撑固定竖杆。

进一步地，所述凹槽格板平行连接在所述高横梁和矮横梁之间形成所述遮雨格栅。

进一步地，所述凹槽格板采用高度透明的半圆pc管。

进一步地，所述土壤根系层温湿盐系统包括土壤根系层温湿盐传感器和用于采集所述自动雨量计和土壤根系层温湿盐传感器检测数据的cr6温湿盐降水量数据采集器。

进一步地，所述样地隔离板采用防锈雪花铁皮。

进一步地，所述样地单元的大小为2.4m×3m，所述样地隔离板距离所述样地单元的边缘为0.15m-0.20m，所述高竖杆高2.0m，所述矮竖杆高1.5m，所述样地单元之间的距离为0.5m-3m，优选为2.0m。

进一步地，所述遮雨棚系统为可移动系统，所述底座通过大钉固定在所述样地单元上。所述底座有十六个大钉将其四个竖杆阶段性地固定在样地上，每四个大钉固定一个竖杆，需要移动时就将钉拔出，移动遮雨棚系统即可。

另一方面，提供一种模拟高寒草原干旱情况的降水控制方法，包括所述的降水控制系统，具体步骤为：

1)在高寒草原某处选择样地，在所述样地上设置若干样地单元，样地隔离带为0.5m-3m，优选为2.0m，随机选择至少四个样地单元不设遮雨棚系统作为对照组，随机选择剩余的若干所述样地单元上设置不同理论遮挡率的遮雨棚系统作为试验组，设有不同理论遮挡率的遮雨棚系统的样地单元中心还设置有自动雨量计；优选地，选择半数样地单元设置遮雨棚系统进行干旱模拟试验，剩下半数样地单元用于干旱解除恢复；

2)土壤根系层温湿盐传感器位于样地单元中央，分别在牧草根系层的0.10m、0.20m、0.30m深度,测量各层土壤含水率、温度和电导率，根据对照组和试验组的土壤含水率计算试验组中不同理论遮挡率所对应的实际遮挡率，根据实际遮挡率确定其对应的干旱级别；

3)根据不同样地单元对应的干旱级别模拟草原的干旱情况，按牧草观测规范，测量样地单元内样方内2种优势牧草的生长高度、盖度和产量。

进一步地，所述凹槽格板平行连接在所述高横梁和矮横梁之间形成所述遮雨格栅，所述遮雨格栅的宽度与样地单元宽度之比为理论遮挡率，同一理论遮挡率的遮雨棚至少有三个。

优选地，理论遮挡率分布设定为20％、30％、40％、60％、100％五档，对应的干旱级别为轻旱、中旱、重旱、特旱和极端无降水五类，然后根据试验计算得到的实际遮挡率重新划分干旱级别。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

1)本发明样地设计合理，样地重复数遵循中国气象局农牧业试验观测规范；样地隔离带采用对草皮破坏最小的雪花铁皮，地上20厘米，防止径流干扰，地下20厘米防止根系层土壤水分输移，保证样地相对独立性；样地设边际缓冲，观测试验围绕中心，大幅度减弱边际效应；

2)本发明控水试验的合理性：干旱等级设计依据青海省气候中心干旱区划最新成果，同时考虑极端干旱情况；遮雨棚设计简单合理，半圆pc管直径大约12厘米，为样地宽度2.4米的1/20，等效遮雨面积即为5％，巧妙易算；半圆pc管韧性极好，透明度超过98％，阳光照射氧化变黄速度较慢，最大限度减少对牧草光合作用的影响；遮雨棚全部可以移动，没有超过300公斤，坚固程度可以防止金银滩草原大风，又相对灵活可以移动，满足动态、随机的高难度要求；本发明涉及遮雨，不涉及集雨，样地恢复采用自然恢复，更好地考虑了广阔草原无法灌溉的现实情况。

3)本发明的模拟试验可以用来揭示不同降水过程对高寒草原生态系统干旱灾害形成、持续、解除影响的特征和机制；辨析高寒草原生态系统对不同发生时间、不同强度和不同持续时间的干旱事件响应敏感指标并给出致灾临界条件；探究气象干旱与高寒草原生态系统干旱之间的定量关系，改进和发展高寒草原干旱监测技术。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的模拟高寒草原干旱情况的降水控制系统的一个样地单元的遮雨棚系统的理论遮挡率为20％的实施例的结构示意图；

