地表蒸散观测系统

SoilScope生态水文过程观测模拟设施在红壤地区观测农作物蒸散量中的应用一、观测背景季节性干旱缺水严重制约着我国红壤区农业的可持续发展。在江西省水土保持科学研究院位于九江市德安县的生态科技园内，利用SoilScope自动称重式蒸渗仪，为红壤地区水文循环过程中的土壤下渗、地下径流和蒸散发等精确测定提供数据支持；为南方红壤蒸发和植物蒸腾研究提供试验手段；为四水(大气水、地表水、土壤水和地下水)转化、SPAC(土壤-作物-大气连续体)系统水分循环研究提供支撑。图1 SoilScope生态水文过程观测模拟设施顺利验收二、观测系统布设 SoilScope自动称重式蒸渗仪以第四纪红壤为研究对象，整套系统由罐体、称重系统、地下水连通系统、产流系统、土壤传感器、溶液取样系统和数据采集系统组成图2 SoilScope生态水文过程观测模拟设施外观 三、观测数据采集罐体高2m，面积1㎡，称重范围0-10t，称重系统精度0.1mm。数据每10min自动实时测定和采集，如下图3所示，通过称重数据的变化就可以计算出实时蒸散量图3 称重系统精度和数据实时测定展示 • 采用TDR水分传感器、水势传感器观测20cm、40cm、80cm和180cm深度土壤水分、水势、温度和电导率数据，如下图4所示，数据每60min自动实时测定和采集。图4 自动实时测定和采集不同层次的传感器数据展示• 采用澳作公司自主研发，集数据传输与远程诊断于一体的云服务中心软件Envidata，如下图5所示，独特的多参数曲线同时显示功能，能更好的展示出环境因子的相互作用和影响。图5 云服务中心软件Envidata多参数曲线同时显示功能展示四、观测数据分析以花生为例，在2019年5月8日至8月24日期间，开展了土壤蒸发和植物蒸腾的研究。试验设置2个处理，裸地对照和种植花生处理。图6 SoilScope生态水文过程观测模拟设施观测案例结果显示，降雨过后，土壤含水量增加，而降雨停止，随着时间的延长，土壤含水量逐渐减少。累计降雨量数据和累计罐体重量变化量关系发现，二者具有很好的一致性，降雨增加，累计罐体变化量随之增加。作物蒸散发根据水量平衡公式进行计算，计算方程如下： ET = I + P - R - D + ΔWET是作物蒸散发，mm； I是灌溉水量，mm；P是降雨量，mm R是地表径流量，mm；D是深层渗漏量，mm；ΔW是土壤水分变化量。图7 SoilScope生态水文过程观测模拟设施观测结果结果显示，裸地处理总蒸散量是264mm，而花生则高达392mm，结果符合物理常识。五、观测应用扩展SoilScope蒸渗仪不仅能够为研究作物生长过程进行长期有效的监测，提供完整的和精确度高的数据支撑，而且能够结合气象站、水势仪等设备进行联动试验和拓展运用。目前已经广泛运用于水势调节观测系统、水文观测系统、气象蒸散观测系统和森林生态观测系统等众多领域。图8 SoilScope蒸渗系统工程项目全国分布图更多详情请关注北京澳作生态仪器有限公司网站：www.aozuo.com.cn查询相关仪器资料。更多详细信息请联系 sales@aozuo.com.cn 索要相关资料。

蒸散（Evapotranspiration）是地表水分循环和能量平衡中的重要组成部分，也被称为蒸散发，由地表水分蒸发和植物蒸腾耗水两部分组成。它在分析气候干燥度、评估水资源利用、管理草坪/作物灌溉以及研究区域生态环境变化（如荒漠化）等方面发挥着关键作用。蒸散的两个组分：地表蒸发和植物蒸腾（图源/Wikipedia）目前，有两种方法可用于获取蒸散数据：间接获取法和直接测量法。间接获取蒸散量的方法往往需要获取两个参数：作物系数和潜在/参考蒸散量，这无疑增加了数据估算的不确定性。涡度相关通量测量技术可用于直接测量地表蒸散量，但由于方法复杂性等原因，一直没有得到广泛应用。