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      中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站水位 增溫協同控制樣地設計與建設
      來源:http://www.sv-jianzhu.com/ | 作者:大連通博 | 發布時間: 2018-05-29 | 5269 次瀏覽 | 分享到:
      在中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站的毛薹草(Carexlasiocarpa)沼澤中,建成了水位增溫協同控制樣地。通過水位自動控制設備,實現了沼澤濕地中的原位水位控制,在保持微氣候與天然濕地一致的同時,可以對水位進行精確的控制。同時,為了研究全球變化背景下水位與氣溫對濕地生態系統的協同作用,選擇了4種水位(-20cm、-10cm、0cm和10cm),采用開頂箱(opentopchamber,OTC)被動增溫方法,進行水位增溫協同控制。
        譚穩穩1,2,3,蘇昱4,宋長春1*,張新厚1,2,韓哲1,2,喬田華1,2

        (1.中國科學院濕地生態與環境重點實驗室,中國科學院東北地理與農業生態研究所,吉林長春130102;

        2.    中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站,黑龍江富錦156332;3.中國科學院大學,北京100049;

        4.    大連通博自動化成套設備有限公司,遼寧大連116000)

        摘要:在中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站的毛薹草(Carexlasiocarpa)沼澤中,建成了水位增溫協同控制樣地。通過水位自動控制設備,實現了沼澤濕地中的原位水位控制,在保持微氣候與天然濕地一致的同時,可以對水位進行精確的控制。同時,為了研究全球變化背景下水位與氣溫對濕地生態系統的協同作用,選擇了4種水位(-20cm、-10cm、0cm和10cm),采用開頂箱(opentopchamber,OTC)被動增溫方法,進行水位增溫協同控制。在該控制樣地中,設置了包括水位與增溫交互控制在內的6種處理,每種處理重復布設5個樣方,共計30個樣方,每個樣方的水位獨立控制。該控制樣地的建成將為濕地生態系統過程與功能的相關研究提供強有力的實驗支撐。

        關鍵詞:水位增溫協同控制;水位自動控制設備;開頂箱;沼澤

        中圖分類號:P941.78;X84    文獻標識碼:A    文章編號:1672-5948(2018)02-114-06

        在水位對濕地生態系統影響的研究中,一般采用兩種實驗方法。一是在天然濕地中選擇立地條件近似、水位存在梯度的樣地,開展研究[1~5];二是將濕地中的植物移栽至不同水位的環境中,進行栽培[6,7]。但是,這兩種方法都存在一些缺陷。雖然,樣地所處的環境背景與天然濕地一致,但是,可能在土壤性質和原生植被等方面存在差異;植物移栽實驗雖然對植物和養分進行了控制,但是,氣溫和相對濕度等背景因素卻很難與天然濕地保持一致。為了克服上述缺陷,需要在濕地生態系統中布設原位水位控制實驗。在沼澤生態系統中布置原位水位控制實驗存在許多難點。一方面,在沼澤中布置隔水樣方,雖然可以隔離水分的橫向交換,但是,由于土壤的滲透作用,樣方內的水體依然與環境水體處于連通狀態,水位差將逐漸消失;另一方面,在生態學實驗中,要求設置水位梯度,且每種梯度必須具有設置3個以上的重復實驗,這就要求水位自動控制設備必須具有多個回路,而且各回路必須獨立控制。在中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站(以下簡稱三江站)建設科研樣地過程中,設計、改進了一套水位自動控制設備,同時,結合開頂箱(opentopchamber,OTC)被動增溫方法,建成了水位增溫協同控制樣地。在沼澤濕地中實現了原位水位自動控制,補給水源為沼澤積水,這樣可以保證樣方內水體中的養分濃度基本一致,并且可以實現在無人值守的狀態下,自動調整各樣方的水位,使其穩定在水位控制區間內。
        1水位增溫協同控制樣地總體設計
             三江站水位增溫協同控制樣地(以下簡稱控制樣地)屬于中國科學院野外站網絡科研樣地建設項目“濕地生態系統科研樣地建設”(項目編號:KFJ-SW-YW020)的建設內容之一。該項目于2016年1月開始執行,2017年7月完成。控制樣地布設于三江站自有實驗場南端(47°34′43.72′′N,
      133°29′26.49′′E)的毛薹草(Carexlasiocarpa)沼澤中,該沼澤為典型的積水沼澤,主要植物群落為毛薹草群落,在毛薹草生長季中,踩踏水深20~40cm。在積水較深的條件下,該沼澤中的毛薹草根莖交織,逐漸形成了漂浮的草根層,通常稱為“浮氈層”[8]。

