CN101300942B - 沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟方法及设施 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生态系统主要生态过程与其主要限制因子变化的关系的研究方法及设施，具体地说是一种沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟方法及设施。以野外自然环境原位样地为研究对象，在天然降雨过程中，采用屏蔽模拟干旱化样地的自然降雨进行干旱化模拟，同时收集被屏蔽的天然降雨加以蓄积，将蓄积的天然降雨作为模拟湿润化样地的水源，在湿润化样地模拟天然降雨过程进行湿润化模拟，使干旱化与湿润化的模拟过程有机地结合在一起。本发明具有接近天然状态、能代表天然沙地疏林草地生态系统生态特征、适用于野外原位模拟的特点。
Description
技术领域
本发明涉及生态系统主要生态过程与其主要限制因子变化的关系的研究方法及模拟设施，具体地说是一种沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟方法及设施。
背景技术
近年来全球变化已经引起各界学者的广泛重视，水分环境作为全球变化的主要组成部分，是沙地疏林草地生态系统过程最重要的限制因子，因此沙地疏林草地生态系统对全球变化引起的水热耦合格局变化具有最灵敏的响应，所以通过模拟沙地水分环境的变化，研究沙地疏林草地的净初级生产力、土壤CO2通量、植被及物种组成变化，以及土壤养分循环过程等主要生态过程的响应，能为预测沙地疏林草地生态系统变化趋势提供科学参考，进一步为在全球变化背景下沙地疏林草地生态系统的经营管理提出合理的应对策略，对实现沙地疏林草地生态系统的可持续发展具有重要意义。
目前水分环境变化的模拟方法主要有盆栽模拟和水泥池模拟。盆栽模拟水分环境的变化适用于研究不同物种在不同水分环境下的生理与形态变化，该法操作简单，费用低廉，在对比研究时又具有一定的准确性，因此应用十分广泛，但盆栽的盆子容量有限，因此不能重现被研究物种的原始状态，所以只能用于幼苗或者小体积物种的比较研究。水泥池模拟方法与盆栽模拟法相比增大了研究面积，目前有的水泥池尺寸达到了1.5m×2m，但依然跟野外原位生态系统有很大差别，不能代表原生的沙地疏林草地生态系统的水分变化特征。而且盆栽和水泥池模拟水分环境变化的研究多是采用地下水作为水源，地下水的养分及矿质含量等水质特征与天然降水是有差异的，这也导致这些方法的水分环境变化模拟不能真正代表天然降水特征。目前有研究者用小面积遮雨棚在野外对草地生态系统进行过干旱化模拟的研究，也出现过人工浇水或用小型模拟降雨装置在野外进行的湿润化模拟试验，但这些模拟水分变化的研究都是单向的，而生态系统水分环境的变化恰恰包括干旱化与湿润化两个方面，因此国内外对生态系统水分环境的变化模拟方法都是不完善的。目前尚未发现能将模拟干旱化与湿润化在野外原位样地进行有机结合的方法的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种接近天然状态的，能代表天然沙地疏林草地生态系统生态特征的，适用于野外原位模拟的沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟方法及设施。
本发明技术方案如下：沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟方法：以野外自然环境原位样地为研究对象，在天然降雨过程中，采用屏蔽模拟干旱化样地的自然降雨进行干旱化模拟，同时收集被屏蔽的天然降雨加以蓄积，将蓄积的天然降雨作为模拟湿润化样地的水源，在湿润化样地模拟天然降雨过程进行湿润化模拟，使干旱化与湿润化的模拟过程有机地结合在一起，从而达到模拟沙地疏林草地生态系统干旱化与湿润化两种水分环境变化的目的；
另外，对模拟干旱化样地及模拟湿润化样地可进行土壤水分防侧渗处理；模拟天然降雨时雨强的控制通过选择水泵的规格进行。
沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施包括干旱化模拟装置和湿润化模拟装置，干旱化模拟装置通过蓄水装置与湿润化模拟装置相连，其中：所述干旱化模拟装置由遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置组成，遮雨装置与导水装置管路相连，导水装置输出至蓄水装置；防侧渗装置位于遮雨装置下部内侧安装；所述湿润化模拟装置由供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置组成，其供水装置输入接收蓄水装置水源，输出端经输水装置和降雨量监测装置至降雨发生装置，防侧渗装置位于降雨发生装置下部内侧安装。
