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ENVIRON EXP BOT | “智慧型”高精度蒸渗仪SFL在高山草原生态系统水分利用效率研究中的应用

来源:北京力高泰科技有限公司 发布时间:2020-07-29 10:57:03 点击数:110 使用提问 咨询价格

原文以Drought- and heat-induced shifts in vegetation composition impact biomass production and water use of alpine grasslands 为标题发表在2020年的《Environmental and Experimental Botany》上。

作者 | Elena Tello-García等
翻译 | 子毅、祝介东、王军

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气候模型预测,高山草原生态系统的干旱事件将会更加频发。降水格局的改变和全球变暖所导致的蒸散量增加是其主要原因。

预计,该生态系统的群落组成将会根据土壤水分含量和潜在蒸发散的变化而进行调整。植物在生理策略方面的差异和种间竞争关系可能会优化整个生态系统的水分利用效率。

主要发现

● 干旱的影响力仅在土壤水势接近PWP时才得以体现;
● 严重干旱后,豆类和草类植物对再润湿的生理响应不同;
● 群落物种组成的转变提高了高山草原生态系统的水分利用效率。

干旱和增温控制实验表明,仅在最强等级的干旱处理条件下,例如,当土壤水势达到永久枯萎点时,生态系统蒸发散和生物量才会减少。

在植物功能组水平上,叶片气孔计的测量数据表明,在干旱事件中,豆类和草类植物的蒸腾作用下降程度类似,但在再湿润阶段,它们之间存在明显差异。

豆类植物在再湿润阶段恢复速度慢,而草类植物则能很快复原,蒸腾作用显著提高,生物量甚至可以超过没有经历干旱的实验处理。物种之间的这种差异导致了群落组成发生了变化:从豆类向草类植物的转变。

干旱所引发的高山草原生态系统物种组成的此消彼长,提高了该生态系统的水分利用效率。

原文链接

在该项研究中,科学家们使用METER公司制造的“智慧型”高精度蒸渗仪Smart Field Lysimeter,在群落以及植物功能组水平上,研究了高山草原生态系统对干旱和高温的响应。

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图1 智慧型高精度蒸渗仪Smart Field Lysimeter

该新型蒸渗仪具备以下特点:

具“双向泵”的土壤水势控制系统

传统蒸渗仪内部土壤很容易积水或变干,从而和自然状态下土壤的水分状况存在显著差异,这影响了采集数据的代表性和可靠性。METER公司的这款“智慧型”蒸渗仪,由原德国UMS公司研发,具“双向泵”组件,可精确调控蒸渗仪内外的土壤水势保持一致。

这一系统由以下三部分构成:(1)蒸渗仪底部水势测量组件;(2)同水平自然土壤水势测量组件;(3)“双向泵”控制组件。

该系统会定时对比蒸渗仪底部和同深度自然土壤的水势数据:如果蒸渗仪内部土壤水势高,“双向泵”系统会自动启动抽水,使得蒸渗仪内部的土壤水势下降;反之“双向泵”系统会自动启动供水,目标是确保蒸渗仪内部土壤水势始终和和自然土壤的保持一致。研究表明,这显著提高了蒸渗仪的数据质量(Conall Ruth等,2017)。

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图2 具“双向泵”的土壤水势控制系统

“智能”排水功能

智慧型蒸渗仪的结构分内外两层。在雨季,内外桶之间夹层有可能存在积水,传感器、精密天平等均处于内外层之间,因此,确保该夹层中没有积水至关重要。智慧型蒸渗仪自带感应模块,一旦发生积水,外置泵立即自动启动,将夹层中的积水排出。

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图3 带“智能”排水功能的蒸渗仪

0.3g精度天平

智慧型蒸渗仪还配有Meter制造的高精度天平,以PL-50为例,精度为0.3g。这意味着,如果一滴雨的质量是0.05g,那么6滴雨点落到蒸渗仪上所产生的质量变化,智慧型蒸渗仪就可以把它测出来。

图4 雨滴的下落

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图5 PL-50高精度(0.3g精度)天平

RS485通讯总线,
所有数据电缆汇成一根

虽然智慧型蒸渗仪配备多个传感器:3个深度的土壤水分传感器5TE、3个深度的土壤水势传感器TEROS21、蒸渗仪底部土壤水势传感器、夹层水分感知传感器、高精天平传感器等,但所有传感器都汇聚在Distribution Box集线盒上,最终仅通过一根数据线缆和数采连接,最大程度上减少了对测量称重的影响。

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图6 所有传感器都汇聚在Distribution Box集线盒上

“一拖四”:一个数采控制四台蒸渗仪

为了增强数据的代表性,实验往往需要设置重复。智慧型蒸渗仪可通过一个数采,同时连接、控制四台蒸渗仪,接口即插即用,无需编程。

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图7 “一拖四”的设计

“云数据”:野外数据随时查看

智慧型蒸渗仪配备无线通讯模块,您可以随时随地登录云端,查看仪器状态、更改配置,查看和下载数据。

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图8 Data Taker数据管理界面

P.S. 最近,在青海玉树,力高泰技术部协助中国农业科学院草原研究所的学者安装了两套智慧型高精度蒸渗仪SFL。这里是高寒草甸生态系统。这将帮助研究者深入了解该生态系统的水分利用效率。

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