SFLSET原位微型蒸渗仪系统

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1  引言
蒸渗仪的研发最初是用于土壤渗漏研究,而随着生态过程观测要求的日益增长,最初蒸渗仪的功能已经不能满足研究者的需求。针对这一问题,我们不断对蒸渗仪技术进行改进,最终形成了当今的第三代蒸渗仪技术,使蒸渗仪由单一的土壤水文监测逐步发展成为全要素、多角度研究水-土-气-生系统的观测和模拟手段,并成为生态科学、土壤与地球科学、环境科学、水文学与水资源管理、农业科学、生态修复与恢复生态学等领域不可或缺的长期监测研究工具,而其功能和输出参数已远远超出蒸散量和渗漏量,
在实际应用中,尽管大型蒸渗仪能够带来上述的便利,但其安装过程工程量巨大,很多时候限制了其应用范围。针对这一问题,我们研发了SFLSET原位微型蒸渗仪。尽管单个的SFLSET微型蒸渗仪的面积和深度同大型蒸渗仪相比略有不足,但利用与其配套的工具能够很容易获取原状土柱,安装方便并可对齐进行大面积的布设,此外,先进的设计使其柱体内部土壤条件与外部环境能够达到一致,并对水分平衡进行直接的测量,能够准确提供水分和溶质平衡问题的相关信息,在实践中得到越来越多的应用。 
 
2  观测系统设计
2.1 目标
 
系统的设计用于准确测量:
1) 准确测量深层的渗漏及蒸散;
2) 准确称重使用底部水势控制的蒸渗仪;
3) 使用配套工具轻松获取原状土柱;
4) 柱体大小更具有灵活性;
5) 双向泵控制水力边界条件;
6) 渗漏水的存储;
7) 直接测量水分平衡;
 
2.2 系统组成及技术指标
2.2.1 系统由如下部分组成:
1) 数据采集器和控制器;
2) SFL野外放置箱,内含底部水势控制系统及称重系统;
3) 蒸渗仪柱体,内含土壤水分及水势传感器,称重系统,渗漏水取样系统;
4) 太阳能供电系统;
 
 
 
 
2.2.2 技术指标:
T8张力计

材料与尺寸 陶土板:Al2O3烧结物;进气值>15.000hPa,长度60mm,直径24mm
外壳: PA6GF30
管壁: 抗冲击聚甲基丙烯酸甲酯
测量范围 压力传感器: -1000hPa ~ +1000hPa (电子量程); -850 ~ +1000hPa (物理量程)
土壤水势:-850 ~ +1000hPa
水分水平范围:0 ~ +1000hPa
温度范围:-30℃~70℃
精度 压力:±5hPa
温度:±0.2K (-10℃ ~ +30℃ )
      ±0.4K (-30℃ ~ +60℃)
供电 电压:6 ~ 18V DC
电流:3Ma (最高20mA)
耐腐蚀性 pH 3 ~ pH 10,但基质不能为腐蚀硅橡胶,硅氟橡胶,EPDM,PMMA以及聚醚酰亚胺
 
5TE体积含水量传感器

测量范围 含水量:显著介电常数(εa) 1(空气)到80(水分)
电导率:0…23dS/m
温度:-40℃ … +50℃
精度 体积含水量:εa: ±1εa 从1-40 (土壤含水量), ±15% 从40-80(土壤含水量)
使用Topp equation: ±0.03 m3/m3(±3% VWC)
在多孔基质中使用特殊基质校准: ±0.01 - 0.02 m3/m3(±3% VWC)
电导率:±10%(0-7dS/m),高于77dS/m需要用户校准
土壤温度:±1
供电 电压:3.6 ~ 15 V DC
电流:0.03mA,最高10 mA
操作温度 -40℃~+50℃
MPS2基质势测量传感器
测量范围 基质势:-100 ~ 5000hPa
温度:-40℃~+50℃
供电 电压:3.6 ~ 15 V DC
电流:0.03mA,最高10 mA
精度 基质势:±10 kPa (-10kPa ~ -100kPa);  ±25% (-75 kPa ~500 kPa)
温度:1℃
操作温度 -40℃~+50℃
 
VTENS 虚拟张力计

测量范围 压力传感器: -1000hPa ~ +1000hPa (电子量程); -850 ~ +1000hPa (物理量程)
土壤水势:-850 ~ +1000hPa
水分水平范围:0 ~ +1000hPa
精度 压力:±5hPa
供电 电压:6 ~ 18V DC
电流:3Ma (最高20mA)
3   数据处理
利用高精度天平精确测量柱体质量变化,同时通过大量研究,排除作物、风、结露等外界因素的影响,准确测量蒸散、冷凝、降雨、渗漏等数据,并对柱体内部溶质进行取样。
 
4   应用案例
4.1  使用微型原位蒸渗仪对土壤水通量的高分辨率测量: 噪音去除和进一步解读 (Frantisek Dolezal, 2014)
采用了底部控制的原位微型蒸渗仪(直径30cm,高30cm),区分不同方向的水分通量,包括估算实际蒸散量(上部表面通量),降雨和冷凝(下表面通量及植物结露),渗流(底部30cm通量)以及毛细上升(上部30cm通量)。
研究发现底部水势控制对获得正确测量结果的重要性,同时发现传统的雨量筒可能低估了实际的降雨量,同时证明了原位蒸渗仪可对降雨量与土壤及叶片冷凝量的估算,蒸渗仪测量的蒸散测量有明显的日动态,通常情况下最大的蒸散发生在正午刚过后,降雨过后的渗流测量可以用于土壤导水性的研究。
 

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