所述干旱化模拟装置包括遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置，所述遮雨装置为由具有弧状顶部的第一支架支撑遮雨棚结构，安装在研究样地四周；所述导水装置由横截面上开口结构的导水主管和导水支管构成，导水主管平行安放在遮雨棚上，导水支管一端分别与导水主管相连，另一端连接蓄水装置；所述蓄水装置上端开口与导水支管相连，下端开口与湿润化模拟装置中的供水装置相连；所述防侧渗装置为防渗屏障结构，围绕研究样地四周垂直设置于地下；防侧渗装置位于遮雨装置中第一支架下部内侧安装。
所述湿润化模拟装置包括供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置，其中所述供水装置包括滤网、逆止阀和水泵；滤网安放在作为水源的蓄水装置与水泵的管路接口处，逆止阀安装滤网的靠近水泵的一侧，水泵输出端与输水装置中输水干管相连，水泵作为模拟降雨的动力装置，可以通过选择水泵的规格控制模拟降雨的雨强；输水装置包括输水干管、输水主管和一组输水支管；所述输水干管一端与水泵相连，另一端与输水主管相连，输水主管的另一端封闭，安放在降雨发生装置的第二支架上，位于研究样地一侧悬空放置，一组一端封闭的输水支管的一端与输水主管相连，输水支管间水平等距设置，另一端安装在第二支架上，纵向均匀的平行于研究样地地面；降雨发生装置包括第二支架和一组喷头，第二支架为平顶结构，安装在研究样地四周，一组喷头等距的安装在每根输水支管上；降雨量监测装置采用流量计，安放在输水干管与输水主管的接口处；防侧渗装置位于降雨发生装置中第二支架下部内侧安装。
输水支管的间隔距离小于喷头喷洒半径，以便消除喷洒盲区；所述遮雨棚采用透光性好的聚乙烯材料；所述防侧渗装置采用不透水材料。
本发明工作原理：干旱化模拟装置中遮雨装置在发生天然降雨时屏蔽天然降雨，达到模拟干旱化的目的，导水装置将遮雨装置屏蔽的天然降雨导入蓄水装置中，湿润化模拟装置中的供水装置从湿润化模拟装置中的蓄水装置中抽取蓄积的天然降水作为湿润化模拟的水源，供水装置将水由输水装置经过降雨量监测装置进入降雨发生装置，在沙地疏林草地上形成模拟降雨，达到模拟湿润化的目的，干旱化模拟装置和湿润化模拟装置中的防侧渗装置都围绕沙地疏林草地一周垂直埋入地下一定深度，以防止土壤水分的横向传输。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)干旱化模拟和湿润化模拟样地面积均能达到8m×8m以上，可以代表天然沙地疏林草地生态系统的生态特征；
2)湿润化模拟时采用干旱化模拟样地收集的天然降雨作为模拟降雨的水源，消除了地下水作为水源与天然降雨的水质差异，使模拟降雨能代表天然降雨过程；
3)将湿润化模拟与干旱化模拟有机的结合了起来，完全的模拟了沙地疏林草地生态系统的水分环境变化(包括干旱化及湿润化)；
4)湿润化模拟时可以通过选择水泵的规格控制模拟降雨的雨强，而流量计则能精确测定模拟降雨区域的水量，从而方便地做到模拟降雨时对雨强和降雨量的控制。
5)本发明结构简单，成本低，且安装、使用方便。
附图说明
图1为沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施的整体结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟方法及设施作详细说明：
沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟方法：以野外自然环境原位样地为研究对象，在天然降雨过程中，采用屏蔽模拟干旱化样地的自然降雨进行干旱化模拟，同时收集被屏蔽的天然降雨加以蓄积，将蓄积的天然降雨作为模拟湿润化样地的水源，在湿润化样地模拟天然降雨过程进行湿润化模拟，使干旱化与湿润化的模拟过程有机地结合在一起；对模拟干旱化样地及模拟湿润化样地可进行土壤水份防侧渗处理；模拟天然降雨时雨强的控制可通过选择水泵的规格进行。
