一、應用

SoilScope 土壤生態(tài)水文觀(guān)測模擬設施可實(shí)現地下水位調控，超滲產(chǎn)流實(shí)時(shí)監測，是水文、水資源領(lǐng)域研究“四水”轉換的重要設施，為發(fā)展區域水文模型、水資源管理提供支撐數據。

SoilScope設施既可人為設定蒸滲罐體內的水位，得到實(shí)時(shí)潛水蒸發(fā)量，也可自動(dòng)記錄水位、水勢的瞬時(shí)值，在與大田水勢梯度一致的情況下，得到罐體內的土壤水動(dòng)力學(xué)參數，水位變化量、滲漏量，揭開(kāi)大田“黑箱”中的水文過(guò)程。

在降雨和灌溉過(guò)程中，還可以實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄產(chǎn)流量。

高精度稱(chēng)重單元可測量各種類(lèi)型降雨，從結露到下霜等。在各種氣候和水分條件下測量與大田相同情況的蒸散量、表層的實(shí)時(shí)蒸散值。

因蒸滲儀表面積可用戶(hù)定制，可得到最佳降雨數據。物質(zhì)平衡、水量平衡和其它結果可從蒸滲儀尺寸及表面推廣到更大的尺度。

SoilScope設施在作物主根域，通過(guò)測量土壤不同深度的水量平衡和基質(zhì)勢，提供可用水量、干旱脅迫、過(guò)度施肥和過(guò)度灌溉預警。孔隙水取樣，可將大田可用的水、肥可視化，用于確定可用肥力和地下水污染的潛在威脅。

二、系統設計

2.1 系統組成和功能

SoilScope 生態(tài)水文過(guò)程觀(guān)測模擬設施由土柱、稱(chēng)重系統、地下水連通單元、產(chǎn)流儀、土壤水溫電導率傳感器、土壤溶液取樣單元、EcoScope蒸滲中心軟件組成，電源、維護井或地下室組成。

2.1.1兩種水位調控模式

罐體內地下水位控制有兩種模式，即自動(dòng)跟蹤與人為設定，水位精度可達0.2mm。 補水、排水精度達到0.001mm。

1）實(shí)現傳統的固定地下水位

人工設定固定水位，水位平衡系統自動(dòng)控制水泵，當罐體內水位低于設定值，水泵向罐體內注水；當罐體內水位高于設定值，水泵自動(dòng)從罐體向外抽水，始終保持罐體水位在設定值附近。向罐體內注入的水和從罐體向外抽出的水，都經(jīng)過(guò)高精度電子稱(chēng)精確稱(chēng)量，分辨率高達0.001mm。

罐體底部的地下水連通器，與受控的雙向高壓泵相連，當罐體內的水位低于設定值時(shí)，水泵通過(guò)連通器向罐體內注水，使罐體內水位上升，達到預定水位時(shí)，停止注水。 反之，當罐體內的水位高于設定值時(shí)，水泵通過(guò)連通器向罐體外抽水，使柱體內水位下降，達到預定水位時(shí)，停止抽水。

向罐體內注入的水量和從罐體向外抽取的水量，都會(huì )被設置的稱(chēng)重單元精確計量，計量精度達到0.001mm。 罐體內的水位值，由精密的水位計測量，測量精度達到0.2mm。

2）自動(dòng)跟蹤水位模式

水位平衡系統同時(shí)測量罐體內部水位和大田地下水位，自動(dòng)跟蹤大田水位，保持罐體內水位與大田的地下水位在相同的水平?？刂苿?dòng)作過(guò)程與人為設定模式一樣。大田的水位值，也是由精密的水位計測量，測量精度達到0.2mm。 自動(dòng)水位調控方式，相當于把罐體內的地下水位與大田地下水位連通，用于*模擬自然的田間水分狀況。

