CN109937638A - 一种野外条件下调控土壤温度升高的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种野外条件下调控土壤温度升高的系统，包括一个或多个调控土壤温度升高的单元，每个单元包括框架装置、加热装置、温度传感装置和自动控制装置。框架装置包括矩形结构的框架上端和四个支脚；加热装置包括多个加热管罩和红外辐射加热管，加热管罩通过加热管罩悬挂线固定在框架上端；温度传感装置包括两个土壤温度传感器；自动控制装置包括自动控制机构和电源开关。本发明采用红外辐射加热管，可在不扰动土壤的情况下对土壤加热，实现温度升高量的有效调控和无人值守情况下土壤温度升高的野外实时调控，且材料易得，程序设计简单，便于操作。此外，在多个调控土壤温度升高的单元共同使用的情况下，可实现不同梯度的土壤增温幅度。
Description
技术领域
本发明属于环境科学技术工程领域，涉及调控土壤温度升高的系统，具体涉及一种野外条件下调控土壤温度升高的系统。
背景技术
由于温室气体排放导致的全球变暖引起了人们的广泛关注，过去100年间全球地表平均气温升高了约0.6 ℃，气温升高会导致土壤温度升高，土壤温度升高对生态系统具有长期影响。为研究土壤温度升高对生态系统的影响，人们设计了调控土壤温度升高的系统来模拟土壤温度升高对生态系统的影响。然而，以往的调控土壤温度升高的系统存在温度升高量控制不准确的问题。因此，有必要研发并投入使用新型的土壤温度升高调控系统来解决这一问题。
以往关于调控土壤温度升高的专门系统或成套设备还相对较少，且已有的系统效果不理想，不能实现温度升高量的有效调控，本系统的研制及使用可较好地解决土壤温度升高量的自动调控问题。在环境科学、生态学、气象学、农学、林学等科研领域，有相当数量的科研工作者需要利用能自动调控土壤温度升高的系统来研究土壤温度升高对地表生态系统过程的影响。本系统的投入使用可满足相关科研领域的装备需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种野外条件下调控土壤温度升高的系统，实现在无人值守情况下不同土壤温度升高水平的野外实时调控。
本发明上述目的通过如下技术方案实现：
一种野外条件下调控土壤温度升高的系统，包括一个或多个调控土壤温度升高的单元，每个单元包括框架装置、加热装置、温度传感装置和自动控制装置；
所述框架装置设于待调控土壤温度的地表上，包括矩形结构的框架上端和四个支脚；
所述加热装置包括多个加热管罩和位于加热管罩下方的红外辐射加热管，加热管罩通过加热管罩悬挂线固定在框架上端；
所述温度传感装置包括两个土壤温度传感器，分别位于红外辐射加热管下方的土壤中及离红外辐射加热管3m外的土壤中；
所述自动控制装置包括接收土壤温度传感器温度数据的自动控制机构和电源开关，其中自动控制机构的输入端与土壤温度传感器相连，输出端通过开关控制器与电源开关相连，电源开关输出端通过电线与红外辐射加热管相连。
进一步地，所述红外辐射加热管离土壤表面0.5 m。
进一步地，所述红外辐射加热管包括加热丝、透明石英玻璃管、镀金反射层、耐高温瓷头和耐高温引出线，其中镀金反射层涂于透明石英玻璃管的上半表面。
进一步地，土壤温度传感器位于5 cm深土壤中。
进一步地，每个单元间隔5 m，在各个单元四周设置1.5 m深的PVC隔离板，可以避免不同单元的土壤温度互相干扰。
进一步地，所述框架上端的尺寸为1 m×1 m，支脚总长1.2 m，插入土壤中0.2 m。
进一步地，所述框架装置为不锈钢材质。
一种采用上述系统调控土壤温度升高的方法，位于红外辐射加热管下方的5 cm深土壤中及离红外辐射加热管3 m外的5 cm深土壤中的土壤温度传感器将测定的温度传输给自动控制机构，当两个土壤温度传感器的温度差值超出所设定达到的温度差值的5%的时候，自动控制装置便启动控制指令，将电源开关关闭，红外辐射加热管停止加热；当两个土壤温度传感器的温度差值低于所设定达到的温度差值的5%的时候，自动控制装置便启动控制指令，将电源开关开启，红外辐射加热管对土壤加热，使土壤温度升高。
