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AZ-W0402陆地生态系统蒸散观测系统

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引言
蒸散是地面整体及陆地生态系统植被向大气输送的水汽总通量,是水分平衡的主要分量,包括系统蒸发和植物蒸腾。蒸散是一个复杂的连续过程,全面了解蒸散需要气象-土壤-植物-水文等多学科知识,其对探求全球水分循环规律、正确认识陆地生态系统的结构和水文功能具有重要意义。全球约60%左右降水被蒸散所消耗,在农田系统中则有99%用水被蒸散消耗(Kite,2000),蒸散作为水循环的重要环节对于了解水循环过程!合理利用有限水资源有重大意义(Sellers,et al.,1996)。
此外,蒸散作为水文和生物过程连接因子是衡量生态系统生产力的重要指标(Aber,et al),作为能量平衡的组成部分则反映了系统可利用能,可作为生物多样性、生物区域分布的指示因子(张新时)。同时蒸散与全球变化密切相关,对诸如CO2浓度变化等敏感,对研究植被与全球变化间的相互关系意义重大(Dow et al.,2000;许振柱,2003)。
但直至目前为止蒸散研究多以均质下垫面(草地、农田等)研究为重点,而非均质下垫面研究的大多数理论与方法都直接来源于均质下垫面蒸散研究,且都建立在其基本假设之上(Angel,et al.,2004)。然而,不同下垫面在结构与功能上存在着显著差异,很多假设在不同下垫面不能很好地应用,导致在蒸散研究中,仍没有通用的方法。因此总结蒸散研究现有理论和方法,研究其适用性、发展基于新技术和新途径的研究方法成为必然。(刘京涛、刘世荣,2006)

观测系统设计
2.1 目标

    AZ-W0402陆地生态系统蒸散观测系统从研究尺度转换的角度着手,充分考虑了从点到片再到面的陆地生态系统蒸散观测思路。采用基于热平衡技术的植物液流测量单元(液流计)长期连续定位观测单株植物(农作物、灌草和树木)茎干液流量,了解不同植物的蒸腾耗水规律及其主导影响因子;采用自动称重式蒸渗仪原位长期连续观测单个林分或植物群落蒸散量的数据,掌握典型植被类型的水文动态变化规律及水分利用效率;对于更大范围如区域尺度内的生态系统蒸散及生态系统水文时空分布格局的观测,仅仅靠有限的“点”和“片”观测来简单推算更大范围的通量显然有很大的误差,AZ-W0402陆地生态系统蒸散观测系统采用基于目前唯一可以直接测量像元(km)尺度非均匀下垫面显热通量技术的LAS大口径闪络仪,实现传统地面通量的尺度扩展以及遥感通量地面的验证,为研究陆地生态系统的水分耗散及水分利用效率提供基础数据。

2.2 观测内容
单株植物茎干液流量、单个林分或群落的蒸散量、区域尺度的多个林分或群落的蒸散量。

2.3 观测场设置与观测方法
2.3.1 观测场设置

单株植物茎干液流量观测场应设在研究区域的典型林分或裙楼内,地势平坦,植被分布均匀。
单个林分或者群落蒸散量观测场土壤、地形、地质、生物、水分和植物物种等条件具有广泛的代表性,要避开道路、小河、防火道、边缘地区,形状应为正方形或长方形,若为林分,则林木应在200株以上。
区域尺度上多个林分或群落蒸散量观测场的测量路径长度应包含或覆盖单株植物茎干液流和单个林分或群落蒸散量观测点所在的典型林分或群落,且路径中心位置尽量位于观测塔附近。

2.3.2 单株植物茎干液流量观测

直径≥12cm 的植物采用组织热平衡系统THB (Tissue Heat Balance),俗称插针式液流计;直径<12cm的植物采用茎干热平衡系统SHB(Stem Heat Balance),俗称包裹式液流计。
观测时根据标准株法确定观测样株。

2.3.2 单个林分或群落植物蒸散量观测
2.3.2.1 蒸渗仪安装点的选择

观测点应地势相对平坦,土壤中没有产流,植被分布均匀;观测点应至少能安装一个最小规格为2m×2m(直径×高)的圆柱状蒸渗系统;土柱采样点要具有代表性,要能代表集水区或一个区域;避开土壤剖面有隔层、粘土防渗层、土表层极粗糙的位置。
2.3.2.2 蒸渗仪柱体与维护井的布设


