CN111121931B - 一种适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于农田蓄水检测技术领域的一种适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法，该方法是由凝结水收集器收集、称重测定和拟合矫正三部分组成的凝结水测定方法，包括采用杨木棒自制人造凝结面和放置凝结面的平台组成的凝结水收集器；放置凝结面的平台为观测铁架；由压力传感器和数据采集器组成的凝结水生成量测量装置，二者组成为凝结水收集及生成量测量系统，放置在欲探究植株叶片凝结水的生成量及其变化规律的植株叶片附近，采用植株叶片凝结水的实际生成量对凝结水收集器的观测成果进行校核。本发明能够测定干旱区不同植被类型、不同天气条件下凝结水的生成量。并且原理简单、系统完善、价格低廉，操作方便。
Description
技术领域
本发明属于农田蓄水检测技术领域，特别涉及一种适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法。
背景技术
在西北干旱区，凝结水是非常重要的水资源，对区域水热传输过程起到重要作用。同时，凝结水对区域生态环境和动植物生长起着重要作用。因为农田系统中有大量的植物覆盖，受植被覆盖影响，农田生态系统会形成特定的农田小气候，进而影响凝结水的发生。凝结水的生成有两个条件：(1)气压达到饱和水汽压；(2)凝结面温度低至露点温度。深入了解植被冠层凝结水发生规律及其分布等特征是研究凝结水生态作用的基础，在农作物的病虫害防治、植物叶片吸收用利凝结水等方面有广泛应用。
目前冠层凝结水量的测定多采用凝结水收集器收集，一定时间后称重测得质量差获得。测定植物冠层凝结水尚且没有统一的方法，现在多数学者采用人造凝结面法进行观测。但是各类凝结水收集器测定的凝结水量有较大差异，并且与所采用的材料性质有很大关系，精度不高。例如容器式凝结水收集器可以观测凝结水生成量，同时测定变化过程，但是仅适用于凝结水量较大的情况，并且收集器形态上的凹凸会使凝结水量的测定值有较大误差；平板式凝结水收集器形态与自然表面较为接近，但是材料表面热力和辐射特征往往与自然表面相差较大，使测定精度较低；吸水纸型凝结水收集器便于收集和称重凝结水量，热辐射特性和亲水性也与真实叶片比较接近，但是该类型的凝结水收集器中往往有凸起与凹陷，导致实际表面积大于由几何形状计算而得的表面积，从而导致最后的凝结水量测量误差大。
近地层大气温度和湿度梯度大，在近地层中不同高度处凝结水产生的水汽条件差异大，凝结面冷却效果不一致。因此，凝结水收集器放置高度的不同会对凝结水的收集量产生影响。现在使用的凝结水收集器多数只能测定同一高度凝结水量，无法获得凝结水垂向分布规律，不利于凝结水的开发利用。
可见现在所采用的凝结水收集器误差较大，并且没有有效降低误差的方法。因此，开发一套完善的凝结水观测和数据校核方法，获得较为准确的凝结水生成，为凝结水的生态利用提供有力支持，是一个亟待解决的问题。一套完整的凝结水测定方法应该包括收集系统、测量系统和校核系统，各系统均力求数据准确，减小误差。
基于此，本发明提出了一种凝结水观测方法，包括凝结水收集器收集、称重测定和拟合矫正三部分，适用于西北干旱区绿洲农业凝结水的观测，可以在现有实验方法基础上有效提高凝结水量的测定精度。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)自制凝结水收集器来收集凝结水，凝结水收集器包括人造凝结面和放置凝结面的平台两个部分，根据不同的观测对象选择合适的凝结面；其中人造凝结面为适应于探究植株叶片凝结水的观测，植株叶片凝结水凝结面采用杨木棒或对凝结水的吸附能力与植物叶片类似的其他材料制作；放置凝结面的平台为观测铁架；