有益效果：
本发明采用红外辐射加热管，可在不扰动土壤的情况下对土壤加热，实现温度升高量的有效调控和无人值守情况下土壤温度升高的野外实时调控，且材料易得，程序设计简单，便于操作。此外，在多个调控土壤温度升高的单元共同使用的情况下，可实现不同梯度的土壤增温幅度。
附图说明
图1为调控土壤温度升高的单元示意图；
其中：1为框架装置，2为加热管罩悬挂线，3为加热管罩，4为红外辐射加热管，5为电源开关，6为自动控制机构，7为土壤温度传感器，8为土壤温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体介绍本发明实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。
实施例1：土壤温度升高对农田土壤呼吸的影响
意义：大气中的CO2浓度与陆地生态系统碳循环过程有关，土壤呼吸是碳循环中的重要过程。全球变暖会导致土壤温度升高，这可能会影响土壤呼吸，研究土壤温度升高对土壤呼吸的影响具有重要意义。
系统布设：
于农田作物种植前在田间设置8个面积为1 m × 1 m的试验单元，各单元间隔5 m，并在各个单元四周设置1.5 m深的PVC隔离板，尽量避免各单元土壤温度互相干扰。各单元随机排列，其中包含4个土壤温度升高试验单元和4个对照单元。
每个单元包括框架装置、加热装置、温度传感装置和自动控制装置。
框架装置1为不锈钢材质，设于待调控土壤温度的地表上，包括矩形结构的框架上端和四个支脚。框架上端的尺寸为1m×1m，支脚总长1.2 m，插入土壤中0.2 m。
加热装置包括多个加热管罩3和位于加热管罩3下方的红外辐射加热管4，加热管罩3通过加热管罩悬挂线2固定在框架上端。红外辐射加热管4包括加热丝、透明石英玻璃管、镀金反射层、耐高温瓷头和耐高温引出线，其中镀金反射层涂于透明石英玻璃管的上半表面，安装时，涂镀金反射层的一半在上方。红外辐射加热管4长1 m，直径0.5 cm，功率为500W，离土壤表面0.5 m。
温度传感装置包括两个土壤温度传感器7和8，分别位于红外辐射加热管下方的5cm深土壤中及离红外辐射加热管3 m外的5 cm深土壤中。
自动控制装置包括接收土壤温度传感器温度数据的自动控制机构6和电源开关5，其中自动控制机构6的输入端与土壤温度传感器相连，输出端通过开关控制器与电源开关5相连，电源开关5输出端通过电线与红外辐射加热管4相连。
对照单元仅设置与试验单元相同的红外辐射加热管等装置，但电源开关始终为关闭状态。试验单元电源开关受自动控制装置控制，5 cm深土壤温度升高量设定为2 ℃。
野外观测：在土壤中设置观测土壤呼吸的PVC底座，每周观测1次土壤温度升高2℃试验单元和对照单元中的土壤呼吸，并同步观测土壤水热因子。
结果与分析：
土壤温度是影响土壤呼吸的重要因素，土壤呼吸为一个生物学过程，土壤温度升高会促进根系生长并提高生物活性，从而使土壤呼吸增加。土壤呼吸一般随土壤温度的增加而呈指数形式增加。
实施例2：不同土壤温度升高水平对森林土壤微生物群落结构的影响
意义：森林土壤微生物群落结构是表征森林土壤肥力和森林土壤生物多样性的重要指标，森林土壤微生物群落结构与土壤温度有关，研究不同的土壤温度升高水平下的森林土壤微生物群落结构有助于评估未来气候变暖对森林土壤的影响规律。
系统布设：
进行随机单元设计，在森林空地上设置16个面积为1 m × 1 m的试验单元。土壤温度升高2 ℃单元（试验单元1）、土壤温度升高4 ℃单元（试验单元2）、土壤温度升高6 ℃单元（试验单元3）、土壤温度不升高单元（对照单元）各4个，各单元间隔5 m，在各单元四周设置1.5 m深的PVC隔离板，以尽量避免各单元土壤温度互相干扰。
每个单元包括框架装置、加热装置、温度传感装置和自动控制装置。
框架装置1为不锈钢材质，设于待调控土壤温度的地表上，包括矩形结构的框架上端和四个支脚。框架上端的尺寸为1 m×1 m，支脚总长1.2 m，插入土壤中0.2 m。
