一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法，测定蒸散量的传感器包括一个测定土壤蒸发量的九针热脉冲探头、一个测定茎秆粗壮植物茎流的三针热脉冲探头及一个适用于茎秆尺寸细小植物的包裹式茎流计。九针探头包括布置在T形探头手柄中的五根温度感应探针和四根加热探针。本发明专利技术还同时提供了利用上述装置所进行蒸散量估算的方法。本发明专利技术具有原位监测、对土壤和植被扰动小、自动化程度高、使用便捷等优点，可以连续自动测定不同深度表层土壤的温度变化及土壤热特性及植物的蒸腾量。采用本发明专利技术能够获得森林及农田系统的蒸散量。

A Measuring System of Evapotranspiration in Compound Ecosystem and Its Operating Method

【技术实现步骤摘要】
一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法
本专利技术属于农业
，涉及一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法，具体地说，涉及一种基于热脉冲技术的复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法。
技术介绍
土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的水分流动包括土壤表面的蒸发量和植物的蒸腾量，即蒸散量。目前常用的蒸发量测定和估算技术主要包括蒸渗仪法、水量平衡法、波文比能量平衡法、涡度相关法、空气动力学方法、遥感技术及Penman-Monteith经验公式等。但是这些方法无法获得土壤中或近地面蒸发量，也无法获得蒸散量的分量及不同类型植物的蒸腾量。植物在蒸腾过程中，水分从土壤进入到根系，再通过植物茎秆输送至叶片，最终通过叶片的气孔散发到空气中，在这一过程中植物茎秆中的液体一直处于流动状态，而植物茎秆中液流量的大小可以反映出植物蒸腾量的变化，因此，测定植物茎秆液流量可以确定植物的蒸腾量。而土壤的蒸发量可以通过测定土壤的热特性及其温度动态来获取土壤热通量及热储量变化特征，根据热量平衡原理得到土壤潜热通量并换算为土壤蒸发量的方法来获得。目前，热脉冲技术是分别应用于土壤学测定土壤蒸发量和植物蒸腾量的一项技术。热脉冲技术的原理是通过监测热源在各向同性的介质中产生的温度场变化特征，并通过求解热传导方程来获得土壤或植物介质的热物理参数(如热导率、热容量、热扩散系数等)、土壤水分及植物茎流速度的一种方法。但是如何将热脉冲技术用于原位连续自动测定土壤蒸发，茎秆粗壮植物茎流、茎秆细小植物的茎流并用于估算复合生态系统的蒸散量是有待解决的一项技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法。该系统是一种同时测定土壤原位蒸发量、茎秆粗壮植物茎秆液流量及茎秆细小植物茎秆液流量的传感器系统，该传感器系统将更加有助于应用热脉冲技术获取复合生态系统的蒸散量。其技术方案如下：一种复合生态系统蒸散量测量系统，包括九针热脉冲土壤蒸发量探头1、三针植物茎流计2、包裹式植物茎流计3、数据通信电缆4和电源、数据采集及传输系统5，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头1安装在土壤表层上，所述三针植物茎流计2安装在粗壮植物茎秆上，所述包裹式植物茎流计3安装在细小植物茎秆上，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头1、三针植物茎流计2、包裹式植物茎流计3和电源、数据采集及传输系统5通过数据通信电缆4依次连接。该系统连接在同一数据采集器或不同的数据采集器上。进一步，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头由四个部件构成：一个包含两根根温度感应探针和一根加热探针的三针倒T型部件及三个包含一根温度感应探针和一根加热探针的两针“工型”部件。所述的九针热脉冲土壤蒸发量探头的三针倒T型部件及两针“工型”部件是可替换的。所述的九针热脉冲土壤蒸发量探头的两针“工型”部件的数量可根据需要增减，用于测定不同厚度土层的蒸发量。所述的九针热脉冲土壤蒸发量探头的三针倒T型部件尺寸为：长16mm×宽10mm×厚10mm，部件下部两侧各有一个3mm的矩形突起10作为部件连接扣8。该九针热脉冲土壤蒸发量探头的三针倒T型部件上距离上边缘1mm的中轴线位置处布置一根九针热脉冲土壤蒸发量探头温度探针6，然后沿中轴线向下边沿依次间隔6mm各布置一根九针热脉冲土壤蒸发量探头加热探针7和一根九针热脉冲土壤蒸发量探头温度探针6。