CN114724447A - 一种模拟极端降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，包括降雨台架、刈割装置、极端环境模拟单元和控制单元，极端环境模拟单元包括降雨模拟设备和气温模拟设备，降雨模拟设备设置于降雨台架的上方，气温模拟设备设置于台架的四周；刈割装置可升降设置在降雨台架上；降雨台架的内侧设有温度测试仪，降雨台架的外侧设有土壤湿度探测仪，控制单元包括控制器和信号采集处理系统，信号采集处理系统与温度测试仪、土壤湿度探测仪电性连接，用于采集土壤温度信息和土壤湿度信息。本发明可模拟出在降雨气候下实验区域草原生态系统所能承受的最大刈割程度，对当地的割草和放牧工作起到有效的参考作用。
Description
技术领域
本发明涉及环境模拟实验技术领域，尤其涉及一种模拟极端降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置。
背景技术
刈割为北方最主要的草地利用方式，在气候条件相对较好、植被生产力相对较高的草地系统，适宜频次和强度的刈割能够刺激植物的补偿甚至超补偿生长，从而获得更高的植物生产力。近年国外研究者对刈割时期、刈割频次、刈割间隔等对草地群落组成、生产力和草群质量的影响研究发现，刈割可以明显提高牧草质量，有利于动物利用。然而，刈割的频次和强度过大，会对草地生态系统结构、功能及草地生产力有较大的负面影响。高强度或长时间的刈割可导致土壤水分状况、土壤通透性等物理性状变差，生态系统的水分和能量平衡都会遭到破坏，从长远看，这不仅会降低生态系统的生产力，更重要的是会降低生态系统对于极端气候的抵御能力和草地的荷载能力。
降雨是一个及其重要的研究对象，是气候、生态等的重要组成部分，由于草原主要分布于干旱、半干旱地区，因严酷的自然条件，草地生产力整体不高。加上长期过度放牧、土地利用方式变化和人类生产活动增加等的影响，草原已经发生了不同程度的退化，导致草地生产力和植被覆盖度降低，以及草原生态功能的下降，适宜程度的降雨有利于草原生态系统的恢复和发展，但极端的降雨气候同样也会加剧草原生态系统的恶化，造成土壤中元素和微量元素的流失，然而自然降雨并不能通过人工控制，所以，模拟降雨一起应运而生，提供稳定、高效的降雨进行科学实验。
不同地区的草原生态系统抵御极端气候的能力水平各不相同，不同地区草原生态系统能够承受刈割的程度也各不相同，而如何控制刈割程度以适应不同程度的降雨情况才能避免破坏当地草原生态系统成为急需解决的问题，现有技术中，并没有一种能够用来研究实验此问题的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟极端降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，能够对试验区域的草地进行降雨气候模拟，同时能够对试验区域的植被进行模拟刈割，对土壤的水通量进行实时监测记录，根据实验区域土壤水通量在不同刈割程度下所反应出的变化量，模拟出在降雨气候下实验区域草原生态系统所能承受的最大刈割程度。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，包括：降雨台架、刈割装置、极端环境模拟单元和控制单元，所述极端环境模拟单元包括降雨模拟设备和气温模拟设备，所述降雨模拟设备设置于所述降雨台架的上方，所述气温模拟设备设置于所述台架的四周；
所述刈割装置可升降设置在所述降雨台架上；
所述降雨台架的内侧设有温度测试仪，所述降雨台架的外侧设有土壤湿度探测仪，土壤湿度探测仪的探测部分设置在所述降雨台架内部的土壤中；
所述控制单元包括控制器和信号采集处理系统，所述信号采集处理系统与所述温度测试仪、土壤湿度探测仪电性连接，用于采集土壤温度信息和土壤湿度信息。
与现有技术相比，本发明结构设计合理，在任何时间都能够对试验区域的草地进行降雨气候模拟，能够模拟草原生态系统降雨发生时伴随的微气候变化，包括空气温度和土壤湿度，同时能够对试验区域的植被进行模拟刈割，对土壤的水通量进行实时监测记录，根据实验区域土壤水通量在不同刈割程度下所反应出的变化量，模拟出在降雨气候下实验区域草原生态系统所能承受的最大刈割程度，能够对当地的割草和放牧等减少植被的工作起到有效的参考作用，真正对草原生态系统进行科学管理，避免植被遭到破坏性刈割，保证草原生态系。
进一步的，所述降雨模拟设备包括设置在所述台架顶部的上水箱、上水泵以及多根水管，每根所述水管布设多个降雨喷头，所述水管与所述上水箱相连，所述上水泵与所述上水箱相连，所述上水泵装有变频调速装置，所述上水泵与所述控制器电连接。
进一步的，所述降雨结构还包括多个压力传感器，所述多个压力传感器一一对应地设置在多根所述水管上。
进一步的，还包括供水单元，所述供水单元包括储水箱与水泵，所述水泵的进水管与所述储水箱连通，所述水泵的出水管与所述上水箱连通，用于对所述上水箱供水。
进一步的，所述气温模拟设备包括电热膜与冷却管，所述电热膜布设在所述台架的四周，所述冷却管通过设置在所述台架的四周。
进一步的，所述上水箱与所述储水箱中均设置流量计。
进一步的，所述信号采集处理系统包括信号放大器、通讯网络及数据存储单元，所述放大器与所述压力传感器、所述温度测试仪及所述土壤湿度探测仪电性连接，所述信号放大器通所述通讯网络过与所述数据存储单元电性连接，即所述信号放大器将信号放大后通过所述通讯网络传输到所述数据存储单元进行数据存储。
