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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
来源:http://www.china-tongbo.com/ | 作者:大连通博 | 发布时间: 2018-05-29 | 114 次浏览 | 分享到:
在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站的毛薹草(Carexlasiocarpa)沼泽中,建成了水位增温协同控制样地。通过水位自动控制设备,实现了沼泽湿地中的原位水位控制,在保持微气候与天然湿地一致的同时,可以对水位进行精确的控制。同时,为了研究全球变化背景下水位与气温对湿地生态系统的协同作用,选择了4种水位(-20cm、-10cm、0cm和10cm),采用开顶箱(opentopchamber,OTC)被动增温方法,进行水位增温协同控制。
  谭稳稳1,2,3,苏昱4,宋长春1*,张新厚1,2,韩哲1,2,乔田华1,2

  (1.中国科学院湿地生态与环境重点实验室,中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林长春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.    大连通博自动化成套设备有限公司,辽宁大连116000)

  摘要:在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站的毛薹草(Carexlasiocarpa)沼泽中,建成了水位增温协同控制样地。通过水位自动控制设备,实现了沼泽湿地中的原位水位控制,在保持微气候与天然湿地一致的同时,可以对水位进行精确的控制。同时,为了研究全球变化背景下水位与气温对湿地生态系统的协同作用,选择了4种水位(-20cm、-10cm、0cm和10cm),采用开顶箱(opentopchamber,OTC)被动增温方法,进行水位增温协同控制。在该控制样地中,设置了包括水位与增温交互控制在内的6种处理,每种处理重复布设5个样方,共计30个样方,每个样方的水位独立控制。该控制样地的建成将为湿地生态系统过程与功能的相关研究提供强有力的实验支撑。

  关键词:水位增温协同控制;水位自动控制设备;开顶箱;沼泽

  中图分类号:P941.78;X84    文献标识码:A    文章编号:1672-5948(2018)02-114-06

  在水位对湿地生态系统影响的研究中,一般采用两种实验方法。一是在天然湿地中选择立地条件近似、水位存在梯度的样地,开展研究[1~5];二是将湿地中的植物移栽至不同水位的环境中,进行栽培[6,7]。但是,这两种方法都存在一些缺陷。虽然,样地所处的环境背景与天然湿地一致,但是,可能在土壤性质和原生植被等方面存在差异;植物移栽实验虽然对植物和养分进行了控制,但是,气温和相对湿度等背景因素却很难与天然湿地保持一致。为了克服上述缺陷,需要在湿地生态系统中布设原位水位控制实验。在沼泽生态系统中布置原位水位控制实验存在许多难点。一方面,在沼泽中布置隔水样方,虽然可以隔离水分的横向交换,但是,由于土壤的渗透作用,样方内的水体依然与环境水体处于连通状态,水位差将逐渐消失;另一方面,在生态学实验中,要求设置水位梯度,且每种梯度必须具有设置3个以上的重复实验,这就要求水位自动控制设备必须具有多个回路,而且各回路必须独立控制。在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站(以下简称三江站)建设科研样地过程中,设计、改进了一套水位自动控制设备,同时,结合开顶箱(opentopchamber,OTC)被动增温方法,建成了水位增温协同控制样地。在沼泽湿地中实现了原位水位自动控制,补给水源为沼泽积水,这样可以保证样方内水体中的养分浓度基本一致,并且可以实现在无人值守的状态下,自动调整各样方的水位,使其稳定在水位控制区间内。
  1水位增温协同控制样地总体设计
       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)沼泽中,该沼泽为典型的积水沼泽,主要植物群落为毛薹草群落,在毛薹草生长季中,踩踏水深20~40cm。在积水较深的条件下,该沼泽中的毛薹草根茎交织,逐渐形成了漂浮的草根层,通常称为“浮毡层”[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

  根据三江站的长期水文监测数据,以毛薹草生长季的多年平均水位作为基准水位,多年平均最高水位、最低水位都与基准水位相差约10cm。据预测,在全球变化背景下,三江平原地区的降水量将逐渐减少[9],蒸发加剧,湿地趋于干旱,所以,该控制样地的水位设置以水位降低下的研究为主。在控制样地中,共设置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种水位。同时,为了研究气温升高与位变化的协同效应,在0cm和-10cm水位下,设置了与开顶箱交互处理,即总共设置了10cm水位、0cm水位、0cm水位×OTC、-10cm水位、-10cm水位×OTC和-20cm水位6种处理,每种处理5个重复,共30个样方(图1)。

   2水位自动控制设备设计与原理说明

   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台补水泵)、水环真空泵(1台排水泵)、电极式液位计(30个)、补水电磁阀(30个)、排水电磁阀(30个)、远传压力表(1个)、空气压缩机(1台)、真空罐(1个)、气动阀(4个)、30路补水分水器(1个)、30路排水分水器(1个)、补水管路(30路)和排水管路(30路)等组成(图2)。为了防止管路堵塞,在卧式自吸离心泵前端、30路排水管路前端和排水电磁阀前端都加装了过滤器。

   2.1控制中枢设计与说明
   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电极式液位控制器说明
       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)
为例,其余样方的设备工作流程与1号样方相同。
       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
当前状态工作
       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,两各继电器保持当前状态,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

图2样方中的水位自动控制设备示意图
Fig.2 Sketch of automatic water-level control equipment in one subplot

控制中枢电气原理图
图3控制中枢电气原理图
Fig.3 Electrical schematic diagram of control center

电极式液位控制器电路图
图4电极式液位控制器电路图
Fig.4 Circuit diagram of electrode level controller


  3水位控制样方设计与布置
  控制样地的单个样方面积为3m×3m,将2mm厚的304不锈钢板焊接成不透水框架,并在其内部衬以1cm×1cm的304不锈钢方管,以保证在内、外水位存在差异的情况下,样方不会出现变形。样方总体高度为130cm,埋入基准水面以下约90cm。各样方之间相距5m。经实践验证,样方埋入深度在内、外水位相差30cm的情况下,样方内水位变化不超过1cm/24h,这就保证了水位自动控制设备不会频繁启动,以延长其寿命。为了减少仪器维护、观测等人为踩踏对样地的破坏,各样方都通过栈桥连接(见图1)。

  4基于水位增温协同控制样地的研究展望
  目前,在水位增温协同控制样地中已经布设的仪器设备包括土壤大气温湿度观测系统、物候自动观测相机、微根窗、植物固定监测样方等,可以为气候变化背景下沼泽水位变化对植物群落、植物功能性状、土壤微生物群落和土壤生物化学过程等方面的研究提供支撑平台。

  参考文献

  [1]李丽,雷光春,高俊琴,等.地下水位和土壤含水量对若尔盖木里薹草沼泽甲烷排放通量的影响[J].湿地科学,2011,9(2):173-178.

  [2]翟生强,史长光,杜乐山,等.若尔盖泥炭地地下水位和土壤温度对二氧化碳排放的影响[J].湿地科学,2015,13(3):332-337.

  [3]王铭,曹议文,王升忠,等.水位和草丘微地貌对巴音布鲁克高寒沼泽植物群落物种多样性的影响[J].湿地科学,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]张新厚.三江平原“大酱缸”的缔造者——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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