CN104459045A

CN104459045A - 降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统

Info

Publication number: CN104459045A
Application number: CN201410719410.1A
Authority: CN
Inventors: 刘新平; 赵学勇; 何玉惠; 张铜会; 李玉霖; 云建英; 罗永清; 魏水莲
Original assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: CN104459045B

Abstract

本发明公开了一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统。该系统由地下观测室、观测池、入渗水收集系统、观测根窗构成。地下观测室由观测室内和观测室外构成，观测室外由分布在地上观测室周围的观测池组成。观测池上部分为正方体，下部分为锥形体，锥形体底部埋设有入渗水收集管；渗水收集管连接渗水收集漏斗，导水管出口延伸至观测室内，水管上安装阀门，管口处置有渗漏水收集容器。本发明适用于研究不同植被类型和土壤类型的降水再分配过程、土壤水分运动和再分布过程、深层补给特征、水量平衡、植物水关系、根系生长动态等方面的试验研究，可为干旱、半干旱地区大气-土壤-植被系统的质能转换和水资源利用以及植物响应土壤环境的适应过程和机制提供科学依据。

Description

降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统

技术领域

本发明属于一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统，可用于研究不同植被类型和土壤类型的降水再分配过程、土壤水分运动和再分布过程、深层补给特征、水量平衡、植物水关系、根系生长动态等多方面的实验研究。

背景技术

[0002] 在我国干旱和半干旱地区，大气降水和土壤水是无灌溉条件下天然植被得以生存的主要水源之一，也是该区域决定生态系统结构与功能稳定的关键因子。由于降水稀少，蒸发强烈，干旱缺水导致的植被和土地退化以及荒漠化问题一直困扰和制约着该区域的经济发展。为了开展半干旱沙地不同生境降雨再分配过程及植物根系生长动态方面的研究。我们根据研究需要设计了降水入渗过程及植物根系生长动态综合观测系统，应用该系统并结合相关观测仪器可用于测定不同植被和土壤类型条件下的降水截留量、穿透雨、蒸发量、入渗量、深层补给量、水分利用效率等指标，可精确测定不同土壤层水分入渗补给量。该发明可以为开展干旱、半干旱地区大气-土壤-植被系统水循环过程及植被水关系研究提供了技术支撑，同时应用该系统可有效减少了同类研究中利用水量平衡法间接计算深层补给量而带来的误差，实现了多处理、多参数的同步观测。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统。利用该系统，可以根据需要配置多种实验处理，从而实现多种条件下降水入渗过程、土壤水深层补给、植物根系生长动态等多方面的控制试验。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统，是由地下观测室、观测池、入渗水收集系统、观测根窗组成。观测室一面设有观测根窗，观测根窗由观测窗和外窗构成，观测窗由防弹玻璃做成，外窗是由不透光PVC材质做成的可推拉式窗户；地下观测室包括观测室内和观测室外，观测室外由分布在地上观测室周围的观测池组成。观测池上部分为正方体，下部分为锥形体，锥形体底部埋设有入渗水收集管；面向观测室内的观测池面上预留导水管出口；入渗水收集系统由入渗水收集漏斗、反渗层、固定支撑片、导水管、阀门、拉杆、撑杆构成，入渗水收集系统通过拉杆和撑杆固定在观测池内，入渗水收集漏斗居于不同深度并焊接在等角度的固定支撑片上，并与导水管连通；入渗水收集漏斗内填装不同粒径石英砾石反渗层；渗水收集管连接渗水收集漏斗，导水管出口延伸至观测室内，水管上安装阀门，管口处置有渗漏水收集容器。

本发明的优点及产生的积极效果是：

1、本发明具有多重功能，可用于研究不同植被和土壤类型降水再分配过程，深层补给特征、植物根系生长动态等多方面的研究，在受水分制约的干旱和半干旱地区生态水文过程及植物水关系研究中能发挥重要的作用；同时还可用于预测和评估气候变化特别是降水变化对植被生长和演替的影响；

