根系生态观测蒸渗仪

SoilTron-Rhizo根系生态观测蒸渗仪 根系是根际生态学的主要研究对象，也是地下生态学的关键要素。根系研究主要采用微根窗技术（MiniRhizotron），特别是美国Bartz公司生产的BTC微根窗根系观测系统，成为微根窗技术研究根系的经典仪器设备（“The most commonly used MR(Minrhizotron) systems are produced by Bartz Technology Corporation”——引自Eshel, A. &Beeckman, T. Plant Roots: The Hidden half. 4th edition. CRC Press, New York,USA. 2013）。单纯采用微根窗技术研究植物根系时，透明维根管一般采用纵向（一般成45度角度）插入土壤剖面的办法，这种纵向安插法容易造成根系沿维根管生长，从而造成误差。通过与蒸渗仪技术结合，维根管可以水平安装——相当于在土壤剖面不同深度设置一个根系观测样带，不仅可以避免纵向安装造成的偏差，还可以对根系进行三维动态观测分析，结合蒸渗仪土壤剖面水分、温度等监测技术，可以全面分析根系时空动态及其影响因子、胁迫响应等，成为地下生态学、根际生态学等研究的重要手段。 查尔斯特大学根系蒸渗仪站，右图为不同深度根系生长情况 SoilTron-Rhizo根系生态观测蒸渗仪全面吸收了德国蒸渗仪技术和美国微根窗技术，系统由SoilTron主体结构（标准配置有Rhizo-50和Rhizo-80两种型号，直径分别为1250px和2000px）、微根窗根系成像观测单元、传感器及数据采集系统组成，传感器及数据采集系统由欧洲生产，微根管成像系统由美国生产。 系统主要技术特点及性能指标如下： 1.蒸渗仪主体由Rhizo-50和Rhizo-80两种规格型号供选配：Rhizo-50底面积50000px2，标配高度2500px，蒸渗仪不锈钢柱体厚度3mm；Rhizo-80底面积5000 cm2（直径2000px），标配高度3750px选配，蒸渗仪不锈钢柱体厚度4mm 2.Rhizo-50标准配置4层维根管根系观测，及相应4层土壤水分和土壤温度监测；Rihzo-80标准配置5层维根管根系观测，及相应5层土壤水分和土壤温度监测；可选配土壤张力计监测 3.TRIME PICO 32智能土壤水分温度传感器： a.TDR技术，高精度、高稳定 b.测量范围0-100%体积含水量，测量体积250ml c.测量精度：0-40%体积含水率±1%，40-70%体积含水率±2% d. 测量重复精度 0-40%体积含水率±0.2%，40-70%体积含水率±0.3% e.土壤温度测量范围：-15℃－50℃（可定制其他温度量程，或选配-30－50℃温度传感器），精度±0.2℃ f. 防护等级：IP68 4.微根窗根系成像观测系统： a.标准配置测管长度22”（用于Rhizo-50）或28”（用于Rhizo-80） b.微根管镜内置数码摄像镜头，图像传感器为SuperHAD II 1/3-type IT CCD，灵敏度2000 lx at F1.4 AGC: 0dB，视野FOV 55°，带360°视野可旋转镜管；可充电式光纤照明 c.图像有效像素H x V：768 x 494 pixels，525线，30帧/秒 5. 标配RootFly微根窗专业根系分析软件分析微根窗图片中根系的长度、直径、根系颜色、根系生长率和死亡率等；可选配WinRhizo根系分析软件 6. 可选配BTC-100根系观测系统，具备15－100倍放大功能和精确定位手柄等（具体参数指标参见相关资料） 7. 16通道数据采集器（可选配32通道），16比特分辨率，± 20 mV 至 ± 2.5 V 8范围输入，精确度0.03%，可存储220000组带时间戳的数据（数据可存储1年以上），测量间隔3秒至4小时可调，数据平均间隔3秒至4小时，支持GSM/GPRS/Internet远程数据传输，电压6.5－15VDC，待机耗电150μA，测量耗电15mA，3V锂电备用电池可使用5年以上，工作温度 -20－60°C； 8.专业数据下载分析软件，可进行数据下载、数据在线观测、柱状图、数据修复、统计分析（如每小时平均、每日平均、总计、最小值、最大值、数据相关分析、回归分析）与图表展示及系统设置等； 9.GPRS无线数据传输功能，打开专业软件界面后，只要连接上网即可随时下载浏览数据； 10.渗漏水监测与抽样（选配）：100ml翻斗，渗漏水抽样优先，每翻斗1%，250ml PE采样瓶，REED传感器，最大流量5000ml/min 产地： 传感器及数据采集系统欧洲生产，维根管成像观测系统美国生产，国内集成