如图1所示，本发明沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施包括干旱化模拟装置与湿润化模拟装置，干旱化模拟装置通过蓄水装置与湿润化模拟装置相连；其中所述干旱化模拟装置由遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置组成，遮雨装置与导水装置管路相连，导水装置输出至蓄水装置；防侧渗装置位于遮雨装置下部内侧安装；所述湿润化模拟装置由供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置组成，其供水装置输入接收蓄水装置水源，输出端接经输水装置和降雨量监测装置至降雨发生装置，防侧渗装置位于降雨发生装置下部内侧安装。具体为：
干旱化模拟装置包括遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置，其中遮雨装置在发生天然降雨时屏蔽天然降雨，达到模拟干旱化的目的，包括第一支架1和遮雨棚2；为由具有弧状顶部的第一支架1支撑遮雨棚2结构，安装在研究样地四周，第一支架1一般采用钢管搭建，规格根据样地面积及样地中树木高度确定；遮雨棚2安放在第一支架1上方以屏蔽天然降雨达到模拟干旱化的目的，一般采用透光性好的聚乙烯材料；所述导水装置由两根横截面上开口结构的导水主管3和两根导水支管4构成，导水主管3平行安放在遮雨棚2两侧，用于收集遮雨棚2屏蔽的天然降雨，两根导水支管4一端分别与两根导水主管3相连，另一端都连入蓄水装置5中，将干旱化模拟过程中屏蔽的天然降雨导入蓄水装置5保存；所述蓄水装置5采用蓄水罐，安放于湿润化模拟样地附近，上端开口与导水支管4相连，用于蓄积屏蔽的天然降雨，下端开口与湿润化模拟装置中的供水装置相连，作为湿润化模拟的水源，蓄水装置5的规格根据研究样地面积及研究区年降雨量确定；所述防侧渗装置6为防渗屏障结构，位于遮雨装置中第一支架1下部内侧安装，围绕研究样地四周垂直埋入地下一定深度，用于防止土壤水的横向传输，一般采用油毡布或聚乙烯塑料布等不透水材料。
湿润化模拟装置包括供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置，其中所述供水装置包括滤网7、逆止阀8和水泵9；滤网7安放在作为水源的蓄水装置5与水泵9的管路接口处，起防止异物堵塞输水管道的喷头的作用，逆止阀8安装滤网7的靠近水泵9的一侧，用于防止水流倒流，水泵9放置在蓄水装置5旁边，输出端与输水装置中输水干管10相连，水泵9作为模拟降雨的动力装置，可以通过选择水泵的规格控制模拟降雨的雨强；输水装置包括输水干管10、输水主管11和输水支管12；所述输水干管10一端与水泵9相连，另一端与输水主管11相连，输水主管11的另一端封闭，安放在降雨发生装置的第二支架13上，位于研究样地一侧悬空放置，一组一端封闭的输水支管12的一端与输水主管11相连，输水支管12间水平等距设置，另一端安装在第二支架13上，纵向均匀的平行于研究样地地面；降雨发生装置包括第二支架13和喷头14，用以形成降雨区域；第二支架13为平顶结构，安装在研究样地四周，起支撑输水装置中输水主管11和输水支管12的作用，一般采用钢管搭建，规格根据样地面积及样地中树木高度确定，一组喷头14等距的安装在每根输水支管12上，在研究样地上空形成均匀分布，用于形成模拟降雨；降雨量监测装置15采用流量计，安放在输水干管10与输水主管11的接口处，由于输水主管11紧邻由降雨发生装置形成的降雨区域一侧安放，所以该流量计能精确测定进入降雨区域的水量；所述防侧渗装置6为防渗屏障结构，位于降雨发生装置中第二支架13下部内侧安装，围绕研究样地四周垂直埋入地下一定深度，用于防止土壤水的横向传输，一般采用油毡布或聚乙烯塑料布等不透水材料。
本发明运行过程是：自然降雨时，安放在第一支架1上的遮雨棚2屏蔽天然降雨，在该研究样地达到干旱化模拟的效果，导水主管3收集遮雨棚2屏蔽的天然降雨，通过导水支管4将其保存于蓄水装置5中。自然降雨一段停止时间后，在另一块研究样地进行湿润化模拟：蓄水装置5中保存的自然降雨由水泵9抽取加压后经过滤网7和逆止阀8进入输水干管10，再经由流量计15后流入输水主管11，输水主管11一端封闭，中间每间隔一段距离连接一根输水支管12，每根输水支管12都是一端封闭，中间每间隔一段距离连接一个喷头14，加压后的水流由输水主管11流出后分流至各个输水支管12，然后经由在研究样地上空均匀分布的喷头14均匀喷洒在研究样地内达到湿润化模拟的效果。最终在两块研究样地达到了模拟沙地疏林草地生态系统水分环境(干旱化及湿润化)变化的目的。
