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濕地是地球上*為重要的生態(tài)系統(tǒng)類型,具有巨大的環(huán)境功能和效益,在提供水源、補(bǔ)充地下水、抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、蓄洪防旱、控制污染、調(diào)節(jié)氣候、控制土壤侵蝕等方面有其它系統(tǒng)不可替代的作用,被譽(yù)為“地球之腎”。
濕地地下水生態(tài)觀測(cè)蒸滲儀通過地下水位模擬控制系統(tǒng)、精準(zhǔn)稱重系統(tǒng)、根系觀測(cè)單元、氣體通量觀測(cè)單元、溶質(zhì)在線分析單元等,原位(In-situ)觀測(cè)或異地(Ex-situ)模擬觀測(cè)地下水位變化(0-2m)與濕地土壤蒸散、滲漏、降雨及溶質(zhì)運(yùn)移的即時(shí)(高時(shí)間分辨率)動(dòng)態(tài)變化關(guān)系,研究分析濕地土壤水通量、溶質(zhì)通量、氣體通量、持水狀況等與地下水位的動(dòng)態(tài)關(guān)系,適于三角洲、河灘及洪泛平原、泥炭地、高山濕地及其它地下水位較淺(常年一般維持在0-2m)的土地類型。
濕地地下水生態(tài)觀測(cè)蒸滲儀由德國(guó)UFZ環(huán)境研究中心Meissner教授與德國(guó)UGT公司研制(Patent-No.: 19907462),利用公司特制的原位取土系統(tǒng)采取原位濕地土柱,采用精確的地下水控制系統(tǒng),可精確重現(xiàn)真實(shí)的野外條件。原位濕地地下水生態(tài)觀測(cè)蒸滲儀直接安裝在濕地現(xiàn)場(chǎng)(如圖一所示),蒸滲儀底部經(jīng)由平衡水箱通過壓力轉(zhuǎn)換器和流量表直接與外界環(huán)境(河流或湖泊水體、濕地地下水)相通。異地濕地地下水生態(tài)觀測(cè)蒸滲儀可以安裝在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)濕地的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(比如研究所院內(nèi)等),原位地下水位經(jīng)由實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸,及時(shí)在線調(diào)控蒸滲儀水位(如圖二所示),使蒸滲儀水位一直保持與原位濕地水位一致。如果目標(biāo)水位(原位水位)與蒸滲儀內(nèi)的水位相差1cm或以上,地下水位模擬控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)調(diào)節(jié)機(jī)制,使蒸滲儀與原位濕地水位始終保持一致。
1. 原位土柱
2. 溫度、TDR、水勢(shì)等傳感器及溶液取樣器等。
3. 地下水水位
4. 濾層
5. 稱重系統(tǒng)
6. 平衡箱
7. 儲(chǔ)水罐
8. 調(diào)節(jié)閥
9. 數(shù)據(jù)采集器
圖二 安裝在異地試驗(yàn)場(chǎng)的濕地地下 水生態(tài)觀測(cè)蒸滲儀
地下水位模擬控制系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)理為:當(dāng)水位出現(xiàn)不一致(相差1cm)時(shí),首先關(guān)閉蒸滲儀和平衡水箱的閥門,然后向平衡水箱注水(或從中抽水),注水水源來(lái)自儲(chǔ)水罐(抽出的水會(huì)存放在儲(chǔ)水罐)。此后關(guān)閉儲(chǔ)水罐和平衡水箱間的閥門,打開平衡水箱和蒸滲儀間的閥門,使得蒸滲儀和平衡水箱水位進(jìn)行平衡。此過程反復(fù)進(jìn)行,直到蒸滲儀水位達(dá)到目標(biāo)水位。
濕地地下水生態(tài)觀測(cè)蒸滲儀每分鐘即可稱量記錄一次。不僅是降雨、蓄水,還可記錄括露水、霜、降雪、沙塵等輕微輸入,使得即使是較小的蒸散也可記錄到。將15分鐘數(shù)據(jù)的平均,以減小風(fēng)或野外動(dòng)物的影響。水分平衡公式如下所示:
P + Pond = Et + ( Rout– Rin) ± Δ S
其中P是降雨量, Pond是表面蓄水,Et是蒸散,Rin是地下水流入,Rout是地下水流出,Δ S是持水量改變。
一旦水分平衡公式中各組分精確測(cè)量計(jì)算出后,溶質(zhì)平衡情況可由如下公式計(jì)算出:
L=Cs×S