由多个蒸渗仪柱体组成的蒸渗系统,蒸渗仪柱体和维护井的位置有如下几种布局。
图 蒸渗仪柱体与维护井位置图
① 维护井与柱体是直角或柱体在维护井的两边成一条直线,见图(a)。这种布局用于在一种土壤类型上比较不同的处理(如施肥、灌溉或CO2处理)
② 维护井安装在四个等距柱体的交叉中心,成正四边形结构,见图(b)。通过用户定制的管长连接柱体与维护井。在这种布局中,四个柱体分别是四种类型的样地。
③ 维护井安装在两列各三个柱体的对称中心,成矩形排列,见图(c)。这种布局用于比较不同植被类型或植被不同处理,方便机器或机械设备操作,如施加示踪剂(或同位素),放置不同气体处理罩等。
④ 维护井安装在六个等距柱体的交叉中心,成正六边形排列,见图(d)。六个柱体的原状土柱来自不同试验观测点,用于比较不同植被类型或立地条件的土壤。正六边形布设使蒸渗仪柱体处于同样的条件下,便于比较研究。
2.3.2.3 蒸渗仪各部件的安装位置
蒸渗仪部件及安装位置

传感器及部件 安装位置 备注
空气湿度 高度2m  
空气温度 高度2m
高度50cm
高度5cm
 
总辐射 高度2m  
风速 高度2m  
雨量筒 高度70cm  
降水收集器 高度70cm  
土壤温度 地下20cm
地下10cm
地下5cm
 
罐体 与地面齐平,高度1.5m或2m 高度可定制
土壤溶液采样器 柱体内  
土壤传感器 柱体内和野外  
维护井或地下室 井口或楼梯与地面齐平 比罐体截面积大4~6倍
数据采集器 维护井或地下室内  
底部水势控制器 柱体底部  
称重单元 柱体底部  
土壤溶液收集器 维护井或地下室内  
土壤溶液采样控制器 维护井或地下室内  
电源 通入维护井或地下室内  
 
2.3.2.4 蒸渗仪数据采集
蒸渗仪各部件测量频率

部件 测量频率 性能指标
空气湿度 1次/10min 测量范围:0~100%RH,精度:±2%RH
响应时间:小于20s (0 m/s)
空气温度 1次/10min 温度范围:-30℃~70℃,精度:±0.2K
总辐射 1次/10min 测量范围:0~1500W·m-2;分辨率:<1W·m-2
风速 1次/10min 启动风速:0.2m·s-1;最大风速:可大于75m·s-1
雨量筒 累计 测量范围:0.2mm;高度:357mm;入口面积:400cm2
降水收集器 用户自定 直径:200mm;收集面积:314cm2;采样体积:5L
土壤水分 1次/10min 测量原理:TDR时域反射原理
测量范围:0~100%体积含水量;含水量0~40%时,精度±1%;含水量40%~70%时,精度±2%;温度测量范围:-15℃~+50℃;温度精度:±0.2℃
土壤温度 1次/10min 温度测量范围:-15℃~+50℃,精度:±0.2℃
土壤水势 1次/10min 水势测量范围:100KPa~-85Kpa,精度:±0.5KPa
温度测量范围:-30℃~+70℃;温度精度:±0.2K
称重单元 1次/min 范围:0~60t;称重分辨率:0.01mm(水量)
结构:Y型构架安装系统, X-Y-Z三方向调节蒸渗仪柱体
底部水势控制器   水势测量范围:100KPa~-85KPa,采样杯表面积:3600cm2
采样杯材料:硅碳;进气值:0.1bar;直径: 40mm
 