水位控制系統，每小時(shí)測量一次水位，并補充或抽取蒸散水量，可以得到罐體內蒸散的日變化曲線(xiàn)。

3）人為設定水位調控模式 水位調控可以兼容兩種控制、調節方式，即人為設定和自動(dòng)調控。

人為設定模式：罐體內部水位*由人工任意設置，最高可以到罐體內土壤表面，可以將罐體內部自由水*排空。人為設定模式可以根據實(shí)驗目的，任意改變罐體內的地下水位，并觀(guān)察在不同的地下水位時(shí)作物的水分利用情況。

2.1.2 產(chǎn)流（Runoff）收集與測量

由罐體內地表產(chǎn)流的收集裝置、導流管、200kg緩沖儲水箱、高精度電子稱(chēng)組成。

徑流收集裝置可設置在罐體內土壤表層的中部，一個(gè)漏斗形的帶過(guò)濾網(wǎng)的進(jìn)水口，可以調整進(jìn)水口高度，避免被土壤堵塞。

2.1.3 地下水連通控制器

1）確保罐體內的土壤水文過(guò)程與大田一致

蒸滲儀柱體底部的水勢參數是衡量蒸滲儀土柱與野外實(shí)際情況是否一致的必要指標，也是影響蒸滲儀土柱內植物生長(cháng)環(huán)境的關(guān)鍵指標。

國內蒸滲透儀系統底部的處理一般采用碎石和細砂作為濾層，使用過(guò)程中無(wú)法得到底部水勢參數，此外，長(cháng)年的運行，也會(huì )導致底部的微生物環(huán)境與罐體外大相徑庭。

SoilScope系統底部的地下水連通器可實(shí)現底部的注水或排水，且質(zhì)地堅硬，能承載數十噸重的土體重量。除用于測定田間水勢的變化外，還可測量排水量,定量控制蒸滲儀柱體底部的水勢。蒸滲儀底部水勢和罐體外部水勢始終保持一致。

2）自動(dòng)實(shí)施排水和補水：當地下水埋深比較深，傳統的蒸滲儀系統的土柱體高度無(wú)法達到地下水位時(shí)，無(wú)法調節柱體底部水勢。SoilScope系統配置了帶有稱(chēng)重系統的水桶，能提供或接收連通器的排水，也能從水桶中抽水，實(shí)現補水，且排水量和補水量自動(dòng)被數據采集器存儲和記錄。

2.1.4自動(dòng)溶液取樣單元：土壤溶液的取樣是系統自動(dòng)完成的。自動(dòng)采樣泵的數據也可記錄在數據采集器中。傳統的蒸滲儀系統一般采用人工采樣，耗時(shí)耗力，且無(wú)法實(shí)現定時(shí)采樣。

自動(dòng)采樣泵：可連續輸出或張力控制輸出。帶鍵盤(pán)和彩色、背景光顯示屏幕，可方便設置和查看?？砷L(cháng)期、連續運行。用于精確的孔隙水和滲漏水取樣。是目前國際技術(shù)和產(chǎn)品，廣泛用于歐盟蒸滲站。

2.1.5土壤傳感器

EcoScope系統中采用的土壤水分傳感器有兩種可選，即AIM-TDR 及AZS-3。此兩種傳感器都獲得了“水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監督檢驗測試中心”檢測合格證。

AIM-TDR 來(lái)自德國IMKO公司定制產(chǎn)品，其技術(shù)與Trime-PICO相同，是市場(chǎng)的TDR原理土壤水分傳感器，確保在測量土壤水分的過(guò)程中，不受土壤溫度、電導率的影響。該傳感器技術(shù)在全球已經(jīng)使用了近三十年，用戶(hù)遍布歐盟、美國、英國、加拿大、亞洲等國家實(shí)驗室、大學(xué)和科研機構。

AZS-3 土壤水分溫度傳感器AZS-3土壤水分傳感器（Soil Moisture Probe type AZS-3）采用頻域（FD）原理來(lái)測量土壤中水分的含量。該傳感器系列已用于國內農業(yè)、水利、林業(yè)、生態(tài)、土壤科學(xué)研究達十年之久，是性?xún)r(jià)比高的水分傳感器。