进一步的，还包括工业相机，所述工业相机可拆卸连接在所述台架上，所述工业相机与所述信号采集处理系统电连接，用于对降雨后的土壤拍照记录。
进一步的，所述工业相机的拍照间隔时间为10-20s。
本发明采用上述结构的有益效果是，结构设计合理，安全可靠，能够对当地的割草和放牧等减少植被的工作起到有效的参考作用，真正对草原生态系统进行科学管理，使牧民等在放牧割草时能够把握好刈割的程度，提高生态系统的生产力，避免植被遭到破坏性刈割，保证草原生态系统正常的的荷载能力和抵御极端气候的能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明提供的降雨台架的结构示意图。
图2为本发明提供的工作流程框架图。
图中：
1-降雨台架；2-刈割装置；3-极端环境模拟单元；4-控制单元；5-土壤湿度探测仪；6-储水箱；7-水泵；21-电动伸缩杆；22-电机；23-切割刀片；31-降雨模拟设备；311-上水箱；312-上水泵；313-降雨喷头；32-气温模拟设备；41-控制器；42-信号采集处理系统；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明实施例公开了一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，包括：降雨台架1、刈割装置2、极端环境模拟单元3和控制单元4，极端环境模拟单元3包括降雨模拟设备31和气温模拟设备32，降雨模拟设备31设置于降雨台架1的上方，气温模拟设备32设置于降雨台架1的四周；
刈割装置2可升降设置在降雨台架1上；
降雨台架1的内侧设有温度测试仪，降雨台架1的外侧设有土壤湿度探测仪5，土壤湿度探测仪5的探测部分设置在降雨台架1内部的土壤中；
控制单元4包括控制器41和信号采集处理系统42，信号采集处理系统42与温度测试仪、土壤湿度探测仪5电性连接，用于采集土壤温度信息和土壤湿度信息。
有利的，降雨台架1包括支腿和框架，框架下方与支腿一端固定连接，为了便于移动可在支腿底部安装锁止万向轮(图中未示出)。
在一个实施例中，降雨模拟设备31包括设置在降雨台架1顶部的上水箱311、上水泵312以及多根水管，每根水管布设多个降雨喷头313，水管与上水箱311相连，上水泵312与上水箱311相连，上水泵312装有变频调速装置，上水泵312与控制器41电连接。
示例性的，降雨模拟设备31包括安置在框架顶部的4根水管，管径30mm，每根水管下端均匀布设有8个降雨喷头，水管与上水箱相连，上水箱连接一台变频调速上水泵，用变频器控制上水泵为水管恒压供水，无水时自动断电，自动调节雨滴发生器的出流量，模拟雨强的范围为5-37mm/min。
有利的，降雨模拟设备31还包括多个压力传感器，多个压力传感器一一对应地设置在多根水管上。如此设置，压力传感器和上水泵312的变频器都与控制器41相连，压力传感器检测水管的水压，反馈给控制器41，然后控制器41根据需要的降雨量调节上水泵312的变频器的频率，直到各水管的水压达到与所需降雨量相符的值。
进一步的，还包括供水单元，供水单元包括储水箱6与水泵7，水泵7的进水管与储水箱6连通，水泵7的出水管与上水箱311连通，用于对上水箱311供水。
在一个实施例中，刈割装置2包括电动伸缩杆21、电机22和切割刀片23，电动伸缩杆21与电机22均匀控制器41电连接，电动伸缩杆21的底座固定在框架的顶部，电动伸缩杆21的驱动端与电机22固定连接，电机22的转轴安装有切割刀片23；可以在高度方向上下移动，对不同高度的植被切割。
在一个实施例中，气温模拟设备32包括电热膜与冷却管，电热膜布设在台架1的四周，冷却管竖直设置在台架1的四周。有利的，台架可设置为密闭空间，顶部设有顶棚，四周设置边壁，顶棚和边壁均为透明塑料膜或玻璃，使台架形成一个透明罩体，气温模拟设备32由布设在台架四周边壁的电热膜和安置在台架边壁上的冷却管组成，电热膜的作用是通过红外线辐射向密闭空间内传热实现快速升温，冷却管的作用是通过冷盐水循环实现台架空间内实验环境的快速降温，通过两者交替配合降雨环境，可以模拟出极端降雨冷热交替的气温环境。
有利的，上水箱311与储水箱6中均设置流量计，可便于了解水量的情况，及时补充水量。
本实施例中，信号采集处理系统42包括信号放大器、通讯网络及数据存储单元，放大器与压力传感器、温度测试仪及土壤湿度探测仪电性连接，信号放大器通通讯网络过与数据存储单元电性连接，即信号放大器将信号放大后通过通讯网络传输到数据存储单元进行数据存储。
更有利的，还包括工业相机，工业相机可拆卸连接在台架1上，工业相机与信号采集处理系统42电连接，用于对降雨过程的土壤拍照记录；基于此，可对一块土壤作标记，通过拍照比较标记土壤受不同降雨量的移动情况，以此作为观察土壤的水土流失情况的参考。
进一步的，工业相机的拍照间隔时间为10-20s。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，包括：
降雨台架、刈割装置、极端环境模拟单元和控制单元，所述极端环境模拟单元包括降雨模拟设备和气温模拟设备，所述降雨模拟设备设置于所述降雨台架的上方，所述气温模拟设备设置于所述台架的四周；
所述刈割装置可升降设置在所述降雨台架上；
所述降雨台架的内侧设有温度测试仪，所述降雨台架的外侧设有土壤湿度探测仪，土壤湿度探测仪的探测部分设置在所述降雨台架内部的土壤中；
