观测方法与研究

1 引言 水体富营养化的危害已众所皆知，长期以来人们对工业等典型点污染源、农业面污染源乃至流域及区域水污染给予大量关注，并做出了辛勤的工作，取得的明显成效。但是，一种新的污染源－来自于污染大气中的富营养物质正在日益严重影响着水体，而对该方面的研究目前尚少。 污染大气含有气态污染物、颗粒态污染物及细小液滴。大气一个重要的特性是大气沉降，包括干沉降(dry deposition)和湿沉降(wet deposition)。大气气团及颗粒物直接迁移到地表的形式为干沉降，大气中物质通过降水(如雨、雾、雪、雹等)的形式迁移到地表为湿沉降。酸雨（acid rain），也叫酸性降水，是指pH5.60的降水。 大气沉降过程对环境与水体的影响起步于酸雨的研究。近几十年来，国内外对各地降水化学和酸雨污染问题进行了较多的研究，监测方法和技术都相对成熟，并积累了大量的监测资料和降水数据，为大气降水的研究奠定了基础。但是，无论是酸雨还是干湿沉降对湖泊、河流、近海海洋等水体的营养物质输送，至今报道很少。人们对大气沉降的组成与沉降量能否对水体形成一个新的污染源至今还没有完整的认识。2 观测系统设计2.1 目标 该观测系统通过与样品有接触的所有材料、漏斗和收集盘尺寸均满足VDI-3871推荐标准的不锈钢主体样品收集单元，自动连续采集干湿沉降，并可同时自动监测pH值、电导率、降雨量、降雨时间和收集时间等参数。然后对收集到的干湿沉降样品，采用激光光谱元素分析单元对河湖、流域不同观测点的干湿沉降量及其组成成分进行精确分析，从而为了解干湿沉降对河湖和流域等水体的营养物质输送规律、对水体富营养化的贡献率以及研究大气干湿沉降颗粒污染物对河湖流域及滨岸带生态系统的影响及响应机制等提供基础数据和科学依据。2.2 观测/采样点布设 选取具有代表性的典型区域作为观测/采样样地，安置干湿沉降采集器。观测点位应尽可能的远离局部污染源，四周无遮挡雨、雪的高大树木或建筑物。观测点数目，根据研究的目的和需要来确定。要尽可能照顾到气象地形、地貌。若观测点处于森林生态系统，林外干湿沉降的同时通常要收集林内穿透雨，因此林内外通常各设一个观测/采样点或几个。 各采样点常同时采集土壤或水样进行同步分析来说明干湿沉降对下垫面理化性质的影响。2.3 采样频率 干湿沉降物样本采集频率根据各研究目的和需要而定。 湿沉降通常于每次降水后马上进行取样分析，对于长期监测也可每月采集一次；干沉降通常每月采集一次，也有长期监测每年采集一次，各次干沉降采集要保证采集前期及采集过程无降水。2.4 测量指标观测目标测量指标生态系统初级生态力N、P、S重金属污染Pb（铅）、Hg（汞）、As（砷）、Cd（镉）等重金属物质循环传输痕量元素乃至整个元素周期表上各种元素2.5 观测系统组成 J200-Tandem河湖、流域干湿沉降观测系统由干湿沉降采样器、激光光谱元素分析单元和系统分析软件共同组成。3 数据处理1）利用多功能系统软件，优化采样方法有效识别发射峰，并进行统计分析。此外，利用化学统计分析软件模块，通过预先设定的或宽范围光谱特征识别和分类样品的不同组分；2）利用光谱数据库软件，选择一组或全部元素进行谱线筛查，快速、准备地识别样品的谱峰；3）利用强大的光谱分析工具：任意选取谱线及背景，自动计算峰值下的面积，提供谱线的“净”强度；4）选取光谱段，自动去除背景强度，为以后的分析提供高质量光谱数据；5）可采用各种数据格式保存谱线，并随时调用作比较分析；6）系统软件采用多激光脉冲技术在信号采集时同时进行光谱强度统计分析，将结果用于优化采样方法；7）制定标定曲线，完成高精度定量分析；8) 利用系统软件所提供得多种数据分析工具，如：PCA、PLS、多参数线性回归、化学统计分析等，将随机样品的谱线与数据库中的谱线进行比较，得到复杂的、多组分样品的定量分析结果。

ETran地表蒸散观测系统作为水循环的重要环节，地表蒸散或称蒸发散（Evapotranspiration），是气候和生态学观测研究的重要参数，其测量方法有水平衡法、微气象法及植物生理学方法等，其中蒸渗仪技术是目前公认的基于水量平衡原理直接测量地表蒸散的唯一方法，波文比能量平衡法则是根据微气象学原理测算地表蒸散的比较普遍的方法，植物茎流测量则是植物生理学方法中测量植物蒸腾作用的重要也是主要手段。通过几种方法的综合运用，可以全面分析研究地表的蒸发散及其各气候要素的相互关系，深入分析各气候要素与土壤蒸发、植物蒸腾、植被生长及土壤水分等的动态变化格局。