加热装置包括多个加热管罩3和位于加热管罩3下方的红外辐射加热管4，加热管罩3通过加热管罩悬挂线2固定在框架上端。红外辐射加热管4包括加热丝、透明石英玻璃管、镀金反射层、耐高温瓷头和耐高温引出线，其中镀金反射层涂于透明石英玻璃管的上半表面，安装时，涂镀金反射层的一半在上方。红外辐射加热管4长1 m，直径0.5 cm，功率为500 W，离土壤表面0.5 m。
温度传感装置包括两个土壤温度传感器7和8，分别位于红外辐射加热管下方的5cm深土壤中及离红外辐射加热管3 m外的5 cm深土壤中。
自动控制装置包括接收土壤温度传感器温度数据的自动控制机构6和电源开关5，其中自动控制机构6的输入端与土壤温度传感器相连，输出端通过开关控制器与电源开关5相连，电源开关5输出端通过电线与红外辐射加热管4相连。
4个对照单元仅设置与试验单元相同的红外辐射加热管等装置，但电源开关始终为关闭状态。试验单元电源开关受自动控制装置控制，4个试验单元1中5 cm深土壤温度升高量设定为2 ℃，4个试验单元2中的5 cm深土壤温度升高量设定为4 ℃，4个试验单元3中的5 cm深土壤温度升高量设定为6 ℃。
野外观测：在树木生长的主要季节（3~11月）每月采集0~5 cm土壤样品，进行土壤微生物群落结构的高通量测序，同时观测土壤温度和土壤湿度。
结果与分析：
分析不同土壤温度升高水平下土壤微生物群落结构的变化规律。土壤温度是影响土壤微生物群落结构的重要因素，在温度升高条件下，某些土壤微生物种群会增加，某些会减少，另一些会保持不变。土壤温度和土壤湿度对土壤微生物群落结构还会表现出交互效应，温度升高会导致土壤蒸发量增加，土壤湿度下降，水分的亏缺会影响土壤微生物群落结构。
本发明采用红外辐射加热管，可在不扰动土壤的情况下对土壤加热，实现温度升高量的有效调控和无人值守情况下土壤温度升高的野外实时调控，且材料易得，程序设计简单，便于操作。此外，在多个调控土壤温度升高的单元共同使用的情况下，可实现不同梯度的土壤增温幅度。
上述实施例的作用在于具体介绍本发明的实质性内容，但本领域技术人员应当知道，不应将本发明的保护范围局限于该具体实施例。
Claims (7)
1.一种野外条件下调控土壤温度升高的系统，其特征在于：包括一个或多个调控土壤温度升高的单元，每个单元包括框架装置、加热装置、温度传感装置和自动控制装置；
所述框架装置设于待调控土壤温度的地表上，包括矩形结构的框架上端和四个支脚；
所述加热装置包括多个加热管罩和位于加热管罩下方的红外辐射加热管，加热管罩通过加热管罩悬挂线固定在框架上端；
所述温度传感装置包括两个土壤温度传感器，分别位于红外辐射加热管下方的土壤中及离红外辐射加热管3m外的土壤中；
所述自动控制装置包括接收土壤温度传感器温度数据的自动控制机构和电源开关，其中自动控制机构的输入端与土壤温度传感器相连，输出端通过开关控制器与电源开关相连，电源开关输出端与红外辐射加热管相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述红外辐射加热管离土壤表面0.5 m。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述红外辐射加热管包括加热丝、透明石英玻璃管、镀金反射层、耐高温瓷头和耐高温引出线，其中镀金反射层涂于透明石英玻璃管的上半表面。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：土壤温度传感器位于5 cm深土壤中。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：每个单元间隔5米，在各个单元四周设置1.5 m深的PVC隔离板。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述框架上端的尺寸为1 m×1 m，支脚总长1.2 m，插入土壤中0.2 m。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述框架装置为不锈钢材质。
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