湿地是地球上最为重要的生态系统类型，具有巨大的环境功能和效益，在提供水源、补充地下水、抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染、调节气候、控制土壤侵蚀等方面有其它系统不可替代的作用，被誉为&ldquo 地球之肾&rdquo 。 湿地地下水生态观测蒸渗仪通过地下水位模拟控制系统、精准称重系统、根系观测单元、气体通量观测单元、溶质在线分析单元等，原位（In-situ）观测或异地（Ex-situ）模拟观测地下水位变化（0－2m）与湿地土壤蒸散、渗漏、降雨及溶质运移的即时（高时间分辨率）动态变化关系，研究分析湿地土壤水通量、溶质通量、气体通量、持水状况等与地下水位的动态关系，适于三角洲、河滩及洪泛平原、泥炭地、高山湿地及其它地下水位较浅（常年一般维持在0－2m）的土地类型。 湿地地下水生态观测蒸渗仪由德国UFZ环境研究中心Meissner教授与德国UGT公司研制（Patent-No.: 19907462），利用公司特制的原位取土系统采取原位湿地土柱，采用精确的地下水控制系统，可精确重现真实的野外条件。原位湿地地下水生态观测蒸渗仪直接安装在湿地现场（如图一所示），蒸渗仪底部经由平衡水箱通过压力转换器和流量表直接与外界环境（河流或湖泊水体、湿地地下水）相通。异地湿地地下水生态观测蒸渗仪可以安装在远离现场湿地的实验场（比如研究所院内等），原位地下水位经由实时水位监测和数据无线传输，及时在线调控蒸渗仪水位（如图二所示），使蒸渗仪水位一直保持与原位湿地水位一致。如果目标水位（原位水位）与蒸渗仪内的水位相差1cm或以上，地下水位模拟控制系统会自动触发调节机制，使蒸渗仪与原位湿地水位始终保持一致。 1. 原位土柱2. 温度、TDR、水势等传感器及溶液取样器等。3. 地下水水位4. 滤层5. 称重系统6. 平衡箱7. 储水罐8. 调节阀9. 数据采集器图二 安装在异地试验场的湿地地下 水生态观测蒸渗仪 地下水位模拟控制系统的调控机理为：当水位出现不一致（相差1cm）时，首先关闭蒸渗仪和平衡水箱的阀门，然后向平衡水箱注水（或从中抽水），注水水源来自储水罐（抽出的水会存放在储水罐）。此后关闭储水罐和平衡水箱间的阀门，打开平衡水箱和蒸渗仪间的阀门，使得蒸渗仪和平衡水箱水位进行平衡。此过程反复进行，直到蒸渗仪水位达到目标水位。 湿地地下水生态观测蒸渗仪每分钟即可称量记录一次。不仅是降雨、蓄水，还可记录括露水、霜、降雪、沙尘等轻微输入，使得即使是较小的蒸散也可记录到。将15分钟数据的平均，以减小风或野外动物的影响。水分平衡公式如下所示：P + Pond = Et + ( Rout&ndash Rin) ± &Delta S其中P是降雨量， Pond是表面蓄水，Et是蒸散，Rin是地下水流入，Rout是地下水流出，&Delta S是持水量改变。 一旦水分平衡公式中各组分精确测量计算出后，溶质平衡情况可由如下公式计算出：L＝Cs× S其中L为溶质输入，Cs为渗漏溶质浓度，S为渗漏液体积 技术指标： 1. 蒸渗仪规格：表面积1m2，高2m；滤层25cm；可根据需要定制其它规格的蒸渗仪2. 装土类型：特别设计的湿地取土系统取原位湿地土柱3. 高精度称重系统，分辨率：0.01mm，采样频率1min，15min平均一次4. 渗漏测量：翻斗计数器，精确度0.1mm5. 高精度即时地下水位模拟控制系统，精确度1cm6. BTC-100微根窗根系生态观测系统（备选）观测根系生长状况7. 气体通量观测单元用于测量分析湿地土壤CO2、O2和甲烷通量（备选）：气体抽样模块具Baseline配置，可手动或自动定时切换测量大气CO2、O2等气体含量（baseline）和呼吸室内CO2、O2等气体含量，从而更加精确地测量监测土壤气体通量内置温度和大气压传感器，温度压力自动补偿，高稳定性、高精确度氧气测量分析：燃料电池O2分析仪，不受水汽、CO2及其它气体的影响，测量范围1－100％，分辨率0.001%二氧化碳测量分析：双波段非色散红外技术，测量范围0－5％，分辨率0.0001%CH4分析器（外置备选）：双波段非色散红外技术，量程0-10%，精度优于1%，分辨率1 ppm/0.0001%8. 在线原位测量分析总氮、硝态氮和亚硝态氮等9. 传 输：无线传输，用户可在ENVIdata服务器上下载；若用户有固定IP，可直接传输至用户服务器10. 传 感 器：土壤水势、TDR土壤含水量、温度传感器，可根据用户要求选择不同传感器。11. 安装层数：标准30、60、90、120cm深处，每层均安装各种传感器。 国外应用： Doerthe Bethge-Steffense等（2004）利用湿地蒸渗仪控制地下水状况研究了2003年2月对德国schö nbergg Deich 和W ö rlitz湿地的地下水位、土壤含水量、土壤水量平衡（降雨、蒸散、渗漏等）进行了研究。在研究湿地采用梯度气象站监测环境因子，包括土壤温度、水势、含水量，降雨，空气温湿度，地下水位传送给蒸渗仪的控制中心。