      水位增溫協同控制樣地布置圖

      圖1 水位增溫協同控制樣地布置圖
      Fig.1 Arrangement of water-level and air temperature co-regulated plot

        根據三江站的長期水文監測數據,以毛薹草生長季的多年平均水位作為基準水位,多年平均最高水位、最低水位都與基準水位相差約10cm。據預測,在全球變化背景下,三江平原地區的降水量將逐漸減少[9],蒸發加劇,濕地趨于干旱,所以,該控制樣地的水位設置以水位降低下的研究為主。在控制樣地中,共設置0cm(基準水位)、+10cm(高于基準水位10cm)、-10cm(低于基準水位10cm)和-20cm(低于基準水位20cm)4種水位。同時,為了研究氣溫升高與位變化的協同效應,在0cm和-10cm水位下,設置了與開頂箱交互處理,即總共設置了10cm水位、0cm水位、0cm水位×OTC、-10cm水位、-10cm水位×OTC和-20cm水位6種處理,每種處理5個重復,共30個樣方(圖1)。

         2水位自動控制設備設計與原理說明

         為了實現多回路自動控制與同時具備補、排水功能的目標,改進設計了一套自動水位控制設備。該設備由控制中樞(1組)、臥式自吸離心泵(1臺補水泵)、水環真空泵(1臺排水泵)、電極式液位計(30個)、補水電磁閥(30個)、排水電磁閥(30個)、遠傳壓力表(1個)、空氣壓縮機(1臺)、真空罐(1個)、氣動閥(4個)、30路補水分水器(1個)、30路排水分水器(1個)、補水管路(30路)和排水管路(30路)等組成(圖2)。為了防止管路堵塞,在臥式自吸離心泵前端、30路排水管路前端和排水電磁閥前端都加裝了過濾器。

         2.1控制中樞設計與說明
         控制中樞由浪涌保護器(1臺)、補水變頻器(1臺)、排水變頻器(1臺)、恒壓供水控制器(1臺)和液位控制器(30組,包括補水繼電器及排水繼電器)構成(圖3)。其中,補水變頻器和排水變頻器的作用是使供給臥式自吸離心泵(補水泵)與水環真空泵(排水泵)的電壓勻速升壓與降壓,增加泵體使用壽命。

         2.2電極式液位控制器說明
             接通電源后,當樣方池的水位低于超低液位(圖4)時,綠色電源指示燈1常亮,指示燈2和指示燈3都為綠色,兩個繼電器都處于釋放狀態。
             當水位達到超低液位時,指示燈2、指示燈3和繼電器都保持原狀態;當液位達到低液位時,指示燈2變為紅色,低液位繼電器吸合。
             當水位達到高液位時,指示燈3和高液位繼電器都保持原狀態;當液位達到超高液位時,指示燈3變為紅色,高液位繼電器吸合。
             當水位低于超高液位時,指示燈3紅燈亮,高液位繼電器保持吸合狀態;當水位低于高液位時,指示燈3由紅色變為綠色,高液位繼電器釋放。
             當水位低于下限時,指示燈2保持紅色,低液位繼電器仍處于吸合狀態;當水位低于超低液位時,指示燈2由紅色變為綠色,低液位繼電器釋放。