其中L為溶質(zhì)輸入,Cs為滲漏溶質(zhì)濃度,S為滲漏液體積
技術(shù)指標(biāo):
1. 蒸滲儀規(guī)格:表面積1m2,高2m;濾層25cm;可根據(jù)需要定制其它規(guī)格的蒸滲儀
2. 裝土類型:特別設(shè)計(jì)的濕地取土系統(tǒng)取原位濕地土柱
3. 高精度稱重系統(tǒng),分辨率:0.01mm,采樣頻率1min,15min平均一次
4. 滲漏測(cè)量:翻斗計(jì)數(shù)器,精確度0.1mm
5. 高精度即時(shí)地下水位模擬控制系統(tǒng),精確度1cm
6. BTC-100微根窗根系生態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)(備選)觀測(cè)根系生長(zhǎng)狀況
7. 氣體通量觀測(cè)單元用于測(cè)量分析濕地土壤CO2、O2和甲烷通量(備選):
氣體抽樣模塊具Baseline配置,可手動(dòng)或自動(dòng)定時(shí)切換測(cè)量大氣CO2、O2等氣體含量(baseline)和呼吸室內(nèi)CO2、O2等氣體含量,從而更加精確地測(cè)量監(jiān)測(cè)土壤氣體通量
內(nèi)置溫度和大氣壓傳感器,溫度壓力自動(dòng)補(bǔ)償,高穩(wěn)定性、高精確度
氧氣測(cè)量分析:燃料電池O2分析儀,不受水汽、CO2及其它氣體的影響,測(cè)量范圍1-100%,分辨率0.001%
二氧化碳測(cè)量分析:雙波段非色散紅外技術(shù),測(cè)量范圍0-5%,分辨率0.0001%
CH4分析器(外置備選):雙波段非色散紅外技術(shù),量程0-10%,精度優(yōu)于1%,分辨率1 ppm/0.0001%
8. 在線原位測(cè)量分析總氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮等
9. 傳 輸:無(wú)線傳輸,用戶可在ENVIdata服務(wù)器上下載;若用戶有固定IP,可
直接傳輸至用戶服務(wù)器
10. 傳 感 器:土壤水勢(shì)、TDR土壤含水量、溫度傳感器,可根據(jù)用戶要求選擇不同傳感器。
11. 安裝層數(shù):標(biāo)準(zhǔn)30、60、90、120cm深處,每層均安裝各種傳感器。
國(guó)外應(yīng)用:
Doerthe Bethge-Steffense等(2004)利用濕地蒸滲儀控制地下水狀況研究了2003年2月對(duì)德國(guó)schönbergg Deich 和W örlitz濕地的地下水位、土壤含水量、土壤水量平衡(降雨、蒸散、滲漏等)進(jìn)行了研究。在研究濕地采用梯度氣象站監(jiān)測(cè)環(huán)境因子,包括土壤溫度、水勢(shì)、含水量,降雨,空氣溫濕度,地下水位傳送給蒸滲儀的控制中心。研究**直接得到了蒸散和滲漏,結(jié)果顯示濕地土壤含水率受濕地的地下水位動(dòng)態(tài)影響,受蒸散影響有限。在水量平衡中,蒸散和滲漏使得土壤水儲(chǔ)量減少,而這是2月降雨無(wú)法補(bǔ)償?shù)摹?/p>
參考文獻(xiàn):
1. Doerthe Bethge-Steffens, Ralph Meissner, and Holger Rupp (2004) Development and practical test of a weighable groundwater lysimeter for floodplain sites. J. Plant Nutr. Soil Sci, 167, 516-524
R. Meißner , M. N. V. Prasad, G. Du Laing and J. Rinklebe(2010) Lysimeter application for measuring the water and solute fluxes with high precision. CURRENT SCIENCE, VOL. 99 NO. 5 601-607.
R. Meißner and Manfred Seyfarth (2004). Measuring water and solute balance with new lysimeter techniques. SuperSoil 2004: 3rd Australian New Zealand Soils Conference, 5 – 9 December 2004, University of Sydney, Australia. 1-8
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