(2)凝结水生成量测量装置，由压力传感器和数据采集器组成；压力传感器固定在铁盒口内壁上边缘，其触头与凝结水收集器的上凝结面接触；同时压力传感器与固定在铁管上的、与其配套的数据采集器相连；
(3)凝结水生成量校核，将步骤(1)、步骤(2)组成的凝结水收集及生成量测量系统放置在欲探究植株叶片凝结水的生成量及其变化规律的植株叶片附近，采用植株叶片凝结水的实际生成量对凝结水收集器的观测成果进行校核。
所述步骤(1)植株叶片凝结水凝结面采用杨木棒制作，杨木棒采用统一的50cm×6cm×6cm规格、表面切削平整，使用前作烘干处理并常温放置在空气中；所述放置凝结面的平台为观测铁架，观测铁架由长细铁管和套在铁管上的薄铁圈组成，铁圈上连接侧面开口的三个立方体铁盒，每两个铁盒夹角为120°；铁盒截面尺寸大于杨木棒截面尺寸，使杨木棒能较容易地从铁盒中插入或拔出，并保证杨木棒稳固地放置在铁架上；铁圈制成开口状，开口处焊接长方形铁片，用螺钉和螺母连接铁片，使用时，将铁圈套在铁管上，根据作物类型及植株生长高度确定铁圈个数、调节各铁圈的高度，然后用螺钉和螺母连接铁圈的开口处，将铁圈固定在铁管上；
所述步骤(2)凝结水生成量测量装置中，压力传感器模拟冠层叶片的热力学特性，其不受其他外界因素的影响，能够感知微小的重量差异；将凝结水收集器放置在被测地点；凝结水开始生成后，杨木棒吸收凝结水，质量增加，固定在铁盒口内壁上边缘的压力传感器，其触头与凝结水收集器的上凝结面接触，能够感知杨木棒质量的变化，进而将数据反馈到数据采集器；压力传感器将重量的变化转化为电信号，通过数据采集器将数据输出，可获得精确的凝结水实时观测结果；
所述每层杨木棒吸附凝结水的计算公式为：
h＝10m/ρS (1)
式中：h为凝结水量(mm)；m为杨木棒质量变化值(g)，多个杨木棒可取质量变化的平均值；ρ为水的密度(g/cm3)；S为杨木棒暴露在空气中的表面积(cm2)；
所述步骤(3)凝结水生成量校核中凝结水收集及生成量测量系统放置在欲探究植株叶片凝结水的生成量及其变化规律的植株叶片附近，采用植株叶片凝结水的实际生成量对凝结水收集器的观测成果进行校核，可以选用吸水纸收集凝结水，选取生长状况良好、植株高度相近、叶片数及面积相差不多的三株以上的植株，按照植株的生长高度和冠层高度进行分层；层间隔以植株的冠层间隔为准备，如最上面一层不足一层间隔的数，则计量至冠层；根据相应的分层，调整观测铁架上各层的高度，并对相应各层的植株叶片表面的凝结水，使用吸水纸擦拭，或者将吸水纸贴附在叶片表面的方法吸收叶片表面生成的凝结水；使用吸水纸收集凝结水之前，应将吸水纸装入已编号的自封袋中，使用精度高的称重仪器称重；将吸收了凝结水的吸水纸仍装入原来的自封袋中，带回实验室重新称重，吸水纸及自封袋的质量变化即为凝结水的生成量。
所述植株叶片表面的凝结水生成量的计算公式为：
h1＝10Δm1/ρS1 (2)
式中：h1为凝结水生成量(mm)；△m1吸水纸及自封袋质量变化值(g)；ρ为水的密度(g/cm3)；S1为玉米叶片表面积(cm2)。
建立同一时间两种方法测得相同高度处的凝结水生成量的相关方程为y＝ax+b，其中a为斜率,b为截距；a和b两个参数和植被类型，气候条件有关，表征了不同的观测区域的植被类型。也就是说不同的植被类型这两个参数不同，需要按照实际情况校核；该相关方程以植株叶片凝结水生成量为横坐标，凝结水收集器收集的凝结水量为纵坐标作图，分析两个变量之间的相关性，通过曲线趋势，将收集器收集到的凝结水量转化为植株叶片凝结水量。
本发明的有益效果是相较于其他测定凝结水的方法，设计科学，系统完善，价格低廉，且对下面植被不会产生破坏性；具体优特点如下：
(1)本发明提出了一套由凝结水收集器收集、称重测定和拟合矫正三部分组成的凝结水测定方法，适用于不同植被类型、不同天气条件的凝结水生成量测定。
(2)本发明使用重力传感器测定凝结水生成量，可以测得不同冠层凝结水生成量，通过数据采集器实时输出数据，更加直观地观测凝结水发生、发展和消退的全过程，获得凝结水生成变化规律及其垂向分布规律，同时减少劳动量。