为解决这一问题，LI-COR公司开发了LI-710蒸散测量仪，该仪器基于得到广泛认可的涡度相关通量测量技术，可直接测量地表与大气之间的水汽交换通量，成为直接测量样地蒸散的理想选择。LI-710蒸散测量仪的主要特点可验证的精准度LI-710采用涡度相关通量测量技术，以10Hz的频率测量垂直方向上的风速和水汽浓度。通过成熟的涡度相关通量数据算法，每30分钟得到水汽通量数据和蒸散量。与传统涡度相关仪器采集的数据以及根据彭曼公式计算得到的潜在蒸散量数据相比，LI-710数据显示出很好的一致性（详见下图）。直接输出计算完毕的蒸散数据LI-710内嵌计算模块，直接输出计算完毕的蒸散数据，这使得用户无需花费额外时间和精力进行数据处理和分析。不仅如此，该模块的算法遵循成熟的涡度相关通量数据处理方法，确保了蒸散数据的准确性和可靠性。方便快捷的安装极简式设计，即连即用。这大大减少了用户的野外工作时间，降低了安装和操作的门槛，即便是非专业人士也能轻松上手。SDI12数据输出采用一根线缆输出数据，方便数据采集和集成到现有测量系统中。低功耗1.5w的低功耗设计，方便在野外部署。无需校准，维护量极低可方便地进行多点布设，无需校准和频繁维护。选择 LI-710 ，还是传统涡度相关通量测量系统？先看下面的对比表综上所述，如果您需要简便地获取蒸散量数据，LI-710 是更适合的选择；如果您需要同时获取CO2通量数据，或者对涡度相关数据有专业需求，传统涡度相关测量系统可能更适合您。应用案例（一）： 安装在US-PAS站点(美洲通量网）的LI-710 US-PAS站点(美洲通量网）位于佛罗里达坦帕东南的牧场上。站上配备了一套完整的LI-COR涡度相关通量观测仪器（以下简称EC）。Bracho-Garrillo是该站的首席调查员，同时也是佛罗里达大学的老师。他对LI-710蒸散传感器进行了测试。对比数据显示，LI-710和EC取得的蒸散结果一致性非常高。US-PAS站点的LI-710（左），右侧是LI-COR涡度相关通量测量系统Bracho-Garrillo表示：“LI-710布设起来非常容易，耗电少，不需要额外的电源配置，这对于野外台站来说太方便了。”他认为LI-710能有效指导人们进行灌溉管理。“人们习惯于使用作物系数来估算ET，因为不是实测，这会带来较大的误差。”他解释道，“LI-710能非常方便的实测ET，这是一个巨大的技术进步。”应用案例（二）：Land IQ 公司科学家们利用 LI-710 分析加州地区的农业需水Land IQ 公司总部位于加利福尼亚州首府萨克拉门托，是一家专注于提供农业科学咨询和遥感服务的企业。他们推出了Land IQ ET，这是一款基于数据驱动的实地用水模型，利用了来自80多个气象站的地面数据。Land IQ 公司的主要客户是当地的水资源管理部门，其中包括近40个地下水可持续发展机构（GSA）。这些机构监测着35-40种不同作物的蒸散量，总面积达300多万英亩，主要覆盖Stanislaus、Madera、Fresno、Tulare、Kings和Kern六个农业县。该公司的科学家Frank Anderson每月收集并分析来自气象站的数据，作为蒸散量ET模型的数据基础。他表示：“我们致力于为客户收集全面且准确的蒸散量数据。”自2022年11月以来，Land IQ公司已在其研究网络中安装了5套LI-710蒸散测量仪，这些新设备安装在现有气象站旁边。Anderson表示：“我们计划在不同覆盖类型的样地上部署LI-710，包括休耕地、开心果树林、杏树林、柑橘林和苜蓿地等。特别是对于苜蓿地，由于其需要定期插播，这使我们能够分析蒸散量数据的变化。”他们选择在蒸散量ET较低的时段安装LI-710。Anderson对LI-710采集的数据很满意，他说：“LI-710在蒸散量较低的情况下采集的数据可靠性很高。”