渗漏液称重单元 1次/min 范围:0~60kg;称重分辨率:100g
土壤溶液收集器 根据室内分析频率 采样管:PMMA (丙烯酸),直径20mm;陶土杯:直径20mm;高60mm;
材料:硅砂
土壤溶液采样控制器 维持设定值 负压范围:0~850hPa,精度: ±0.5hPa
输出:2个 0~2000mV;内存:4500读数 供电:10.5~15VDC
柱体   表面积:1m2,柱高:1m或2m 或用户定制,材料:4mm不锈钢
重量测量间隔是1min,土壤水分、水势、温度、气象参数测量间隔是10min。
系统软件直接输出土柱重量、渗漏液重量、土壤剖面水势、水分、温度、土壤溶液采样负压、柱体底部水势及同深度野外大田水势。
2.3.3 多个林分或群落植物蒸散量观测
2.3.3.1大孔径闪烁仪的布设和安装
考察观测点边缘相距最远的两个点林分或群落冠层的均匀度情况,选择中间林分或群落冠层比较均匀的两点架设观测塔。
发射器和接收器观测塔的距离和高度与传播路径上湍流情况相关,由结构常数、温度脉动常数、热通量变化范围决定。
2.3.3.2大孔径闪烁仪的数据采集
大孔径闪烁仪通过网线将SPU连接到PC。在计算机上安装SRun软件后,进行系统设置和数据采集参数设置。先设置SPU中的时间和日期。然后设置SPU中的采样间隔为29s;采样时间为1s;采样速率为500Hz;再设置气象传感器接口的采样频率为1次/30s等其它参数。上传设置文件到SPU后开始测量。
2.4 观测系统组成
    AZ-W0402陆地生态系统蒸散观测系统由植物茎干液流测量单元、自动称重式蒸渗仪和LAS大口径闪络仪共同组成。
数据处理
3.1单株植物茎干液流观测单元数据处理

  1. THB法(插针式)整株树木的液流值
                        
式中:Qtree——液流值,kg·h-1Q ——调节功率(输出值),kg·h-1A ——树干周长(带树皮),cm;B ——树皮+韧皮部厚度,cm。      该结果包含应该去除的热量损失。
2)SHB法(包裹式)整株植物的液流值
                    
式中:——液流值,kg·h-1——直接来自下载的数据,mv; Qidle  ——调节功率(输出值),kg·h-1 。该结果包含应该去除的热量损失。
3)“净”液流量
系统软件识别到从液流系统中下载的数据文件后,自动激活去除基线功能,选择该功能后,可得到去除了热量损失的“净”液流量。
3.2 单个林分或群落蒸散量观测的数据处理
通过电缆或网线连接蒸渗仪的数据采集器和PC后可下载数据。蒸渗仪各参数计算如下:

  1. 大气沉降量
ΔM=W2-W1
式中:ΔM——大气沉降量,g;W2 ——结束时间的柱体重量,g;W1——开始时间的柱体重量,g。

  1. 土壤持水量
将土壤剖面土壤含水量,输入MLog 软件,可得到任意土体的持水量。
  1. 蒸散量
ΔS= W4-W3
式中:ΔS ——蒸散量,换算成mm;W4 ——终点时间的柱体重量,g;W3 ——开始时间的柱体重量,g。

  1. 植物系数修正
蒸渗系统的软件通过内置的彭曼FAO P-M方程,可计算出参照蒸散量ET0值。
通过如下公式可修正植物系数。
ETc = Kc×ET0
式中:ET0  ——参照蒸散量,mm·d-1ETc ——蒸渗系统输出的植物需水量,也称潜在蒸散量mm·d-1Kc ——植物系数。
利用蒸渗仪的实时蒸散量ET,还可修正卫星遥感蒸散量,进而得到单个或多个林分蒸散量。

  1. 水量平衡法蒸散量计算
根据蒸渗仪系统中的气象传感器获得的数据,可用于水量平衡法蒸散量计算。

式中:ET ——蒸散量,mm·d-1P ——降雨量,mm;Ir ——灌溉量,mm;I ——截流,mm;ΔS ——蒸渗仪柱体重量变化,换算成mm;Sw ——渗漏水,mm。

  1. 能量平衡法蒸散量计算

式中:λET ——潜热通量,W·m-2H ——显热通量,W·m-2Rn ——净辐射量,W·m-2S ——研究区域的储热变化通量(包括空气、植被和土壤),W·m-2P ——光合作用热通量,W·m-2L ——土壤热通量,W·m-2λ——水的汽化潜热,J/kg。
3.3 区域尺度多个林分或群落蒸散量观测的数据处理
每次完成原始数据包采样后即实施原始数据处理,同时形成诊断数据文件列表。在每个主要数据采集间隔(由用户自定义),处理诊断数据。从合并的诊断数据中计算物理量和气象结果,并保存作为主要数据。
单个或多个林分蒸散量观测输出数据包括时间、蒸散量、潜热通量、折射率脉动结构常数Cn2、温度脉动结构常数CT2、自然对流情况下的显热通量、需要外接气象传感器时计算的显热通量等。
可对数据采用背景校正、消光和外尺度校正及湍流饱和校正。

 

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