SoilScope 生态水文过程观测模拟设施

一、应用

SoilScope 土壤生态水文观测模拟设施可实现地下水位调控，超渗产流实时监测，是水文、水资源领域研究“四水”转换的重要设施，为发展区域水文模型、水资源管理提供支撑数据。

SoilScope设施既可人为设定蒸渗罐体内的水位，得到实时潜水蒸发量，也可自动记录水位、水势的瞬时值，在与大田水势梯度一致的情况下，得到罐体内的土壤水动力学参数，水位变化量、渗漏量，揭开大田“黑箱”中的水文过程。

在降雨和灌溉过程中，还可以实时自动记录产流量。

高精度称重单元可测量各种类型降雨，从结露到下霜等。在各种气候和水分条件下测量与大田相同情况的蒸散量、表层的实时蒸散值。

因蒸渗仪表面积可用户定制，可得到最佳降雨数据。物质平衡、水量平衡和其它结果可从蒸渗仪尺寸及表面推广到更大的尺度。

SoilScope设施在作物主根域，通过测量土壤不同深度的水量平衡和基质势，提供可用水量、干旱胁迫、过度施肥和过度灌溉预警。孔隙水取样，可将大田可用的水、肥可视化，用于确定可用肥力和地下水污染的潜在威胁。

二、系统设计

2.1 系统组成和功能

SoilScope 生态水文过程观测模拟设施由土柱、称重系统、地下水连通单元、产流仪、土壤水温电导率传感器、土壤溶液取样单元、EcoScope蒸渗中心软件组成，电源、维护井或地下室组成。

2.1.1两种水位调控模式

罐体内地下水位控制有两种模式，即自动跟踪与人为设定，水位精度可达0.2mm。 补水、排水精度达到0.001mm。

1）实现传统的固定地下水位

人工设定固定水位，水位平衡系统自动控制水泵，当罐体内水位低于设定值，水泵向罐体内注水；当罐体内水位高于设定值，水泵自动从罐体向外抽水，始终保持罐体水位在设定值附近。向罐体内注入的水和从罐体向外抽出的水，都经过高精度电子称精确称量，分辨率高达0.001mm。

罐体底部的地下水连通器，与受控的双向高压泵相连，当罐体内的水位低于设定值时，水泵通过连通器向罐体内注水，使罐体内水位上升，达到预定水位时，停止注水。 反之，当罐体内的水位高于设定值时，水泵通过连通器向罐体外抽水，使柱体内水位下降，达到预定水位时，停止抽水。

向罐体内注入的水量和从罐体向外抽取的水量，都会被设置的称重单元精确计量，计量精度达到0.001mm。 罐体内的水位值，由精密的水位计测量，测量精度达到0.2mm。

2）自动跟踪水位模式

水位平衡系统同时测量罐体内部水位和大田地下水位，自动跟踪大田水位，保持罐体内水位与大田的地下水位在相同的水平。控制动作过程与人为设定模式一样。大田的水位值，也是由精密的水位计测量，测量精度达到0.2mm。 自动水位调控方式，相当于把罐体内的地下水位与大田地下水位连通，用于*模拟自然的田间水分状况。

水位控制系统，每小时测量一次水位，并补充或抽取蒸散水量，可以得到罐体内蒸散的日变化曲线。

3）人为设定水位调控模式 水位调控可以兼容两种控制、调节方式，即人为设定和自动调控。

人为设定模式：罐体内部水位*由人工任意设置，最高可以到罐体内土壤表面，可以将罐体内部自由水*排空。人为设定模式可以根据实验目的，任意改变罐体内的地下水位，并观察在不同的地下水位时作物的水分利用情况。