采用負壓原理測量土壤水勢，不受土壤電導率的影響，適用于農田研究。采用外部注水，維護方便。帶有溫度傳感器，液面指示器，便于注水時(shí)檢測氣泡，同時(shí)便于冬季排水，保護凍土層陶瓷杯，性能穩定、耐用是目前廣泛用于歐盟蒸滲站的傳感器。

2.1.6 SoilScope設施數據采集和傳輸

中心控制軟件EcoScope 是澳作生態(tài)儀器公司自行研發(fā)設計、擁有軟件著(zhù)作權的的專(zhuān)業(yè)生態(tài)環(huán)境采集、計算軟件。用戶(hù)可自由選擇同時(shí)顯示在屏幕上的測點(diǎn)數據，如瀏覽各柱體的重量、產(chǎn)流量、各層土壤水分、溫度、EC數據；同一界面顯示同一柱體多層、或不同柱體同一層的土壤參數；對比顯示不同柱體的重量、產(chǎn)流量、各層土壤水分、溫度、EC數據；顯示計算的參數如ET、潛水蒸發(fā)量。

2.2 系統布設

系統可以按照維護井和土柱井分別放入大田的方式建造如圖1，也可以將多個(gè)土柱放入一個(gè)地下室，如圖2。罐體內的布設圖如圖3 ，用戶(hù)可自設定土體剖面監測的深度和層數。

2.3 數據采集頻率

重量測量間隔是1min，土壤水分、水勢、溫度、測量間隔是30min。

系統軟件直接輸出土柱重量、土壤剖面水勢、水分、溫度、土壤溶液取樣負壓。

2.4觀(guān)測指標

SoilScope 生態(tài)水文過(guò)程觀(guān)測模擬設施，提供如下觀(guān)測數據：

1）每分鐘測量、記錄土柱重量。

2）維持罐體內水位在預設值，每小時(shí)檢測水位值，若水位不在預設值，啟動(dòng)補水或抽水泵。隨大田水位調控的測筒，控制原理相同。

3）實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄產(chǎn)流量。

4）每半小時(shí)（或的間隔）記錄土壤水分、溫度、電導率、水勢數據

5）啟動(dòng)土壤溶液取樣裝置后，自動(dòng)自動(dòng)采集土壤溶液樣品，實(shí)驗人員及時(shí)將采集的水樣取走，倒空采樣瓶。

三、應用案例

1、地下水位調控系統

德國UMS公司建造的意大利NaPles 蒸滲儀系統用于原油事故污染土壤的生物修復。此外，也研究化學(xué)物質(zhì)在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)轉換中的運移。用戶(hù)是Naples University。

  該系統帶地下水位調控，根據野外的地下水位調控罐體內的地下水位，使它們保持一致。 如下圖：

2、地表徑流收集系統

Dedelow 蒸滲儀系統是歐盟大型項目TERENO的 蒸滲儀站之一，帶地表徑流收集功能，用于研究氣候變化。歐盟TERENO SoilCAN-氣候反饋機理項目的研究目標是氣候變化對如下生態(tài)因子影響的特征分析和定量分析：

n C-/N 循環(huán) 和 C-/N 儲量的變化

n 生物-大氣界面上溫室氣體的交換

n 植被和微生物多樣性及C和 N的動(dòng)態(tài)變化，以及與生物多樣性變化的耦合關(guān)系

n 陸地水文（水量平衡，降雨變化，水文-氣象事件（洪澇、干旱）、滲漏水質(zhì)和水量、持水能力）

研究入滲能力的蒸滲儀設計圖如下，在Dedelow 蒸滲系統中，罐體表層中間有個(gè)地表徑流收集器，比土壤表層高10mm，比罐體外沿低20mm。罐體外有地表徑流的水管。

部分國內外應用如下：

 左圖：土壤植被對氣候變化響應模擬觀(guān)測研究；右圖：工業(yè)污染生態(tài)修復模擬觀(guān)測研究

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