图2是本发明的模拟高寒草原干旱情况的降水控制系统的一个样地内样地单元分布的一个实施例的示意图；

图3是本发明的模拟高寒草原干旱情况的降水控制系统的一个样地内样地单元及遮雨棚系统分布的一个实施例的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种模拟高寒草原干旱情况的降水控制系统，如图1至图3所示，包括若干样地单元1、设置在样地单元1上的遮雨棚系统2、设置在样地单元中的自动雨量计、用于隔离样地单元1的样地隔离板23及设置在样地单元1中间位置地下的土壤根系层温湿盐系统，土壤状况包括土壤含水率、温度和电导率；遮雨棚系统2包括遮雨栅格和支架22；遮雨格栅由若干透明度高的凹槽格板21组成，凹槽格板21倾斜设置在支架22上，倾斜度优选为30度，尽可能固定于横梁上；样地隔离板23地上部分为0.15m-0.35m，优选为0.20m，用于放置雨水的径流干扰，样地隔离板地下部分为0.15m-0.35m，优选为0.20m，用于防止根系土壤层水分输移；样地单元1之间设置有样地隔离带3。

本发明在使用时，将支架22固定在样地单元1上，遮雨格栅的凹槽格板21倾斜设置在支架22上，倾斜度优选为30度，以方便凹槽格板21上所接的雨水流到样地单元1之间的样地隔离带3上，以更好的模拟样地单元1内的干旱情况，然后在在样地单元1上安装样地隔离板23，样地隔离板23在地上部分优选为0.20m，用于放置雨水的径流干扰，样地隔离板在地下部分优选为0.20m，用于防止根系土壤层水分输移，使干旱模拟更加准确，然后在样地单元的中央的地下安装土壤根系层温湿盐系统，测试土壤含水率。如图2所示样地单元1的分布。

本发明选择的试验基地为青海省气象科学研究所野外试验基地(青海省海北牧业气象试验站)野外观测场(距西海镇3km，草场面积30公顷)，选择代表性较好、易于灌溉管理及观测的草场2250m²作为试验场地。东西长45m，南北宽50m，四周用网围栏围封，避免牲畜干扰，水电输送方便。该草场距自动气象站30.0米，地势较为平坦，每年黄枯期轻度放牧。年产草量(鲜重)3000千克/公顷，能代表当地典型高寒草原区生产和利用状况。场地用来开展干旱发生和解除模拟试验，同时开展干旱陆面过程及大气边界层特征综合观测；干旱灾害致灾过程及机理综合观测；降水过程特征对干旱持续、解除影响综合观测；干旱指标区域适应性综合观测；干旱形成与区域水分循环过程综合观测等试验。

具体的控制方法为，即拟高寒草原干旱情况的降水控制方法，包括上述的降水控制系统，具体步骤为：

1)在高寒草原某处选择一块方形样地，在样地上设置64个样地单元1，样地隔离带3可以为1m，随机选择4个样地单元1不设遮雨棚系统作为对照组，其中30个样地单元1设置遮雨棚系统进行干旱试验模拟作为试验组，另外30个样地单元1不设遮雨棚系统参与干旱解除恢复试验；

优选地，在设置有遮雨棚系统的30个样地单元中，有15个为当年固定，为全生育期控水干旱模拟试验，根据模拟的五档理论遮挡率，每档理论遮挡率有三个样地单元的遮雨棚系统完全相同，用以消除误差影响，即5档三个样地单元为设施完全相同的重复；剩余15个样地单元为可移动的设置，同样为5档三个样地单元为设施完全相同的重复，用于实施返青期、生长期、黄枯期高寒草原干旱控水实验；具体的64个样地单元1的分布情况也可以如图3所示，灰色标注部分为设置有相应的遮雨棚系统，百分比表示理论遮挡率，带r表示该样地安装有雨量计，可同步观测降水量，未有灰色部分表示这些样地单元处于恢复期或准备期，字母f、s、h、d分别代表返青期、生长期、黄枯期和对照区。

具体地，根据参考青海省气候中心最新关于青海牧区风险评估等级指标划分标准，按照轻旱、中旱、重旱、特旱、无降水共5类不同等级降水情况，分牧草返青期(4—5月,代号f11—f54，对照组d61—d64)、营养生长期(6—7月，代号s11—s54，对照组d61—d64)和黄枯期(8—9月，代号h11—h54，对照组d61—d64)三个不同生长发育阶段设计，每1个阶段试验分5个处理、4个重复，共计5×4＝20个试验样地单元，全年控制试验三个不同生长发育阶段，共计60个样地单元。另外，设4个单元对照样地(代号d61—d64)，整个试验期间开展对照观测。