(3)本发明降低了人工测定凝结水过程中可能产生的偶然误差，例如在取下和安装杨木棒过程中可能造成的凝结水损失，以及因风速、农田中其他低处植物叶面干扰等外界影响造成的误差。
(4)本发明所使用的仪器制作简单，操作使用方便，器材不易损坏，原理便于理解。
(5)本发明所采用的凝结水收集器使用杨木棒作为人造凝结面，材料形态、材料表面热力和辐射特征与自然表面较为接近，且表面较为平整，计算所得凝结面面积与实际误差较小。同时，收集器对凝结水的吸附能力与作物叶片相近，亲水性较好，吸附的凝结水不易洒落，可以有效降低误差。
(6)本发明适用范围广，所采用的人造凝结面吸附凝结水的能力强，在凝结水量较多和较少的地区均可以使用，对室内及室外凝结水均可进行测定。
(7)本发明所采用的凝结水收集器也可以根据测定对象的不同更换人造凝结面，有很好的泛用性。
(8)本发明提出了一种校核方式，采用相关方程进行拟合，利用拟合结果对收集器测定的凝结水量进行矫正，可以更加准确地测得凝结水生成量。
附图说明
图1为凝结水收集及生成量测量系统示意图。
图2为放置凝结面的平台示意图。
具体实施方式
本发明提出一种适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法，
所述西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法包括如下步骤：
(1)自制凝结水收集器来收集凝结水，凝结水收集器包括人造凝结面和放置凝结面的平台两个部分，根据不同的观测对象选择合适的凝结面；其中人造凝结面为适应于探究植株叶片凝结水的观测，植株叶片凝结水凝结面采用杨木棒或对凝结水的吸附能力与植物叶片类似的其他材料制作的收集器；放置凝结面的平台为观测铁架；
(2)凝结水生成量测量装置，由压力传感器和数据采集器组成；压力传感器固定在铁盒口内壁上边缘，其触头与凝结水收集器的上凝结面接触；同时压与配套的数据采集器相连；
(3)凝结水生成量校核，将步骤(1)、步骤(2)组成的凝结水收集及生成量测量系统放置在欲探究植株叶片凝结水的生成量及其变化规律的植株叶片附近，采用植株叶片凝结水的实际生成量对凝结水收集器的观测成果进行校核
下面结合附图和实施例予以说明。
图1为凝结水收集及生成量测量系统示意图。图中自制凝结水收集器来收集凝结水，凝结水收集器包括人造凝结面和放置凝结面的平台两个部分，根据不同的观测对象选择合适的凝结面；其中人造凝结面为适应于探究植株叶片凝结水的观测，植株叶片凝结水凝结面选用杨木棒4制作；放置凝结面的平台为观测铁架(如图1所示的凝结水收集及生成量测量系统示意图)。杨木棒4采用统一的50cm×6cm×6cm规格、表面切削平整，使用前作烘干处理并常温放置在空气中；所述放置凝结面的平台为观测铁架，观测铁架由长细铁管5和套在铁管上的薄铁圈1组成，铁圈1上连接侧面开口的三个立方体铁盒3，每两个铁盒夹角为120°；铁盒截面尺寸大于杨木棒截面尺寸，使杨木棒4能较容易地从铁盒3中插入或拔出，并保证杨木棒稳固地放置在铁架上；压力传感器6固定在铁盒3口内壁上边缘；其触头与凝结水收集器的杨木棒4的上凝结面接触；铁圈1制成开口状，开口处焊接长方形铁片2，用螺钉和螺母连接铁片2(如图2所示)，使用时，将铁圈1套在铁管5上，数据采集器7固定在铁管5上；根据作物类型及植株生长高度确定铁圈5的个数、调节各铁圈的高度，然后用螺钉和螺母连在凝结水生成量测量装置，重力传感器模拟冠层叶片的热力学特性，其不受其他外界因素的影响，能够感知微小的重量差异；将凝结水收集器放置在被测地点；凝结水开始生成后，杨木棒吸收凝结水，质量增加，固定在铁盒3口内壁上边缘的压力传感器6，其触头与凝结水收集器的上凝结面接触，能够感知杨木棒质量的变化，进而将数据反馈到数据采集器7；压力传感器6将重量的变化转化为电信号，通过数据线8将数据输送给数据采集器7，将数据输出，可获得精确的凝结水实时观测结果；