ETran地表蒸散观测系统由可移动式小型蒸渗仪、波文比自动气象站及茎流观测系统组成，可全面监测分析土壤水分动态、植物茎流、地表蒸发散、气象要素动态变化及其相互关系。其主要特点如下：1. 小型蒸渗仪（专利号）便携可移动，安装过程不破坏植被，采用TDR土壤水分传感器和精密自动称量系统，为高性价比直接测量地表蒸散的重要技术设备，可根据观测条件和目的选配1个或多个； 2. 可选配德国UGT蒸渗仪，用于测量草原、农田、坡地或湿地蒸散；3. SHB技术（茎杆热平衡技术）测量细枝条茎流，包裹式测量，茎杆外部加热，高精确度、高稳定性、高分辨率；4. THB技术（组织热平衡技术）测量树干茎流，独有的不锈钢片式电极和插针式温度传感器，树干内部加热，高精确度、高稳定性、高分辨率、客观真实地反映树干茎流量； 5. 波文比自动气象站实时监测太阳辐射、净辐射、土壤热通量、空气温湿度（双层）、土壤温度（双层）、风速风向及降雨量；6. 根据植被条件可选配草原蒸散观测系统（适于草原和农田等）或森林蒸散观测系统（具备多通道树干茎流观测及树干生长监测）7. 可选配小型蒸渗仪和SHB茎流监测传感器，用于实验室或温室控制实验等；8. 软件功能强大，可进行数据下载、图表展示、参数设置及基本数理统计分析 技术指标：1. 标准小型蒸渗仪配置：底面积10002cm、高50cm、重量（含原位土柱）约70kg，可选配其它底面积和深度（高度）的小型蒸渗仪2. 3层土壤水分、土壤温度传感器，可选配土壤水势等传感器3. TDR土壤水分测量，探头直径8mm，测量范围0-100%，精度优于2%，分辨率0.1%；土壤温度传感器测量范围-20～60摄氏度，分辨率0.01摄氏度，精度 0.5 C4. SHB包裹式茎流测量，测量直径6－20mm，平均耗能0.3－0.4W，特制T形热电偶温度传感器0.6mm探针5. THB不锈钢电极片式测量，利用电极间流经木质部的电流直接加热植物组织，测量树干直径8cm以上，平均耗能0.3－0.4W6. 净辐射传感器：波长范围0.3－30&mu m，0－1500W.m-2，稳定性2%／年7. 温湿度传感器：温度测量范围-40－60 deg.C，精确度± 0.2deg.C；湿度测量范围0-100%，精确度± 2%8. 土壤热通量传感器：范围-2000－2000W.m-2，温度范围-30－70 deg.C，直径80mm9. 森林生态系统建议选配林下高精度雨量筒，14640cm2，0.01mm精确度10. 森林生态系统建议选配树干流监测单元，应用范围0－200m/min11. 可选配H-F地表径流观测系统，用于观测地表径流情况12. 可选配PL300土壤空气渗透性测量仪和Hood入渗仪配置组成：1. 小型蒸渗仪1个或多个（根据观测样地条件和研究目的而定）2. 波文比气象站1个或2个（做对比实验研究用，如林内或林外、不同植被类型或耕作类型等）3. 森林生态系统建议选配林下高精度雨量筒和树干流监测单元4. 森林生态系统须同时选配多通道SHB包裹式茎流监测和THB树干茎流观测5. 建议选配H-F地表径流观测系统产地：欧洲

1 引言根际是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面，也是物质和能量交换的结点，根系生产和周转直接影响陆地生态系统碳和氮的生物地球化学循环。自1904年德国科学家Lorenz Hiltner提出根际这一概念后，相关研究方兴未艾。但由于受土壤不可观测性的限制，传统的研究方法如挖掘法、剖面法、盆栽法及土柱法仍在大量使用，陆地生态系统根际微生态学的研究进展缓慢，因此寻找并建立新的根际微生态研究方法就显得至关重要。近年来随着光学和电子学技术的提升，特别是微根窗法(Minirhizo tron)的应用，使根际微生态研究得到了较快的发展。当前，这是唯一可多个时间段内原位重复观测根系的方法，其最大优点是在不干扰细根生长过程的前提下，原位长期连续观测并记录细根从出生到死亡的消长变化动态。这种测量方法是非破坏性的，是传统的研究方法不可替代的。因此，在国外，微根窗技术目前被广泛应用于森林、果园、草地、沙漠和农业生态系统等植物根系动态及其功能的研究中。2 观测系统设计2.1 目标AZ-B0201根际微生态观测系统通过可视化微根窗技术对根系生长和形态因子进行非破坏性的长期连续定位观测，结合专业的根系分析软件，能够将根系相关数据定量化，包括根的长度、面积、根尖数量、直径分布格局、死亡根及存活根数量等等，实现探索植物细根生长和消亡动态及其周转规律、研究植物根系拓扑结构的目标。