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ENVIRON EXP BOT | “智慧型”高精度蒸滲儀SFL在高山草原生態系統水分利用效率研究中的應用

來源:北京力高泰科技有限公司 發布時間:2020-07-29 10:57:03 點擊數:492 使用提問 咨詢價格

原文以Drought- and heat-induced shifts in vegetation composition impact biomass production and water use of alpine grasslands 為標題發表在2020年的《Environmental and Experimental Botany》上。

作者 | Elena Tello-García等
翻譯 | 子毅、祝介東、王軍

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氣候模型預測,高山草原生態系統的干旱事件將會更加頻發。降水格局的改變和全球變暖所導致的蒸散量增加是其主要原因。

預計,該生態系統的群落組成將會根據土壤水分含量和潛在蒸發散的變化而進行調整。植物在生理策略方面的差異和種間競爭關系可能會優化整個生態系統的水分利用效率。

主要發現

● 干旱的影響力僅在土壤水勢接近PWP時才得以體現;
● 嚴重干旱后,豆類和草類植物對再潤濕的生理響應不同;
● 群落物種組成的轉變提高了高山草原生態系統的水分利用效率。

干旱和增溫控制實驗表明,僅在最強等級的干旱處理條件下,例如,當土壤水勢達到永久枯萎點時,生態系統蒸發散和生物量才會減少。

在植物功能組水平上,葉片氣孔計的測量數據表明,在干旱事件中,豆類和草類植物的蒸騰作用下降程度類似,但在再濕潤階段,它們之間存在明顯差異。

豆類植物在再濕潤階段恢復速度慢,而草類植物則能很快復原,蒸騰作用顯著提高,生物量甚至可以超過沒有經歷干旱的實驗處理。物種之間的這種差異導致了群落組成發生了變化:從豆類向草類植物的轉變。

干旱所引發的高山草原生態系統物種組成的此消彼長,提高了該生態系統的水分利用效率。

原文鏈接

在該項研究中,科學家們使用METER公司制造的“智慧型”高精度蒸滲儀Smart Field Lysimeter,在群落以及植物功能組水平上,研究了高山草原生態系統對干旱和高溫的響應。

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圖1 智慧型高精度蒸滲儀Smart Field Lysimeter

該新型蒸滲儀具備以下特點:

具“雙向泵”的土壤水勢控制系統

傳統蒸滲儀內部土壤很容易積水或變干,從而和自然狀態下土壤的水分狀況存在顯著差異,這影響了采集數據的代表性和可靠性。METER公司的這款“智慧型”蒸滲儀,由原德國UMS公司研發,具“雙向泵”組件,可精確調控蒸滲儀內外的土壤水勢保持一致。

這一系統由以下三部分構成:(1)蒸滲儀底部水勢測量組件;(2)同水平自然土壤水勢測量組件;(3)“雙向泵”控制組件。

該系統會定時對比蒸滲儀底部和同深度自然土壤的水勢數據:如果蒸滲儀內部土壤水勢高,“雙向泵”系統會自動啟動抽水,使得蒸滲儀內部的土壤水勢下降;反之“雙向泵”系統會自動啟動供水,目標是確保蒸滲儀內部土壤水勢始終和和自然土壤的保持一致。研究表明,這顯著提高了蒸滲儀的數據質量(Conall Ruth等,2017)。

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圖2 具“雙向泵”的土壤水勢控制系統

“智能”排水功能

智慧型蒸滲儀的結構分內外兩層。在雨季,內外桶之間夾層有可能存在積水,傳感器、精密天平等均處于內外層之間,因此,確保該夾層中沒有積水至關重要。智慧型蒸滲儀自帶感應模塊,一旦發生積水,外置泵立即自動啟動,將夾層中的積水排出。

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圖3 帶“智能”排水功能的蒸滲儀

0.3g精度天平

智慧型蒸滲儀還配有Meter制造的高精度天平,以PL-50為例,精度為0.3g。這意味著,如果一滴雨的質量是0.05g,那么6滴雨點落到蒸滲儀上所產生的質量變化,智慧型蒸滲儀就可以把它測出來。

圖4 雨滴的下落

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圖5 PL-50高精度(0.3g精度)天平

RS485通訊總線,
所有數據電纜匯成一根

雖然智慧型蒸滲儀配備多個傳感器:3個深度的土壤水分傳感器5TE、3個深度的土壤水勢傳感器TEROS21、蒸滲儀底部土壤水勢傳感器、夾層水分感知傳感器、高精天平傳感器等,但所有傳感器都匯聚在Distribution Box集線盒上,最終僅通過一根數據線纜和數采連接,最大程度上減少了對測量稱重的影響。

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圖6 所有傳感器都匯聚在Distribution Box集線盒上

“一拖四”:一個數采控制四臺蒸滲儀

為了增強數據的代表性,實驗往往需要設置重復。智慧型蒸滲儀可通過一個數采,同時連接、控制四臺蒸滲儀,接口即插即用,無需編程。

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圖7 “一拖四”的設計

“云數據”:野外數據隨時查看

智慧型蒸滲儀配備無線通訊模塊,您可以隨時隨地登錄云端,查看儀器狀態、更改配置,查看和下載數據。

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圖8 Data Taker數據管理界面

P.S. 最近,在青海玉樹,力高泰技術部協助中國農業科學院草原研究所的學者安裝了兩套智慧型高精度蒸滲儀SFL。這里是高寒草甸生態系統。這將幫助研究者深入了解該生態系統的水分利用效率。

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