牧草返青期(4—5月)降水控制实验结束后，遮雨棚系统移动到营养生长期(6—7月)样地进行试验，该地段样地继续进行返青期发生不同干旱程度条件下，后期自然降水条件下的干旱解除试验；7月底试验结束后遮雨棚系统移动到黄枯期(8—9月)样地进行试验，该地段样地继续进行营养生长期发生不同干旱程度条件下，后期自然降水条件下的干旱解除试验；黄枯期样地试验结束后，该地段样地进行黄枯期发生不同干旱程度条件下，第二年春季自然降水条件下的干旱解除试验；试验从2016年春季开始，2019年春季结束，达到完整的3年试验周期。

图3的说明：f11、f12、f13、f14代表牧草返青期轻旱试验4个处理，f21、f22、f23、f24代表牧草返青期中旱试验4个处理，f31、f32、f33、f34代表牧草返青期重旱试验4个处理，f41、f42、f43、f44代表牧草返青期特旱试验4个处理，f51、f52、f53、f54代表牧草返青期无降水试验4个处理，d61—d64代表4个对照试验区；同理，s11—s54和d61—d64代表生长阶段不同干旱程度试验处理和对照试验区；h11—h54和d61—d64代表黄枯期不同干旱程度试验处理和对照试验区、带r的表示该样地单元安装有雨量计，同步观测降水量。

2)土壤根系层温湿盐系统位于样地单元中央，深度分别在0.10m、0.20m、0.30m,每间隔一段测试土壤含水率，每10分钟出一条观测记录，根据对照组和试验组的土壤含水率计算试验组中不同理论遮挡率所对应的实际遮挡率，根据实际遮挡率确定其对应的干旱级别。例如，以2016年控水试验实际效果为例，理论遮挡率分布设定为20％、30％、40％、60％、100％，对应的干旱级别为轻旱、中旱、重旱、特旱和极端无降水五类，通过试验与对照组进行土壤含水率的计算得到的实际遮挡率如表1所示，即20％理论遮挡率的遮雨棚系统的实际遮挡率为45％、30％理论遮挡率的遮雨棚系统的实际遮挡率为48％，两者较接近且均大于40％，均达到重旱级别，40％理论遮挡率的遮雨棚系统的实际遮挡率为58％，达到了特旱级别，60％理论遮挡率的遮雨棚系统的实际遮挡率为71％，大于理论特旱级别，100％理论遮挡率的遮雨棚系统的实际遮挡率为94％，基本属于极端干旱级别，出现这种情况的主要受到风等环境因素影响，因此，本发明能够模拟出高寒草原轻度干旱、重旱、特旱和极端干旱的等级差别，从而对于提炼草原干旱预警指标是十分有价值的。

表1不同理论遮挡率的遮雨棚对应的实际遮挡率(2016年)

然后根据不同样地单元对应的干旱级别模拟草原的干旱情况，按牧草观测规范，测量样地单元内样方内2种优势牧草的生长高度、盖度和产量。

进一步地，支架22包括四个横梁221和至少四个竖杆222，竖杆222竖直设置于样地单元1上，竖杆222上设置有用于固定在样地单元1上的底座，竖杆222上端连接有横梁221，四个横梁221围成方形，四个横梁221分别为一个高横梁2212、一个矮横梁2211和两个斜横梁2213，高横梁2212的高度大于矮横梁2211的高度，对应地，与高横梁2212连接的至少两个竖杆222为等高的高竖杆2221，与矮横梁2211连接的至少两个竖杆222为等高的矮竖杆2221，斜横梁2213连接高竖杆2221和矮竖杆2222的上端；高横梁2212和矮横梁2211之间连接有遮雨格栅，四个横梁221围成的方形在样地单元1上形成方形投影，在方形投影范围内设置有方形的样地隔离板23；相邻的样地单元1之间相隔大于0.5米。

优选地，所述横粱221与竖杆222为钢架通过焊接连接。

优选地，相邻的竖杆222的低端之间连接有支撑梁24，用于支撑固定竖杆222。

优选地，样地隔离带3的宽度可以选择2m，基本保证相互之间控水不相互干扰。

优选地，样地边际保留0.20m的边际，以减弱样地边际效应。

优选地，凹槽格板21平行连接在高横梁和矮横梁之间形成遮雨格栅。

进一步地，凹槽格板21采用高度透明的半圆pc管，透明度超过98％，透光性超过95％，不影响牧草的光合作用。

优选地，土壤根系层温湿盐系统包括土壤根系层温湿盐传感器和用于采集所述自动雨量计和土壤根系层温湿盐传感器检测数据的cr6温湿盐降水量数据采集器，采集土壤含水率、温度和电导率以及降水量。