本模拟方法与措施实施例：在两块8m×8m的沙地疏林草地样地中模拟降雨水分环境的变化，2个钢质支架(第一、二支架)的规格都是8m×8m×2m，蓄水罐直径为4m，高度为2m，干旱化模拟样地在5-7月份进行天然降雨的屏蔽，根据研究区气象站的降雨资料，该时段内屏蔽降雨量共计170.433mm，达到了模拟干旱化的效果；湿润化模拟样地选用的喷头喷洒半径为1.5m，因此设置输水支管12的间隔距离为1m，以便消除喷洒盲区，每根输水支管12上连接7个喷头14，降雨区域内一共有49个喷头作业，一次模拟降雨前流量计读数5.94265m3，降雨后流量计读数12.88113m3，共降雨6.93848m3，根据降雨面积换算成该次模拟的降雨量为10.8414mm，可以代表该研究区的一次典型自然降雨。
Claims (12)
1.一种沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟方法，其特征在于：以沙地疏林草地野外自然环境原位样地为研究对象，在天然降雨过程中，采用屏蔽模拟干旱化样地的自然降雨进行干旱化模拟，同时收集被屏蔽的天然降雨加以蓄积，将蓄积的天然降雨作为模拟湿润化样地的水源，在湿润化样地模拟天然降雨过程进行湿润化模拟，使干旱化与湿润化的模拟过程有机地结合在一起。
2.按照权利要求1所述模拟方法，其特征在于：对模拟干旱化样地及模拟湿润化样地需进行土壤水分防侧渗处理。
3.按照权利要求1所述模拟方法，其特征在于：模拟天然降雨时雨强的控制通过选择水泵的规格进行。
4.一种沙地疏林草地生态系统水分环境变化的模拟设施，其特征在于：由干旱化模拟装置和湿润化模拟装置组成，干旱化模拟装置通过蓄水装置与湿润化模拟装置相连；其中所述干旱化模拟装置由遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置组成，遮雨装置与导水装置管路相连，导水装置输出至蓄水装置；防侧渗装置位于遮雨装置下部内侧安装；所述湿润化模拟装置由供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置组成，其供水装置输入接收蓄水装置水源，输出端接经输水装置和降雨量监测装置至降雨发生装置，防侧渗装置位于降雨发生装置下部内侧安装。
5.按照权利要求4所述模拟设施，其特征在于：所述干旱化模拟装置由遮雨装置、导水装置、蓄水装置和防侧渗装置组成，其遮雨装置为由具有弧状顶部的第一支架(1)支撑遮雨棚(2)的结构；所述导水装置为横截面上开口结构的导水主管(3)和导水支管(4)构成，导水主管(3)平行安放在遮雨棚(2)上，导水支管(4)连接导水主管(3)与蓄水装置(5)；所述蓄水装置(5)上端开口与导水支管(4)相连，下端开口与湿润化模拟装置中的供水装置相连；防侧渗装置位于遮雨装置中第一支架(1)下部内侧安装。
6.按照权利要求4所述模拟设施，其特征在于：所述湿润化模拟装置由供水装置、输水装置、降雨发生装置、降雨量监测装置和防侧渗装置组成，其中所述供水装置由滤网(7)、逆止阀(8)和水泵(9)组成，滤网(7)、逆止阀(8)依次安放在蓄水装置(5)与水泵(9)的管路接口处，水泵(9)输出端与输水装置相连；输水装置由输水干管(10)、输水主管(11)和一组输水支管(12)组成；所述输水干管(10)一端与水泵(9)相连，另一端与输水主管(11)相连，输水主管(11)的另一端封闭，安放在降雨发生装置的第二支架(13)上，一组一端封闭的输水支管(12)的一端与输水主管(11)相连，另一端安装在第二支架(13)上；降雨发生装置包括第二支架(13)和一组喷头(14)，第二支架(13)为平顶结构，安装在研究样地四周，一组喷头(14)安装在每根输水支管(12)上；降雨量监测装置(15)安放在输水干管(10)与输水主管(11)的接口处；防侧渗装置位于降雨发生装置中第二支架(13)下部内侧安装。
7.按照权利要求5所述模拟设施，其特征在于：所述遮雨棚(2)采用透光性好的聚乙烯材料。
8.按照权利要求6所述模拟设施，其特征在于：所述输水支管(12)间水平等距设置，纵向均匀的平行于研究样地地面。
9.按照权利要求6所述模拟设施，其特征在于：所述一组喷头(14)等距的安装在每根输水支管(12)上。
10.按照权利要求6所述模拟设施，其特征在于：所述输水支管(12)的间隔距离小于喷头(14)喷洒半径。
11.按照权利要求6所述模拟设施，其特征在于：所述降雨量监测装置(15)采用流量计。
12.按照权利要求5或6所述模拟设施，其特征在于：所述防侧渗装置(6)采用不透水材料。
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