研究首次直接得到了蒸散和渗漏，结果显示湿地土壤含水率受湿地的地下水位动态影响，受蒸散影响有限。在水量平衡中，蒸散和渗漏使得土壤水储量减少，而这是2月降雨无法补偿的。 参考文献： 1. Doerthe Bethge-Steffens, Ralph Meissner, and Holger Rupp (2004) Development and practical test of a weighable groundwater lysimeter for floodplain sites. J. Plant Nutr. Soil Sci, 167, 516-524R. Meiß ner , M. N. V. Prasad, G. Du Laing and J. Rinklebe（2010） Lysimeter application for measuring the water and solute fluxes with high precision. CURRENT SCIENCE, VOL. 99 NO. 5 601-607.R. Meiß ner and Manfred Seyfarth (2004). Measuring water and solute balance with new lysimeter techniques. SuperSoil 2004: 3rd Australian New Zealand Soils Conference, 5 &ndash 9 December 2004, University of Sydney, Australia. 1-8

Rhizoscope原位根系3D观测系统一、应用植物科学家和生态学者在研究植物根系生长中面对最大挑战是如何在原位、非破坏条件下了解影响根系生长的各个土壤环境因素。目前普遍采用的微根窗技术适用于野外根系研究、拥有良好的分辨率，能长时期对根系进行追踪、摄像，但根系研究范围相对较小局限于点的研究大部分是年幼的植物，微根管的埋设对植物根系的生长也有一定影响，传统的与地面成45度角微根管埋设只关注部分垂直根系研究；Rhizoscope原位根系3D观测系统采用2.5m(深)?0.8m(直径)原状土柱内水平分多层级埋设根管，可后续进行摄像对根系定量分析、测量土壤水分和提取土壤溶液，研究表明水平埋设微根管更适于根系生长空间评估。二、系统组成Rhizoscope原位根系3D观测系统采用2.5m(深)?0.8m(直径)原状土柱，在蒸渗柱体各深度0.2、0.4、0.65、1.45、2.0m预先留有孔用于微根管、水分测量仪埋设和土壤溶液取样。系统采用人工滴灌模拟降雨，上部构建大棚以防降雨且满足植物光合作用，在系统底部设计有排水系统。 图一：Rhizoscope原位根系3D观测系统示意图 图二：柱体取原状土用机械将2.5m(深)?0.8m(直径)蒸渗柱体打入土壤中取原状土体，在各土柱之间用混凝土连接构成走廊为1.2米宽的地下室。 图三：12个柱体构成的地下室三、技术指标Rhizoscope原位根系3D系统在蒸渗柱体内多参数监测土壤水分和土壤溶液分析基础上研究根系的生长和空间分布。1.原状土蒸渗柱体尺寸2.5m(深)?0.8m(直径)2.AZR-300根系实时观测图像：◆主机显示屏：12英寸◆高清摄像头分辨率：3840*2880(4800dpi)可调节◆拍摄视野：20mm*16mm3.Trime水分测量范围：0-100%体积含水量精确性：电导率范围 0-6dS/m 6-15dS/m水分范围0-40% ±2% ±3%水分范围40-70% ±3% ±4%4.AZS-100土壤溶液采集器探头材料：尼龙聚乙烯真空泵压力：100kPa四、系统根系空间分布分析多年生植物根系空间分布系统分别在0.65m、0.9m、1.45m、2.05m处安装微根管，观测植物根系的数量。在个蒸渗柱状体内播种多年生苜蓿植物，系统采用滴灌模拟降雨，水分测量仪监测土壤水分分布，土壤溶液取样器采集溶液分析。如下图四(左)：为苜蓿第一年根系生长的空间分布，土壤上层根系量增长较快；如下图四(右)：是苜蓿根系3年内生长空间分布情况，上层根系量增长到一定时间后基本保持稳定，下层根系量逐年增加。 图四(左)：第一年苜蓿根系分布 图四(右)：3年内苜蓿根系分布一年生植物根系空间分布 如下图五各柱体中播种农作物小麦，在各深度研究根系的空间分布。在整个生长周期中小麦根系总量不断增加，最深1.45m处根系很小，最多分布在0.4m处。图五：小麦根系空间分布五、系统应用 Rhizoscope原位根系3D观测系统采用的蒸渗柱体适用于地下农业改良环境研究，在用于全球气候变化植物对于水胁迫的适应性研究，同时在根系生长、根系空间分布、根际分泌有机物、根的周转率以及土壤微生物与根腐烂速率的相关性研究，非常适用于农作物和草地的土壤根际研究。