             2.3整套水位自動控制設備工作流程說明本說明
             以1號樣方(圖1中左上角的樣方)
      為例,其余樣方的設備工作流程與1號樣方相同。
             打開空氣壓縮機,接通空氣開關QF1、QF2和QF3, 打開恒壓供水控制器開關SB1、 管路控制開關(SB2-SB31)、水環真空泵開關(SB33),設備所有部件將都處于電源接通狀態。
             若1號樣方水位低于超低液位(即1D)時,1號液位控制器兩繼電器都處于釋放狀態,補水電磁閥DC31處于打開狀態,補水變頻器輸出電壓,臥式離心自吸泵開始工作,從泵房下方的濾水池抽取沼澤水向1號樣方補水。
             當水位逐漸上升到達1D時, 各部件繼續按
      當前狀態工作
             當水位上升到低液位(即1C)時,低液位繼電器KA31吸合,補水電磁閥DC31關閉,樣方停止補水,臥式自吸離心泵繼續工作,當補水分水器壓力達到預設值0.4MPa時,補水變頻器停止輸出電壓,臥式離心自吸泵停止工作。
             當降雨時,樣方的水位上升,當水位上升到高液位(即1B)時,兩各繼電器保持當前狀態,所有部件都不動作。
             當水位繼續上升,達到超高液位(即1A)時,高液位繼電器KA1吸合,排水電磁閥DC1打開,氣動閥DC61、DC62打開,排水變頻器輸出電壓,水環真空泵開始工作,真空罐內形成負壓,將樣方中的水抽出吸入真空罐內(如果真空罐內水位達到高液位31A時,真空罐繼電器K61斷開,氣動閥DC61、DC62關閉,排水變頻器停止輸出電壓,水環真空泵停止工作,氣動閥DC63、DC64打開,空氣從DC64進入真空罐平衡壓力,真空罐內儲存的水通過DC63排入沼澤;當真空罐內的水位下降到低液位31B時,真空罐繼電器K61吸合,氣動閥DC63、DC64關閉,氣動閥DC61、DC62打開,排水變頻器開始輸出電壓,水環真空泵開始工作,繼續吸取樣方內的水)。
             當水位逐漸下降,低于1B時,高液位繼電器KA1釋放,水電磁閥DC1關閉,氣動閥DC61、DC62關閉,排水變頻器停止輸出電壓,水環真空泵停止工作,1號樣方停止向外排水。當水位低于1D時,本套設備將重復動作,進行補水;或當降雨時,本套設備將重復動作,進行排水。因此,該設備控制水位精度取決于電極1A與1D的高度差。


      樣方中的水位自動控制設備示意圖

      圖2樣方中的水位自動控制設備示意圖
      Fig.2 Sketch of automatic water-level control equipment in one subplot

      控制中樞電氣原理圖
      圖3控制中樞電氣原理圖
      Fig.3 Electrical schematic diagram of control center

      電極式液位控制器電路圖
      圖4電極式液位控制器電路圖
      Fig.4 Circuit diagram of electrode level controller


        3水位控制樣方設計與布置
        控制樣地的單個樣方面積為3m×3m,將2mm厚的304不銹鋼板焊接成不透水框架,并在其內部襯以1cm×1cm的304不銹鋼方管,以保證在內、外水位存在差異的情況下,樣方不會出現變形。樣方總體高度為130cm,埋入基準水面以下約90cm。各樣方之間相距5m。經實踐驗證,樣方埋入深度在內、外水位相差30cm的情況下,樣方內水位變化不超過1cm/24h,這就保證了水位自動控制設備不會頻繁啟動,以延長其壽命。為了減少儀器維護、觀測等人為踩踏對樣地的破壞,各樣方都通過棧橋連接(見圖1)。

        4基于水位增溫協同控制樣地的研究展望
        目前,在水位增溫協同控制樣地中已經布設的儀器設備包括土壤大氣溫濕度觀測系統、物候自動觀測相機、微根窗、植物固定監測樣方等,可以為氣候變化背景下沼澤水位變化對植物群落、植物功能性狀、土壤微生物群落和土壤生物化學過程等方面的研究提供支撐平臺。

        參考文獻

        [1]李麗,雷光春,高俊琴,等.地下水位和土壤含水量對若爾蓋木里薹草沼澤甲烷排放通量的影響[J].濕地科學,2011,9(2):173-178.