所述两针“工型”部件尺寸为：长12mm×宽10mm×厚10mm部件上下两端两侧各有一个3mm的矩形突起10作为部件连接扣8。该部件由居于中轴线线上的一根温度探针和一根加热探针构成，二者相距6mm，两根探针与对应上下边缘相距3mm。所述九针热脉冲土壤蒸发量探头的温度探针的有效长度为20mm，在该探针顶点处含有一温度感应元件11。所述九针热脉冲土壤蒸发量探头的加热探针长为40mm。加热电阻丝12伸入到加热探针的顶端；距离所述探针顶点20mm处含有一个温度感应元件11。进一步，所述的三针热脉冲植物茎流计探头包含3个部件：一个单针加热探针部件及两个单针温度探针部件。所述各部件尺寸为：长6mm×宽6mm×厚30mm。在所述三针热脉冲植物茎流计探头的单针加热探针探头手柄9中心处布置一根温度探针或一根加热探针。所述三针热脉冲植物茎流计探头的温度探针部件及加热探针部件包含五种有效长度：30mm、70mm、110mm、150mm、190mm、230mm、270mm。实际使用时根据树木直径选择相应的有效长度，且一个加热探针部件及两个温度探针部件选用同一有效长度组合使用。所述三针热脉冲植物茎流计探头的温度探针部件，从该探针部件手柄10mm距离位置起，每10mm放置一个温度感应元件11。所述三针热脉冲植物茎流计探头的加热探针部件，加热电阻丝12伸入到加热探针的顶端；从该探针部件手柄10mm距离位置起，每10mm放置一个温度感应元件11。各所述加热探针和温度探针的温度感应元件11为NTC热敏电阻或E型、K型、T型热电偶之一。各所述加热探针中的加热电阻丝的总阻值为500～1000Ωm-1。对于各所述温度探针和加热探针，在不锈钢钢管14与温度感应元件11及加热电阻丝12之间的空隙间填充有导热环氧树脂13。各所述温度探针及加热探针中的元件由不锈钢钢管14保护，该不锈钢钢管14外径为2.54mm，壁厚为0.54mm，不锈钢钢管14顶部进行锐化处理便于插入土壤或茎秆中去。所述三针倒T型部件手柄、两针“工型”部件手柄、单针加热探针部件、单针温度探针部件的手柄是使用聚氯乙烯PVC或绝热环氧树脂材料灌入模具在探针尾部凝固形成。进一步，所述三针植物茎流计的辅助钻孔器上设有不锈钢手柄16，其尺寸为：长40mm×宽10mm×厚10mm，所述不锈钢手柄上包含3个间距为15mm，内径为2.54mm的预留钻孔用于引导三针植物茎流计探针插入树木茎秆。进一步，所述包裹式植物茎流计3，其设计类似于可调节的充气式血压计。所述包裹式植物茎流计3探头包括：外隔水绝热绝缘材料层17、充气气囊18、内绝热层绝缘材料层19、加热板21、热电堆22、压力和温度感应元件11。所述外隔水绝热绝缘材料层17和内绝热层绝缘材料层19为隔水绝热材料，长50～800mm，宽40～100mm。所述外层绝热绝缘材料层17和内绝热层绝缘材料层19中空位置内设有通过进出气管与空气泵连接的环形充气气囊18。所述隔水绝热材料外侧有粘扣20，可根据植物茎秆粗细调节。所述内绝热绝缘材料层19上附有加热板21。所述加热板21中央位置上附有一线性热电堆22。所述加热板21为质地柔软、可折叠，其尺寸为：长800mm，宽30～90mm。距所述加热板21上下边缘5mm处各放置一对温度感应元件11及压力检测传感元件和报警器24。所述压力检测传感器用于控制气囊加压，报警器用于检测失效探头。一种复合生态系统蒸散量测量系统的操作方法，包括以下步骤：步骤1、选择需要布设复合生态系统蒸散量测量系统的地点，准备好相关仪器及辅助工具和材料(如铁锹、取样刀、线缆等)。步骤2、复合生态系统蒸散量测量系统的九针热脉冲土壤蒸发量探头的使用：第一步，传感器田间安装。在田间挖一个长50mm×宽100mm×深60mm的土坑，用刮刀将欲插入探针的土壤垂直面整理平整并保持土壤原有结构。第二步，将九针热脉冲土壤蒸发量探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于：包括九针热脉冲土壤蒸发量探头(1)、三针植物茎流计(2)、包裹式植物茎流计(3)、数据通信电缆(4)和电源、数据采集及传输系统(5)，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头(1)安装在土壤表层上，所述三针植物茎流计(2)安装在粗壮植物茎秆上，所述包裹式植物茎流计(3)安装在细小植物茎秆上，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头(1)、三针植物茎流计(2)、包裹式植物茎流计(3)和电源、数据采集及传输系统(5)通过数据通信电缆(4)依次连接；该系统连接在同一数据采集器或不同的数据采集器上。

【技术特征摘要】