同时测量根区土壤理化指标和监测土壤水温等环境因子，揭示植物根系消长动态与环境因子间的关系。2.2 观测点布设在待研究地区选择群落结构明显、优势种典型、地势平坦、土壤层足够深厚的区域，设置观测样地。选择标准木，在根部按照45°角安装微根管。通常一个观测样地安装12～24根1.8m/0.9m（L）×5cm/3cm（D）微根管。在每标准木安装的微根管周围安装1～3根1m或者1.5m观测管，同时检测土壤水分和温度参数。2.3 数据采集频率微根管安装好，应在其与土壤间达到平衡后再开始采集数据，平衡时间从几周到几个月或一年乃至更长的时间不等。众多研究表明，通常情况下7个月后开始采集图像比较合适。数据采集根据环境条件、植物生长周期不同，使用不同的采集间隔期，范围从每1周、每2周到每4周或每6～16周。一般生长季节至少每2周取1次图像，冬天可以降低采样频率或取消。每根观测管可由下到上或由上到下依次采集图像，每管每次取图像数量不少于30个。2.4 观测内容根系形态因子：根的长度、单位面积根长密度、根尖数量、直径分布格局、死亡根及存活根数量、平均直径、投影面积、表面积、根体积、分类数量、每个直径类的根尖数量、细根生长量、细根死亡量和细根周转。根际水盐指标：土壤水分、土壤温度。土壤理化指标：根际土壤全氮、土壤全磷、土壤有效磷、土壤全硼、土壤钙离子、土壤氯离子、土壤硝酸盐和亚硝酸盐、土壤碳酸盐。2.5 观测系统组成和技术指标AZ-B0201根际微生态观测系统由手动土壤取样套件、土壤水分温度测量单元和根系形态因子观测单元共同组成。3 数据处理3.1 根系根长密度和根系面积密度在微根管图像中测量根的长度，通过总根长除以观察的整个管面积获得根系单位面积根长密度RLD（mmcm-2或cmcm-2）。根系表面积的计算可用观察到的根长乘以根直径。同样，以单位面积图片中观察到的根系表面积可得到单位面积根面积密度（mm2cm-2或 cm2cm-2）。3.2 细根生长与死亡RLDP和RLDM分别表示细根生长量和细根死亡量。假设根系在两次相邻采样间隔期内的生长与死亡速率一致的前提下，以单位管面积上根系根长的增加与减少来表示相邻两次采样间隔期内根系的生长与死亡，然后除以间隔时间，得到细根生长RLDP和死亡RLDM。式中：RLDP ——间隔期内根系生长量，mmcm-2d-1；RLDM ——间隔期内根系死亡量，mmcm-2d-1；RLDn ——第n次观测到的根系根长密度值，mmcm-2；RLDn+1 ——第（n+1）次观测到的根系根长密度值，mmcm-2；T ——相邻两次采样间隔时间，d。3.3 根系生长死亡量、现存量和周转计算1）根系年生长量为一年内所有次采样得到的根系根长净增加值（包括所有出现的新根长与以前存在的根系长度净增加值）；根系年死亡量为一年内所有次采样中根系长度的消失（包括存在根的死亡以及由于根系的脱落或昆虫的取食引起根长的减少值）；根系年生长量与年死亡量的单位也以每年单位管面积内的单位根长来表示（mmcm-2a-1）。2）根系现存量以每次观测到的单位面积活根系长度来表示。3）根系周转估计采用以下3种方法进行估计。① 年根系生长量与年根系平均现存量之比。② 年根系死亡量与年根系平均现存量之比。③ 年根系生长量与年根系最大现存量之比。4 应用案例4.1 植物对营养元素的竞争性利用（Science，2010）James F.、Cahill Jr.等利用AZ-B0201根际微生态观测系统对关键营养元素不同利用策略下的植物根系生长状况进行了为期8周的观测。研究结果显示，在没有竞争植物的条件下，无论关键营养物质在植物周围分布态势如何，植物的根系分布及平均直径不受影响（A、B、C）。当有竞争植物存在时，那么植物根系的分布状况、平均直径则取决于关键营养元素与植物之间的相对距离（D、E、F）。图中红条是植物甲的平均根系直径，蓝条是植物乙的平均根系直径，阴影是关键营养元素所处位置示意（如果存在的话）。4.2 氮肥对水曲柳和落叶松细根寿命的影响（植物生态学报，2009）采用微根管技术研究氮肥对水曲柳和落叶松细根生长、衰老和死亡的影响，探讨两树种细根寿命与氮有效性之间的相关关系。结果表明，林地施氮肥后，两树种细根数量都呈减少趋势， 细根总体直径增加， 分枝程度降低； 氮肥使水曲柳细根存活率提高，细根中位值寿命延长，而落叶松细根存活率对氮肥反应不敏感； 施氮肥对细根寿命的延长效应主要体现在直径较小的一级根、表层，根系和春夏季新生的细根，表明氮肥对高生理活性的细根影响较强。