在一家奶牛场旁的苜蓿样地上，他们安装的LI-710在高粉尘环境中运行。Anderson表示：“这是一个挑战，因为样地空气中存在氨、挥发性有机化合物和灰尘颗粒等。”为此，LI-COR公司开发了一个工具，可以帮助用户轻松更换过滤器。Anderson认为，LI-710的安装和维护非常简单。两个人花了不到一个小时就将LI-710安装到了现有的气象站系统中。他对LI-710采集的数据非常满意，表示：“我们的整个数学模型都需要建立在可靠的蒸散实测数据基础上。我们希望能够在更多地点部署LI-710并实现联网观测。”

论文速览水蒸气是大气中最重要的温室气体，在地球的水分和能量平衡中发挥着重要作用。可靠观测和准确估算大气水汽（H2O）通量对于生态系统管理和地球系统模型的开发至关重要。目前，涡度协方差（EC）技术被为是测量各种生态系统类型中能量、碳和水蒸气湍流通量的标准方法，该技术的发展主要依赖快速响应的水汽浓度传感器。为满足研究需要，海尔欣昕甬智测联合中国科学院大气物理研究所王凯所在的研究团队与宁波诺丁汉大学研发了一款高精度快响应的开路式激光水汽分析仪——HT1800。该仪器基于可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术，采用近红外波段（1392 nm）的激光源和开放式的测量光路，实现大气水汽浓度的高频（10 Hz）连续测定，以最小扰动捕捉水汽的湍流脉动变化，进而基于涡动相关原理直接获得地表与大气间的水汽交换通量，是测量潜热通量，ET通量，和对其他气体通量进行水汽校正的仪器。研究团队制备了两台HT1800水汽开路分析仪，其激光波长分别为1392 nm 和1877 nm。通过与欧洲共同体界两种水蒸气分析仪LI-7500RS和IRGASON的相互比较实验，对这两种分析仪的现场性能进行了评估（图1）。三种分析仪测得的水蒸气密度与参考传感器的整体一致性很高。HT1800、LI-7500和IRGASON的平均密度漂移分别为 3.7%-5.2%、4.0% 和 3.8%。同时，HT1800测得的半小时平均水通量与LI-7500RS和IRGASON的测量结果高度一致，差异仅为&minus 0.2%~1.6%（图2），表明HT1800可以准确地测量大气中的水分含量。HT1800在数据可用性、通量检测限和对高频湍流变化的响应等方面也适用于欧共体应用。此外，团队还研究了光谱效应如何影响 H2O 密度和通量的测量。发现波长为1392nm的激光器更容易受到光谱效应的影响，但校正这种偏差后的通量与IRGASON的通量显示出高一致性。考虑到激光器和光电探测器的成本优势，以及实现量产后将具有的竞争优势，该仪器可为地表蒸散发的高频测量和其他痕量气体通量的水汽干扰效应矫正提供一种经济且有效的自主解决方案。图1 HT1800开路式水汽分析仪与两款美国进口仪器（LI-7500RS和IRGASON）野外对比观测图2 HT1800开路式水汽分析仪与两款美国进口仪器（LI-7500RS和IRGASON）测量的水汽浓度和通量对比HT1800开路式水汽分析仪经济实用，易于安装和维护适合涡动协方差对中等区域的蒸散发(ET)测量开放式路径，测量频率高达20Hz无其他气体分子的交叉干扰无运动部件，稳定可靠长寿命，适用于多种现场部署低功率(10W)，可由太阳能电池板提供【论文信息】Wang K., Huang, L., Zhang, J.T., Zhen, X.J., Shi, L.L., Lin, T.J.*, Zheng X.H., Wang Y.*, 2024. Measuring turbulent water vapor fluxes using a tunable diode laser-based open-path gas analyzer. Water 16(2), 307.【点击此处查看论文】