所述每层杨木棒吸附凝结水的计算公式为：
h＝10m/ρS (1)
式中：h为凝结水量(mm)；m为杨木棒质量变化值(g)，多个杨木棒可取质量变化的平均值；ρ为水的密度(g/cm3)；S为杨木棒暴露在空气中的表面积(cm2)；
所述凝结水生成量校核，将步骤(1)、步骤(2)组成的凝结水收集及生成量测量系统放置在欲探究植株叶片凝结水的生成量及其变化规律的植株叶片附近，采用植株叶片凝结水的实际生成量对凝结水收集器的观测成果进行校核。
其中，植株叶片选为玉米叶片，可以使用吸水纸收集凝结水，选取生长状况良好、植株高度相近、叶片数及面积相差不多的三株以上的玉米植株，按照玉米的生长高度和冠层间隔高度对玉米进行分层；大约间隔40cm为一层，如最上面一层不足40cm，则计量至冠层；根据相应的分层，调整观测铁架上各层的高度，并对相应各层的玉米叶片表面的凝结水，使用吸水纸擦拭，或者将吸水纸贴附在叶片表面的方法吸收叶片表面生成的凝结水。使用吸水纸收集凝结水之前，应将吸水纸装入已编号的自封袋中，使用精度较高的称重仪器称重；将吸收了凝结水的吸水纸仍装入原来的自封袋中，带回实验室重新称重，吸水纸及自封袋的质量变化即为凝结水的生成量。
所述玉米叶片表面的凝结水生成量的计算公式为：
h1＝10Δm1/ρS1 (2)
式中：h1为凝结水生成量(mm)；△m1吸水纸及自封袋质量变化值(g)；ρ为水的密度(g/cm3)；S1为玉米叶片表面积(cm2)。
建立同一时间两种方法测得相同高度处的凝结水生成量的相关方程为y＝ax+b，其中a为斜率,b为截距；a和b两个参数和植被类型，气候条件有关，表征了不同的观测区域的植被类型。也就是说不同的植被类型这两个参数不同，需要按照实际情况校核；该相关方程以植株叶片凝结水生成量为横坐标，凝结水收集器收集的凝结水量为纵坐标作图，分析两个变量之间的相关性，通过曲线趋势，将收集器收集到的凝结水量转化为植株叶片凝结水量。
实施例
将凝结水收集器立于实验地点。铁架按照研究作物的高度分层，针对于西北干旱区有一半干旱区是农田玉米，探究其凝结水发生频繁时期，即夏季抽穗期间：1)在这个时段观测区作物生长旺盛，叶面较高，凝结水吸附会比较多。2)这个时段空气中水汽含量比较高，凝结水的生成量比较大。此时玉米冠层高度一般为1.6m，冠层分四层，层间隔以植物冠层间距为准(一般在40cm左右)。每层放置三个杨木棒(如图1所示)，并对杨木棒及其放置位置进行标记，确保杨木棒放置位置不变。同层杨木棒之间夹角120°，安装时上层杨木棒不得遮挡下层。
通过预实验，估计凝结水生成时间。实验时提前将杨木棒置于观测铁架相应位置，并在每个支臂末端安装重力传感器，重力传感器与数据采集器相连。凝结水开始生成后，杨木棒吸收凝结水导致质量发生变化，杨木棒质量的变化量即为凝结水的生成量。支臂末端的传感器将质量变化输出到数据采集器，得到农田植物冠层凝结水生成量的实时观测成果。
当凝结水生成量较大时，收集同时段植株叶片凝结水的实际生成量，将两种方法测得的相同高度处的凝结水生成量分别乘以叶面积指数，建立相关方程，得出相关关系，将凝结水收集器测得的凝结水生成量转化为叶片凝结水生成量。
Claims (4)
1.一种适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)自制凝结水收集器来收集凝结水，凝结水收集器包括人造凝结面和放置凝结面的平台两个部分，根据不同的观测对象选择合适的凝结面；其中人造凝结面为适应于探究植株叶片凝结水的观测，植株叶片凝结水凝结面采用杨木棒制作；放置凝结面的平台为观测铁架；
(2)凝结水生成量测量装置，由压力传感器和数据采集器组成；压力传感器固定在铁盒口内壁上边缘，其触头与凝结水收集器的上凝结面接触；同时与其配套的固定在铁管上的数据采集器相连；