2、本发明可以根据试验目的和处理试验数据进行扩展和延伸，同时还可以根据需要增加观测指标，属于可延展更新的观测系统；

3、本发明既能进行自然降水条件下的多参数协同观测，亦可用于模拟降水条件下的多参数观测；

4、本发明与同类研究仪器如土壤-植物-大气连续体(SPAC)生理生态环境监测系统比较而言，该发明可设置多样本多处理实验，使样地更具代表性，能显著节约科研经费，同时还能通过增减观测池数量实现不同处理的同步观测和比较；

5、本发明所用材料坚固耐用，不受环境条件的制约，可进行长期观测。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为观测池内入渗水收集系统结构示意图。

图3为观测根窗及入渗水收集装置图。

图4为2010-2012年生长季降雨及流动沙地土壤水分变化。

图5为2010-2012年生长季降雨及潜在补给量变化。

图6为2010-2012年累积降雨量和潜在补给量变化。

图7为2010-2012年生长季降雨量和潜在补给系数；不同小写和大写字母代表在P< 0.05水平差异显著。

图8为2010-2013年生长季降雨量及小叶锦鸡儿灌丛下土壤水分变化。

图9为2010-2013年生长季降雨及小叶锦鸡儿灌丛深层补给量。

图10为2010-2013年生长季降雨量和潜在补给系数；不同大写和小写字母代表降雨量和潜在补给系数在 P <0.05水平差异显著。

图11为2010-2012年生长季不同生境深层补给量。

图12为地上、地下生物量变化及其比值。

图13为地下生物量的垂直分布。

图14为差不嘎蒿高度及植被密度与活根及总根生物量的关系。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明：

如图1-3所示，一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统，是由地下观测室1、观测池2、入渗水收集系统3、观测根窗4组成，地下观测室1一面设有观测根窗4，观测根窗4由观测窗19和外窗20构成。观测窗19由20 mm的2块防弹玻璃做成，外窗20是由不透光PVC材质做成的可推拉式窗户，观测时拉开外窗用根系扫描系统观测，完成后密闭外窗以不影响根系生长。地下观测室1由观测室内5和观测室外6构成。观测室外6由23个分布在地上观测室周围的观测池2组成。观测池2上部分为200×200×200cm³的正方体7，下部分为深度为30 cm的锥形体8，锥形体8底部埋设有入渗水收集管9；，面向观测室内5的观测池2面上预留导水管出口10；入渗水收集系统3由入渗水收集漏斗11、反渗层12、固定支撑片13、导水管14、阀门15、拉杆16、撑杆17构成，入渗水收集系统3通过拉杆16和撑杆17固定在观测池2内，入渗水收集漏斗11分别居于观测池2内20cm、40cm、60cm、100cm深度，入渗水收集漏斗11焊接在等角度的固定支撑片13上，与导水管14连通；入渗水收集漏斗11内填装不同粒径石英砾石反渗层12；渗水收集管9连接渗水收集漏斗11，导水管出口10延伸至观测室内5，并在导水管14上安装阀门15，管口处置有渗漏水收集容器18。

试验例

为了研究不同植被和土壤类型降水再分配过程，中国科学院奈曼沙漠化研究站以位于半干旱地区的科尔沁沙地为研究区域，于2008年开始着手修建降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统。根据试验需求，地下观测室1地面周围共修建了23个观测池2，工程于2009年5月完工，为防止观测池漏水，对每个观测池内部做防水处理及密封。基于本发明研究计划的设置，先期开展了不同生境降雨再分配过程的研究，在本研究中主要涉及不同植被类型，共设置了5种处理，即流动沙地自然恢复、流动沙地土壤、草本植物、灌木、灌木+草本植物。本研究主要探讨了不同生境降雨再分配过程、土壤水分及深层补给特征、不同生境深层补给量比较、典型植物根系生物量及垂直分布格局等方面的研究。

