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中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站水位 增温协同控制样地设计与建设
來源:/ | 作者:大連通博 | 發布時間: 2018-05-29 | 1133 次浏覽 | 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,爲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.    中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站,黑龙江富锦156332;3.中国科学院大学,北京100049;

  4.    大連通博自動化成套设备有限公司,辽宁大连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,爲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,每種處理重複布設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爲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

  中图分类号:P941.78;X84    文献标识码:A    文章编号: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。爲了克服上述缺陷,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個以上的重複實驗,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,補給水源爲沼澤積水,這樣可以保證樣方內水體中的養分濃度基本一致,並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
       三江站水位增温协同控制样地(以下简称控制样地)属于中国科学院野外站网络科研样地建设项目“湿地生态系统科研样地建设”(项目编号:KFJ-SW-YW020)的建设内容之一。该项目于2016年1月开始执行,2017年7月完成。控制样地布设于三江站自有实验场南端(47°34′43.72′′N,
133°29′26.49′′E)的毛薹草(Carexlasiocarpa)沼澤中,該沼澤爲典型的積水沼澤,主要植物群落爲毛薹草群落,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,通常稱爲“浮氈層”[8]。

水位增温协同控制样地布置图

图1 水位增温协同控制样地布置图
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爲基准水位,多年平均最高水位、最低水位都與基准水位相差約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,濕地趨于幹旱,所以,該控制樣地的水位設置以水位降低下的研究爲主。在控制樣地中,共設置0cm(基准水位)、+10cm(高于基准水位10cm)、-10cm(低于基准水位10cm)和-20cm(低于基准水位20cm)4種水位。同時,爲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個重複,共30個樣方(圖1)。

   2水位自動控制設備設計與原理說明

   为了实现多回路自动控制与同时具备补、排水功能的目标,改进设计了一套自动水位控制设备。该设备由控制中枢(1组)、卧式自吸离心泵(1台補水泵)、水環真空泵(1台排水泵)、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台)、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)。爲了防止管路堵塞,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
   控制中枢由浪涌保护器(1台)、补水变频器(1台)、排水变频器(1台)、恒压供水控制器(1台)和液位控制器(30组,包括补水继电器及排水继电器)构成(图3)。其中,补水变频器和排水变频器的作用是使供给卧式自吸离心泵(补水泵)与水环真空泵(排水泵)的电压匀速升压与降压,增加泵体使用寿命。

   2.2電極式液位控制器說明
       接通电源后,当样方池的水位低于超低液位(图4)时,绿色电源指示灯1常亮,指示灯2和指示灯3都为绿色,两个继电器都处于释放状态。
       当水位达到超低液位时,指示灯2、指示灯3和继电器都保持原状态;当液位达到低液位时,指示灯2变为红色,低液位继电器吸合。
       当水位达到高液位时,指示灯3和高液位继电器都保持原状态;当液位达到超高液位时,指示灯3变为红色,高液位继电器吸合。
       当水位低于超高液位时,指示灯3红灯亮,高液位继电器保持吸合状态;当水位低于高液位时,指示灯3由红色变为绿色,高液位继电器释放。
       当水位低于下限时,指示灯2保持红色,低液位继电器仍处于吸合状态;当水位低于超低液位时,指示灯2由红色变为绿色,低液位继电器释放。

       2.3整套水位自动控制设备工作流程说明本说明
       以1号样方(图1中左上角的样方)
爲例,其余樣方的設備工作流程與1號樣方相同。
       打开空气压缩机,接通空气开关QF1、QF2和QF3, 打开恒压供水控制器开关SB1、 管路控制开关(SB2-SB31)、水环真空泵开关(SB33),设备所有部件将都处于电源接通状态。
       若1号样方水位低于超低液位(即1D)时,1号液位控制器两继电器都处于释放状态,补水电磁阀DC31处于打开状态,补水变频器输出电压,卧式离心自吸泵开始工作,从泵房下方的滤水池抽取沼泽水向1号样方补水。
       当水位逐渐上升到达1D时, 各部件继续按
當前狀態工作
       当水位上升到低液位(即1C)时,低液位继电器KA31吸合,补水电磁阀DC31关闭,样方停止补水,卧式自吸离心泵继续工作,当补水分水器压力达到预设值0.4MPa时,补水变频器停止输出电压,卧式离心自吸泵停止工作。
       当降雨时,样方的水位上升,当水位上升到高液位(即1B)时,两各继电器保持當前狀態,所有部件都不动作。
       当水位继续上升,达到超高液位(即1A)时,高液位继电器KA1吸合,排水电磁阀DC1打开,气动阀DC61、DC62打开,排水变频器输出电压,水环真空泵开始工作,真空罐内形成负压,将样方中的水抽出吸入真空罐内(如果真空罐内水位达到高液位31A时,真空罐继电器K61断开,气动阀DC61、DC62关闭,排水变频器停止输出电压,水环真空泵停止工作,气动阀DC63、DC64打开,空气从DC64进入真空罐平衡压力,真空罐内储存的水通过DC63排入沼泽;当真空罐内的水位下降到低液位31B时,真空罐继电器K61吸合,气动阀DC63、DC64关闭,气动阀DC61、DC62打开,排水变频器开始输出电压,水环真空泵开始工作,继续吸取样方内的水)。
       当水位逐渐下降,低于1B时,高液位继电器KA1释放,水电磁阀DC1关闭,气动阀DC61、DC62关闭,排水变频器停止输出电压,水环真空泵停止工作,1号样方停止向外排水。当水位低于1D时,本套设备将重复动作,进行补水;或当降雨时,本套设备将重复动作,进行排水。因此,该设备控制水位精度取决于电极1A与1D的高度差。


样方中的水位自动控制设备示意图

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

控制中枢电气原理图
圖3控制中樞電氣原理圖
Fig.3 Electrical schematic diagram of control center

电极式液位控制器电路图
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爲3m×3m,將2mm厚的304不鏽鋼板焊接成不透水框架,並在其內部襯以1cm×1cm的304不鏽鋼方管,以保證在內、外水位存在差異的情況下,樣方不會出現變形。樣方總體高度爲130cm,埋入基准水面以下約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啓動,以延長其壽命。爲了減少儀器維護、觀測等人爲踩踏對樣地的破壞,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,可以爲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台。

  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裏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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