        [2]翟生強,史長光,杜樂山,等.若爾蓋泥炭地地下水位和土壤溫度對二氧化碳排放的影響[J].濕地科學,2015,13(3):332-337.

        [3]王銘,曹議文,王升忠,等.水位和草丘微地貌對巴音布魯克高寒沼澤植物群落物種多樣性的影響[J].濕地科學,2016,14(5):635-640.

        [4]LenssenJ,MentingF,PuttenWH,etal.Controlofplantspeciesrichnessandzonationoffunctionalgroupsalongafreshwaterfloodinggradient[J].Oikos,1999,86(3):523-534.

        [5]SilvertownJ,ArayaY,GowingD.Hydrologicalnichesinterrestri-alplantcommunities:areview[J].JournalofEcology,2015,103(1):93-108.

        [6]ZhangXH,MaoR,GongC,etal.Effectsofhydrologyandcom-petitiononplantgrowthinafreshwatermarshofnortheastChina[J].JournalofFreshwaterEcology,2014,29(1):117-127.

        [7]ShiFX,SongCC,ZhangXH,etal.Plantzonationpatternsre-flectedbythedifferencesinplantgrowth,biomasspartitioningandroottraitsalongawaterlevelgradientamongfourcommonvascularplantsinfreshwatermarshesoftheSanjiangPlain,North-eastChina[J].EcologicalEngineering,2015,81:158-164.

        [8]張新厚.三江平原“大醬缸”的締造者——漂筏薹草[J].生命世界,2014,(3):26-27.

        [9]DaiAG.Increasingdroughtunderglobalwarminginobserva-tionsandmodels[J].NatureClimateChange,2013,3(1):52-58.

      DesignandConstructionofWater-levelandAirTemperatureCo-regulatedPlot

      inSanjiangPlainExperimentalStationofWetlandEcology,

      ChineseAcademyofSciences

        TANWenwen1,2,3,SUYu4,SONGChangchun1,ZHANGXinhou1,2,HANZhe1,2,QIAOTianhua1,2

        (1.KeyLaboratoryofWetlandEcologyandEnvironment,NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyof

        Sciences,Changchun130102,Jilin,P.R.China;2.SanjiangPlainExperimentalStationofWetlandEcology,ChineseAcademyof

        Sciences,Fujin156332,Heilongjiang,P.R.China;3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China;

        4.DalianTongboAutomaticEquipmentLimitedCompany,Dalian116000,Liaoning,P.R.China)

        Abstract:AnewplotwasconstructedinSanjiangPlainExperimentalStationofWetlandEcology,ChineseAcademyofSciences,inwhichwater-levelandairtemperaturewereco-regulatedinsitu.Theadvantageoftheplotisthatthemicroclimateofsubplotswouldbesamewithsurroundingsandwater-levelcouldberegu-latedautomatically.The30subplots,thewater-levels,whichcouldbecontrolledindependently,weresplitinto6kindsoftreatments,includinginteractiondesignsofwater-levelandairtemperature.AmethodofOpenTopCube(OTC)wasusedtothecalefactiontreatments.Theco-regulatedplotwouldbeasupportingplatform,andbesharedforecologistsofwetlands.

        Keywords:water-levelandairtemperatureco-regulation;water-levelautomaticregulatedequipment;opentopcube;marshes

        
        
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