(3)凝结水生成量校核，将步骤(1)、步骤(2)组成的凝结水收集及生成量测量系统放置在欲探究植株叶片凝结水的生成量及其变化规律的植株叶片附近，采用植株叶片凝结水的实际生成量对凝结水收集器的观测成果进行校核；
所述凝结水生成量校核中凝结水收集及生成量测量系统放置在欲探究植株叶片凝结水的生成量及其变化规律的植株叶片附近，采用植株叶片凝结水的实际生成量对凝结水收集器的观测成果进行校核，可以选用吸水纸收集凝结水，选取生长状况良好、植株高度相近、叶片数及面积相差不多的三株以上的植株，按照植株的生长高度和冠层高度进行分层；根据相应的分层，调整观测铁架上各层的高度，并对相应各层的植株叶片表面的凝结水，使用吸水纸擦拭，或者将吸水纸贴附在叶片表面的方法吸收叶片表面生成的凝结水；使用吸水纸收集凝结水之前，应将吸水纸装入已编号的自封袋中，使用精度高的称重仪器称重；将吸收了凝结水的吸水纸仍装入原来的自封袋中，带回实验室重新称重，吸水纸及自封袋的质量变化即为凝结水的生成量；
所述植株叶片表面的凝结水生成量的计算公式为：
h1＝10Δm1/ρS1 (2)
式中：h1为凝结水生成量(mm)；△m1吸水纸及自封袋质量变化值(g)；ρ为水的密度(g/cm3)；S1为玉米叶片表面积(cm2)；
建立同一时间两种方法测得相同高度处的凝结水生成量的相关方程为y＝ax+b，其中a为斜率,b为截距；a和b两个参数和植被类型，气候条件有关，表征了不同的观测区域的植被类型，也就是说不同的植被类型这两个参数不同，需要按照实际情况校核；该相关方程以植株叶片凝结水生成量为横坐标，凝结水收集器收集的凝结水量为纵坐标作图，分析两个变量之间的相关性，通过曲线趋势，将收集器收集到的凝结水量转化为植株叶片凝结水量。
2.根据权利要求1所述适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法，其特征在于，所述步骤(1)植株叶片凝结水凝结面采用杨木棒制作，杨木棒采用统一的50cm×6cm×6cm规格、表面切削平整，使用前作烘干处理并常温放置在空气中；所述放置凝结面的平台为观测铁架，观测铁架由长细铁管和套在铁管上的薄铁圈组成，铁圈上连接侧面开口的三个立方体铁盒，每两个铁盒夹角为120°；铁盒截面尺寸大于杨木棒截面尺寸，使杨木棒能较容易地从铁盒中插入或拔出，并保证杨木棒稳固地放置在铁架上；铁圈制成开口状，开口处焊接长方形铁片，用螺钉和螺母连接铁片，使用时，将铁圈套在铁管上，根据作物类型及植株生长高度确定铁圈个数、调节各铁圈的高度，然后用螺钉和螺母连接铁圈的开口处，将铁圈固定在铁管上。
3.根据权利要求1所述适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法，其特征在于，所述步骤(2)凝结水生成量测量装置中，收集器能够模拟冠层叶片的热力学特性，而压力传感器能够感知微小的重量差异；将凝结水收集器放置在被测地点；凝结水开始生成后，杨木棒吸收凝结水，质量增加，固定在铁盒口内壁上边缘的压力传感器，其触头与凝结水收集器的上凝结面接触，能够感知杨木棒质量的变化，进而将数据反馈到数据采集器；压力传感器将重量的变化转化为电信号，通过数据采集器将数据输出，可获得精确的凝结水实时观测结果。
4.根据权利要求3所述适用于西北干旱区绿洲农业的凝结水观测和校核方法，其特征在于，每层杨木棒吸附凝结水的计算公式为：
h＝10m/ρS (1)
式中：h为凝结水量(mm)；m为杨木棒质量变化值(g)，多个杨木棒可取质量变化的平均值；ρ为水的密度(g/cm3)；S为杨木棒暴露在空气中的表面积(cm2)。
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| 干旱区凝结水研究进展;鲁笑瑶 等;灌溉排水学报;20181231;第第37卷卷(第第S2期期);第102-105页 * |
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