1. 流动沙地土壤水分对降雨特征的响应

在2009年夏季，本发明将其中3个观测池2分层填装流动沙地土壤，并于2010年开始观测土壤水分对降雨格局的响应。结果显示随着降雨量的增加，土壤水分含量逐渐增加，特别是在较大的降雨之后表层0-20 cm土壤水分显著增加。对于流动沙地0-20 cm土层，在34.4, 35.1, 47.1, 56.3和47.4 mm的降雨之后，土壤水分分别增加了126.9, 81.7, 122.4, 90.7和45.1 %。而20-160 cm深度土壤水分的变化趋势与0-20 cm基本一致，但是变化强度随着深度增加而减弱。当降雨量大于20 mm或者几个持续的降雨其总降雨量大于20 mm时，0-100 cm深度土壤水分增加显著。而只有当降雨量大于40 mm或者几个连续降雨事件总降雨量大于40 mm时，140-160 cm土壤水分才能出现增加的趋势（见图4）。表1显示，0-100 cm土壤水分与降雨量显著相关(R =0.239~0.438, P < 0.05)，0-40 cm土壤水分与降雨强度显著相关 (R = 0.284，0.244, P < 0.05)，此外，降雨间隔时间与0-20 cm土壤水分显著负相关 (R = -0.293, P<0.05)。

表1为流动沙地土壤水分与降雨特征的相关分析

* 显示在P< 0.05水平显著相关；**显示在 P< 0.01水平显著相关。

2.流动沙地潜在补给特征

流动沙地潜在补给量通过入渗水收集系统3的导水管14在观测室内5收集渗漏水并称量。结果显示在2010-2012年生长季，当降雨量小于20 mm时，流动沙地潜在补给量相对比较稳定。而当降雨量大于30 mm时，潜在补给量显著增加。潜在补给量与降雨量(R = 0.907, P < 0.001)和降雨强度 (R = 0.659, P < 0.001)显著相关，但是与降雨间隔时间相关不显著(P > 0.05)（见图5）。此外，累积潜在补给量随着累积降雨量的增加而增加，特别是较大降水事件之后，潜在补给量显著增加（见图6）。2010-2012年生长季潜在补给系数分别为67.48 %, 61.86 %和 65.04 %。在连续3年的观测期间，降雨量差异显著，然而2010和2012年以及2011和2012年的潜在补给量差异不显著 (P > 0.05) (见图7)。这表明虽然小的降水事件对土壤水分的增加不能达到统计意义上的要求，但是连续的小降水事件对深层土壤水分补给也有一定的贡献。

3.小叶锦鸡儿生长特征及土壤水分动态

本发明于2009年移栽冠幅基本一致的小叶锦鸡儿在其中3个观测池2中，每个观测池中1株。2010年生长季开始观测，从2010-2013年，每个观测池中的小叶锦鸡儿的平均盖度、高度和冠幅尺寸逐年递增，而且各年之间各指标差异显著（见表2）。

表2为2010-2013年生长季小叶锦鸡儿生长特征

在同一列中具有相同小写字母的表示在P<0.05水平差异不显著。

小叶锦鸡儿灌丛下土壤水分在2010-2013年生长季变化相对平缓，并且与降雨量密切相关。40-60 cm深度土壤水分在所有观测层中处于最低水平，随着深度增加，土壤水分显著增加(P< 0.05)。尽管每年的降雨量不同，但是0-20 cm深度土壤水分在各年之间差异不显著(P> 0.05)，而20 cm以下土壤层则存在明显的差异 (P< 0.05)。最大的土壤水分变异系数出现在20-40 cm深度，并且随着深度增加，土壤水分变异越小。在整个生长季，140-180 cm深度土壤水分相对比较稳定，其变异系数变化在0.99 到 4.31 % (见表3)。

表3为2010-2013年生长季小叶锦鸡儿灌丛下土壤水分统计特征

表中数值为平均值±标准差. 在同一行中具有相同小写字母的表示在P<0.05水平差异不显著；同一列具有相同大写字母的表示在P<0.05水平差异不显著。

随着降雨量的增加，土壤水分增加，特别是在大的降雨之后0-40 cm土壤层水分增加显著。只有当降雨量大于20 mm时，0-120 cm深度土壤水分才能出现增加的趋势，140-160 cm深度土壤水分只有在降雨量大于40 mm时才能明显增加（见图8）。相关分析显示，小叶锦鸡儿灌丛下0-100 cm深度土壤水分与降雨量显著相关(P< 0.05)，0-60 cm深度土壤水分与降雨强度显著相关 (P< 0.05)，0-20 cm深度土壤水分与降雨持续时间显著相关(P< 0.05)；同时，0-40 cm深度土壤水分与降雨间隔时间显著负相关(P<0.05)（见表4）。