所述控制单元包括控制器和信号采集处理系统，所述信号采集处理系统与所述温度测试仪、土壤湿度探测仪电性连接，用于采集土壤温度信息和土壤湿度信息。
2.根据权利要求1所述的一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，所述降雨模拟设备包括设置在所述台架顶部的上水箱、上水泵以及多根水管，每根所述水管布设多个降雨喷头，所述水管与所述上水箱相连，所述上水泵与所述上水箱相连，所述上水泵装有变频调速装置，所述上水泵与所述控制器电连接。
3.根据权利要求1所述的一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，所述降雨模拟设备还包括多个压力传感器，所述多个压力传感器一一对应地设置在多根所述水管上。
4.根据权利要求1所述的一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，还包括供水单元，所述供水单元包括储水箱与水泵，所述水泵的进水管与所述储水箱连通，所述水泵的出水管与所述上水箱连通，用于对所述上水箱供水。
5.根据权利要求1所述的一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，所述气温模拟设备包括电热膜与冷却管，所述电热膜布设在所述台架的四周，所述冷却管通过设置在所述台架的四周。
6.根据权利要求1所述的一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，所述上水箱与所述储水箱中均设置流量计。
7.根据权利要求1所述的一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，所述信号采集处理系统包括信号放大器、通讯网络及数据存储单元，所述放大器与所述压力传感器、所述温度测试仪及所述土壤湿度探测仪电性连接，所述信号放大器通所述通讯网络过与所述数据存储单元电性连接，即所述信号放大器将信号放大后通过所述通讯网络传输到所述数据存储单元进行数据存储。
8.根据权利要求1所述的一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，还包括工业相机，所述工业相机可拆卸连接在所述框架上，所述工业相机与所述信号采集处理系统电连接，用于对降雨后的土壤拍照记录。
9.根据权利要求2所述的一种模拟降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，其特征在于，所述工业相机的拍照间隔时间为10-20s。
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| CN202210306266.3A Pending CN114724447A (zh) | 2022-03-25 | 2022-03-25 | 一种模拟极端降雨气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置 |
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| CN (1) | CN114724447A (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202150215U (zh) * | 2011-07-21 | 2012-02-22 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 草地植被覆盖度的模拟装置 |
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| CN108353676A (zh) * | 2018-02-26 | 2018-08-03 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 一种测量热浪气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置 |
| CN109618589A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-04-16 | 太仓市农业技术推广中心 | 一种改善设施栽培中土壤次生盐渍化的方法 |
| CN109752303A (zh) * | 2019-01-22 | 2019-05-14 | 河南城建学院 | 一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法 |
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| CN110927363A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-03-27 | 福州大学 | 一种室内干湿循环条件下植被边坡监测模拟装置 |
-
2022
- 2022-03-25 CN CN202210306266.3A patent/CN114724447A/zh active Pending
Patent Citations (8)
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