1.一种复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于：包括九针热脉冲土壤蒸发量探头(1)、三针植物茎流计(2)、包裹式植物茎流计(3)、数据通信电缆(4)和电源、数据采集及传输系统(5)，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头(1)安装在土壤表层上，所述三针植物茎流计(2)安装在粗壮植物茎秆上，所述包裹式植物茎流计(3)安装在细小植物茎秆上，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头(1)、三针植物茎流计(2)、包裹式植物茎流计(3)和电源、数据采集及传输系统(5)通过数据通信电缆(4)依次连接；该系统连接在同一数据采集器或不同的数据采集器上。2.根据权利要求1所述的复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于：所述九针热脉冲土壤蒸发量探头由四个部件构成：一个包含两根根温度感应探针和一根加热探针的三针倒T型部件及三个包含一根温度感应探针和一根加热探针的两针工型部件。3.根据权利要求1所述的复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于所述的九针热脉冲土壤蒸发量探头的三针倒T型部件尺寸为：长16mm×宽10mm×厚10mm，部件下部两侧各有一个3mm的矩形突起(10)作为部件连接扣(8)；该九针热脉冲土壤蒸发量探头的三针倒T型部件上距离上边缘1mm的中轴线位置处布置一根九针热脉冲土壤蒸发量探头温度探针(6)，然后沿中轴线向下边沿依次间隔6mm各布置一根九针热脉冲土壤蒸发量探头加热探针(7)和一根九针热脉冲土壤蒸发量探头温度探针(6)；所述两针工型部件尺寸为：长12mm×宽10mm×厚10mm部件上下两端两侧各有一个3mm的矩形突起(10)作为部件连接扣(8)；该部件由居于中轴线线上的一根温度探针和一根加热探针构成，二者相距6mm，两根探针与对应上下边缘相距3mm；所述九针热脉冲土壤蒸发量探头的温度探针的有效长度为20mm，在该探针顶点处含有一温度感应元件(11)；所述九针热脉冲土壤蒸发量探头的加热探针长为40mm；加热电阻丝(12)伸入到加热探针的顶端；距离所述探针顶点20mm处含有一个温度感应元件(11)。4.根据权利要求1所述的复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于，所述的三针热脉冲植物茎流计探头包含3个部件：一个单针加热探针部件及两个单针温度探针部件；所述各部件尺寸为：长6mm×宽6mm×厚30mm；在所述三针热脉冲植物茎流计探头的单针加热探针探头手柄(9)中心处布置一根温度探针或一根加热探针；此外，该三针植物茎流计附带一个辅助钻孔器。5.根据权利要求1所述的复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于，所述三针热脉冲植物茎流计探头的温度探针部件及加热探针部件包含五种有效长度：30mm、70mm、110mm、150mm、190mm、230mm、270mm；所述三针热脉冲植物茎流计探头的温度探针部件，从该探针部件手柄10mm距离位置起，每10mm放置一个温度感应元件(11)。6.根据权利要求1所述的复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于，所述三针热脉冲植物茎流计探头的加热探针部件，加热电阻丝(12)伸入到加热探针的顶端；从该探针部件手柄10mm距离位置起，每10mm放置一个温度感应元件(11)。7.根据权利要求6所述的复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于，各所述加热探针和温度探针的温度感应元件(11)为NTC热敏电阻或E型、K型、T型热电偶之一；各所述加热探针中的加热电阻丝的总阻值为500～1000Ωm-1；对于各所述温度探针和加热探针，在不锈钢钢管(14)与温度感应元件(11)及加热电阻丝(12)之间的空隙间填充有导热环氧树脂(13)；各所述温度探针及加热探针中的元件由不锈钢钢管(14)保护，该不锈钢钢管(14)外径为2.54mm，壁厚为0.54mm，不锈钢钢管(14)顶部进行锐化处理便于插入土壤或茎秆中去。8.根据权利要求1所述的复合生态系统蒸散量测量系统，其特征在于，所述三针植物...

【专利技术属性】
技术研发人员：何海龙，刘扬，王佳铭，王愿斌，吕家珑，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61