表4为小叶锦鸡儿灌丛下土壤水分与降雨特征相关分析

*在P< 0.05水平显著；**在P< 0.01水平显著。

4.深层补给特征

在2010-2013年的研究期间，对于小于20 mm的降水事件，小叶锦鸡儿灌丛根区底部深层补给量相对比较稳定, 然而对于大的降水事件尤其是当降雨量大于30 mm时，深层补给量显著增加(见图9)。而且，深层补给量与降雨量(R = 0.217, P < 0.05)和降雨持续时间(R = 0.238, P < 0.05)显著相关，但与降雨强度和降雨间隔时间不相关 (P > 0.05)。深层补给系数随着小叶锦鸡儿的年龄的增长逐渐降低，2010-2013年分别为62.79 %, 49.41 %, 27.96 %和 7.36 %。降雨量2010-2013年之间有显著差异 (P<0.05), 但是深层补给量仅在2010和2011年之间差异不显著(P>0.05)，其它各年间存在显著差异(P<0.05)(见图10)。2010-2013年生长季大于20 mm的总降雨量分别为69.4, 116.7, 129.0和 45.9 mm，占同期降雨量的44.7% , 50.4% , 53.8%和22.3 % 。但是大降雨事件的增加并不能带来深层补给量的增加。这表明在一定程度上，连续的小降雨事件存在一个累积效应，从而增加了深层补给量。此外，深层补给系数与小叶锦鸡儿年平均盖度 (R=-0.993, P<0.01)和年平均冠幅(R=-0.981, P<0.05)显著负相关，但与年平均高度不相关(R=-0.881, P>0.05)。以上研究说明，虽然小叶锦鸡儿在固沙方面具有一定的优势，但是随着小叶锦鸡儿的生长年限的增加，其耗水量明显增大，从而影响土壤水补给乃至地下水的补给。

5.不同生境深层补给量比较

2010-2012年利用本发明研究了不同生境深层补给量与蒸散耗水的数量关系。表5显示，2010-2012年5-9月生长季降雨呈现逐年增加的趋势，年际间相同降雨量级间差异显著，总降雨量差异显著。说明不同生境对降雨的消耗与降雨量变化不一致，流动沙地深层补给量占总降雨量的均值为61.3-67.9%之间，且各年之间随着次降雨特征的变化表现出一定的差异；自然恢复生境随着植被的变化其深层补给量与降雨量的比值也随之变化，且与降雨量的变化趋势不一致，单纯灌木生境随着植被的生长及其对土壤水分的需求增加，其补给比呈现出逐年递减的趋势，且与降雨量的增加趋势相反；灌草结构生境其趋势与单纯灌木生境一致，但是该生境对土壤水分的消耗更多，单纯草本植物生境对水分的消耗仅次于灌草结构生境。总体耗水多少表现为：灌草结构生境＞草本生境＞灌木生境＞自然恢复生境＞流沙生境。这表明草本植物浅层根系的生长对于降雨入渗起到一定的阻滞作用，一方面造成土壤水分的消耗利用，同时也使降雨入渗深度变浅造成无效的蒸发（见图11）。从这个意义上来说，单纯利用草本植物固沙会消耗更多的降水及土壤水分，从而使得土壤水环境恶化；因此，配置合理的灌木和草本植物相结合的固沙模式将是更好的选择。