进一步地，样地隔离板23采用防锈雪花铁皮，对草皮破坏度最小。

进一步地，样地单元1的大小为2.4m×3m，高横梁为2.4m，样地隔离板距离样地单元的边缘为0.15m-0.20m，高竖杆高2.0m，矮竖杆高1.5m，底座面积为2.7米×3.3米，遮雨棚系统可以移动；样地单元之间的距离为0.5m-3.0m，优选为2.0m，凹槽格板21的直径约为12cm(为遮雨面宽度的1/20)，等效遮雨面积为5％，每个样地理论遮挡率＝凹槽格板数n×5％,长约3.5m，设计合理，易于加工和操作。

优选地，凹槽格板21的宽度可以变化，理论上整个样地单元降水减少在空间上越均匀越符合自然状态的减少情形，试验就越接近自然地干旱状态，所以遮雨槽数越窄，空间的均匀性就越好，优选为12cm。

优选地，遮雨棚系统2为可移动系统，底座通过大钉固定在样地单元1上。底座有十六个大钉将其四个竖杆222阶段性地固定在样地上，每4个大钉固定一个竖杆222，需要移动时就将钉拔出，移动遮雨棚系统即可。。

本发明在使用时，将四个竖杆222分别固定在样地单元1的四个角上，也可以在同侧的两个竖杆222之间再固定一个竖杆222使支撑更加稳定，样地单元的大小为2.4m×3m，高横梁为2.4m，将横粱221焊接在竖杆222的上端，高竖杆优选在北高度为2.0m，矮竖杆优选在南高度为1.5m，使作为高横梁2212的高度高于矮横梁2211，倾斜度优选为30度，以方便高透明度的半圆pc管21上所接的雨水到样地单元1之间的样地隔离带3上，pc管的直径为12cm，以更好的模拟样地单元1内的干旱情况，然后在横梁221在样地单元1上的方形投影范围内安装样地隔离板23，样地隔离板23在地上优选为0.20m，用于放置雨水的径流干扰，样地隔离板在地下优选为0.20m，用于防止根系土壤层水分输移，使干旱模拟更加准确，然后在样地单元的中央的地下安装土壤根系层温湿盐系统，每10分钟出一条观测记录，测试土壤含水率，cr6温湿盐降水量数据采集器自动收集每个样方内3层土壤温湿盐系统测量到的每10分钟的土壤含水率、土壤温度、电导率以及5个遮雨等级的样方中央降水量。如图2所示样地单元1的分布。

另外，提供一种模拟高寒草原干旱情况的降水控制方法，包括上述的降水控制系统，具体步骤为：

1)在高寒草原某处选择样地，在样地上设置若干样地单元1，相邻的样地单元1之间间隔1m，随机选择至少两个样地单元不设遮雨棚系统作为对照组，随机选择剩余的若干样地单元上设置不同理论遮挡率的遮雨棚系统作为试验组；优选地，选择半数样地单元设置遮雨棚系统进行干旱模拟试验，剩下半数样地单元用于干旱解除恢复；

2)土壤根系层温湿盐系统位于样地单元中央，深度分别在0.10m、0.20m、0.30m,每间隔一段测试土壤含水率，根据对照组和试验组的土壤含水率计算试验组中不同理论遮挡率所对应的实际遮挡率，根据实际遮挡率确定其对应的干旱级别；

3)根据不同样地单元对应的干旱级别模拟草原的干旱情况，测试样地单元内牧草的生长情况。

进一步地，凹槽格板平行连接在高横梁和矮横梁之间形成遮雨格栅，遮雨格栅的宽度与样地单元宽度之比为理论遮挡率，同一理论遮挡率的遮雨棚至少有三个。

优选地，理论遮挡率分布设定为20％、30％、40％、60％、100％，对应的干旱级别为轻旱、中旱、重旱、特旱和极端无降水五类，然后根据试验计算得到的实际遮挡率重新划分干旱级别。

上述控制方法假定在试验场范围内，降水都是均匀的，控水通过遮雨棚来实现，利用宽度比例来实现样地遮雨比例。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。