Eco-Watch 生态网络监测系统

1 背景
1966年澳大利亚著名水文与土壤物理学家Philip提出土壤-植物-大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Cotinuum，简称SPAC）的概念。主要内容是：水分经由土壤到达植物根系，进入根系，通过细胞传输进入木质部，由植物的木质部到达叶片，再由气孔扩散到大气中去，最后参与大气的湍流交换，形成一个统一、动态的互反馈连续系统，即土壤-植物-大气连续体（SPAC）系统。在这一连续体中存在物质、能量和信息的传递和交换，土壤、植物和大气是我们研究的对象，而水分在土壤、植物和大气中的传输更是研究的核心内容。

这个早期的SPAC系统的一个较大缺陷是没有考虑地下水在整个系统中的作用。在地下水埋深较浅的地区，土壤-植物-大气连续体中的水分因自然的和人为的作用必然要和地下水发生联系，不同埋深地下水对土壤水分分布和农作物产量、水分利用效率等有着不同程度的影响。

我国著名水文水资源学家刘昌明院士在此基础上提出了“五水”系统的相互作用问题即大气、植物、地表、土壤和地下水层中的水的相互作用和相互关系，也称之为五水转化。土壤-植物-大气（SPAC）系统中的水分因自然的和人为的作用必然要和地下水和地表水相联系。从土壤系统来看，土壤水的来源是大气降水、地下水的上升和人为输入地表水（如灌溉）等等；土壤水的散失，则包括直接由土面逸向大气，通过根系吸水进入植物体后蒸腾到大气中去以及由土壤层下渗到地下水层之中。因此这套“五水”转化理论不仅包括Philip提出的SPAC的内涵，而且有了一定程度的延伸。

SPAC系统的提出不仅指明了全球水问题的微观研究方向，而且加强了水文学跨学科的研究，对国际学术界关于水循环及水分能量平衡研究产生了巨大影响。当代研究土壤水分循环和平衡、土壤-植物水分关系以及地下水-土壤水-地表水-植物水-大气转化水都是以SPAC为基础的。

从国际上看，SPAC系统中的水分传输属于国际前沿课题之一。20世纪90年初期，国际地圈生物圈计划（IGBP）将水文循环生物圈（Biospheric Aspect of Hydrological Cycle）研究做为其四大核心课题之一，极大地促进了国际上对SPAC系统的深入研究。

对SPAC系统的研究始终是国际学术届的焦点。研究水分在地下水-土壤-地表水-植物-大气中的转化过程，已在我国的农业水文水资源、森林生态水文、环境水文、节水农业、灌溉决策、农林气象预报等领域深入展开。泽泉生态开放实验室为协助广大科研工作者更好的开展工作，提出了一套SPAC研究的系统解决方案，希望能对上述领域的科研人员有所帮助。

2 SPAC系统解决方案
2.1 方案目的
以水在大气、植物、地表、土壤和地下水层中的传递为核心，充分考虑植物与大气、土壤与大气、土壤与根系、土壤水与地下水等之间的多个界面过程，提出系统的测量方式，为系统而深入的研究SPAC系统提供解决方案。

土壤-植物-大气连续体（SPAC）系统的主要界面过程

2.2 方案功能
 * 系统研究地下水-土壤-植物-大气连续体（SPAC）中的水分运动
 * 系统研究植物-大气、土壤-大气、土壤-根系、土壤水-地下水等之间的界面过程
 * 长期监测气象指标、植物生理指标、土壤水分指标和地下水指标
 * 测量结果可用于指导灌溉、农业节水、进行农林气象预报等领域
 * 系统的为农业水文水资源、森林生态水文、环境水文等领域服务

2.3 测量指标
1）气象指标
总辐射、光合有效辐射、净辐射、紫外辐射、CO2、风速、风向、温度、湿度、气压、降雨、蒸发等。

2）植物指标
叶片温度、叶片湿度、茎流、茎杆变化、果实变化、叶片水势、茎杆水势、叶绿素含量、气体交换参数（净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、水气压饱和亏等）、叶绿素荧光参数（Fv/Fm、F/Fm、qL、qP、qN、NPQ、Y(NO)、Y(NPQ)、ETR等）、叶面积指数、植被指数、冠层参数、株高、根水势、根长、根量、根体表面积、根体积、根角、根深、根系在土壤中的分布等。

3）土壤指标
土壤水分、土壤水势、土壤温度、土壤盐分、土壤热通量、土壤蒸散、土壤紧实度、土壤粒径、土壤导水率等。

4）地下水指标
水位、水温、pH、电导率、溶解氧、浊度等。

3 方案所需设备和技术参数
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4 展望
方案所涉及的测量方法涵盖了SPAC研究的植物与大气、土壤与大气、土壤与根系、土壤水与地下水等之间的多个界面过程，为进行SPAC研究的科研人员提供了很好的参考。本方案中的SPAC集成监测系统能够对包括大气、植物、土壤、地下水等在内的近30个常用指标进行连续监测，并在实验室内实时分析数据。其它提到的设备都是特别适合野外使用的便携式设备，是植物生理和土壤水分研究的代表性技术，并在国际学术界得到了广泛应用。无论科研人员是集中于某一个界面研究，还是涉及所有的界面，都可以在这套方案中找到需要的技术。相信随着本方案的普及和SPAC研究的逐步深入，科研人员在农业水文水资源、森林生态水文、环境水文、节水农业、灌溉决策、农林气象预报等领域的工作会取得越来越大的成果。

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