表5为2010-2012年降雨特征

表中数值为平均值±标准差；在同一列中具有相同小写字母的表示在P<0.05水平差异不显著。

6.草本植物生境地上、地下生物量分配格局对降雨增减变化的响应

2011-2013年利用本发明观测根窗4结合收割法和根钻取样法研究了草本植物生境地上生物量、根系分布深度及生物量对降雨变化的响应。结果显示：随着降雨量的增加，植被的地上、地下生物量均有增加的趋势（见图12）。降雨量增加30%和减少60%对地上生物量有显著影响（P < 0.05），增雨30 %时，地上生物量达到最大，为167.94 g/m²，比对照增加72.12 %；而减雨60 %时，地上生物量最小，为68.37 g/ m²。对不同降水处理间的地下生物量的研究表明：减雨30 %时，地下生物量仅为12.65 g/m²，这比对照的地下生物量减少6 %，而减雨60 %时，地下生物量反而增加，降雨量增加时地下生物量也明显增加；此外，对照下地下生物量占地上生物量的比例为13.86 %，降雨量的增加和减少都使该比例增加。在自然降水条件下，观测池内草本植被的地下生物量主要分布在0–20 cm土层，20–40 cm土层次之，分别占总地下生物量的52.79 %、42.65 %。60 cm以下深度基本没有植物根系分布。当降雨减少60 %时，可明显增加地下生物量在40–60 cm土层的分布；同时，降雨量的增加也促进了不同深度地下生物量的增加（见图13）。

以上研究表明随着降雨量的增加，地上生物量逐渐增大，在增雨30%时达到最大值；适度增雨（+30%）能明显提升植物生产力，但是过度增雨反而会影响地上生物量的增加；而地下生物量会随着降雨量增加而显著增大，同时，在干旱条件下植物根系也会加速生长。此外，降雨量的增加和减少都会使地下与地上生物量的比值增加。固定沙地地下生物量主要分布在0–20 cm之间，占总地下生物量的52.7%；干旱和多雨都能促进植物根系的深生长，而增加降水更有利于沙地植物根系的深生长。

7．差不嘎蒿根系生物量与植物群落生长的关系

于2011-2012年利用本发明研究了差不嘎蒿根系生物量与群落生长的关系。结果显示：差不嘎蒿高度与自身密度呈显著的负相关关系(R= -0.82，p＜0.01)，但与地表植被密度(R= 0.73，p＜0.01)及丰富度(R= 0.41，p＜0.05)呈显著的正相关关系；差不嘎蒿密度与总植被密度和丰富度呈显著的负相关关系(p＜0.01)。这一特性表明，沙地恢复过程中，随植被丰富度及密度增加，差不嘎蒿密度减小但株型扩大。差不嘎蒿根系生物量与地表植被特征有一定的相关性，其活根生物量(p＜0.05)及总根生物量(p＜0.01)均与自身高度呈显著的负相关关系(见图14A,C)，同时活根生物量与总植被密度显著负相关(p＜0.05)(见图14B)。这可能是地表植被密度较高的情况下，尤其是高密度的一年生草本植物生长对土壤浅层水分的吸收与消耗导致差不嘎蒿根系生物量减少。这种负相关性在总根生物量与植被密度的关系更显著(p＜0.01)(见图14D)。结合生境植被特征表明，当生境发生变化，植被丰富度及总盖度增加的过程中，差不嘎蒿株型向大型化发展，但其根系的生长减缓。这可能是差不嘎蒿在沙地恢复过程中退化的原因。

Claims

1.一种降水入渗过程及根系生长动态综合观测系统，是由地下观测室（1）、观测池（2）、入渗水收集系统（3）、观测根窗（4）组成，其特征是地下观测室（1）一面设有观测根窗（4），观测根窗（4）由观测窗（19）和外窗（20）构成，观测窗（19）由防弹玻璃做成，外窗（20）是由不透光PVC材质做成的可推拉式窗户；地下观测室（1）包括观测室内（5）和观测室外（6），观测室外（6）由分布在地上观测室周围的观测池（2）组成，观测池（2）上部分为正方体（7），下部分为锥形体（8），锥形体（8）底部埋设有入渗水收集管（9）；面向观测室内（5）的观测池（2）面上预留导水管出口（10）；入渗水收集系统（3）由入渗水收集漏斗（11）、反渗层（12）、固定支撑片（13）、导水管（14）、阀门（15）、拉杆（16）、撑杆（17）构成，入渗水收集系统（3）通过拉杆（16）和撑杆（17）固定在观测池（2）内，入渗水收集漏斗（11）居于不同深度并焊接在等角度的固定支撑片（13）上并与导水管（14）连通；入渗水收集漏斗（11）内填装不同粒径石英砾石反渗层（12）；导水管（14）通过预留的导水管出口（10）延伸至观测室内（5），导水管（14）上安装阀门（15），管口处置有渗漏水收集容器（18）。