2.1.2 产流（Runoff）收集与测量

由罐体内地表产流的收集装置、导流管、200kg缓冲储水箱、高精度电子称组成。

径流收集装置可设置在罐体内土壤表层的中部，一个漏斗形的带过滤网的进水口，可以调整进水口高度，避免被土壤堵塞。

2.1.3 地下水连通控制器

1）确保罐体内的土壤水文过程与大田一致

蒸渗仪柱体底部的水势参数是衡量蒸渗仪土柱与野外实际情况是否一致的必要指标，也是影响蒸渗仪土柱内植物生长环境的关键指标。

国内蒸渗透仪系统底部的处理一般采用碎石和细砂作为滤层，使用过程中无法得到底部水势参数，此外，长年的运行，也会导致底部的微生物环境与罐体外大相径庭。

SoilScope系统底部的地下水连通器可实现底部的注水或排水，且质地坚硬，能承载数十吨重的土体重量。除用于测定田间水势的变化外，还可测量排水量,定量控制蒸渗仪柱体底部的水势。蒸渗仪底部水势和罐体外部水势始终保持一致。

2）自动实施排水和补水：当地下水埋深比较深，传统的蒸渗仪系统的土柱体高度无法达到地下水位时，无法调节柱体底部水势。SoilScope系统配置了带有称重系统的水桶，能提供或接收连通器的排水，也能从水桶中抽水，实现补水，且排水量和补水量自动被数据采集器存储和记录。

2.1.4自动溶液取样单元：土壤溶液的取样是系统自动完成的。自动采样泵的数据也可记录在数据采集器中。传统的蒸渗仪系统一般采用人工采样，耗时耗力，且无法实现定时采样。

自动采样泵：可连续输出或张力控制输出。带键盘和彩色、背景光显示屏幕，可方便设置和查看。可长期、连续运行。用于精确的孔隙水和渗漏水取样。是目前国际技术和产品，广泛用于欧盟蒸渗站。

2.1.5土壤传感器

EcoScope系统中采用的土壤水分传感器有两种可选，即AIM-TDR 及AZS-3。此两种传感器都获得了“水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心”检测合格证。

AIM-TDR 来自德国IMKO公司定制产品，其技术与Trime-PICO相同，是市场的TDR原理土壤水分传感器，确保在测量土壤水分的过程中，不受土壤温度、电导率的影响。该传感器技术在全球已经使用了近三十年，用户遍布欧盟、美国、英国、加拿大、亚洲等国家实验室、大学和科研机构。

AZS-3 土壤水分温度传感器AZS-3土壤水分传感器（Soil Moisture Probe type AZS-3）采用频域（FD）原理来测量土壤中水分的含量。该传感器系列已用于国内农业、水利、林业、生态、土壤科学研究达十年之久，是性价比高的水分传感器。

采用负压原理测量土壤水势，不受土壤电导率的影响，适用于农田研究。采用外部注水，维护方便。带有温度传感器，液面指示器，便于注水时检测气泡，同时便于冬季排水，保护冻土层陶瓷杯，性能稳定、耐用是目前广泛用于欧盟蒸渗站的传感器。

2.1.6 SoilScope设施数据采集和传输

中心控制软件EcoScope 是澳作生态仪器公司自行研发设计、拥有软件著作权的的专业生态环境采集、计算软件。用户可自由选择同时显示在屏幕上的测点数据，如浏览各柱体的重量、产流量、各层土壤水分、温度、EC数据；同一界面显示同一柱体多层、或不同柱体同一层的土壤参数；对比显示不同柱体的重量、产流量、各层土壤水分、温度、EC数据；显示计算的参数如ET、潜水蒸发量。

2.2 系统布设

系统可以按照维护井和土柱井分别放入大田的方式建造如图1，也可以将多个土柱放入一个地下室，如图2。罐体内的布设图如图3 ，用户可自设定土体剖面监测的深度和层数。

2.3 数据采集频率

重量测量间隔是1min，土壤水分、水势、温度、测量间隔是30min。

系统软件直接输出土柱重量、土壤剖面水势、水分、温度、土壤溶液取样负压。

2.4观测指标

SoilScope 生态水文过程观测模拟设施，提供如下观测数据：

1）每分钟测量、记录土柱重量。

2）维持罐体内水位在预设值，每小时检测水位值，若水位不在预设值，启动补水或抽水泵。随大田水位调控的测筒，控制原理相同。

3）实时自动记录产流量。

4）每半小时（或的间隔）记录土壤水分、温度、电导率、水势数据

5）启动土壤溶液取样装置后，自动自动采集土壤溶液样品，实验人员及时将采集的水样取走，倒空采样瓶。

三、应用案例

1、地下水位调控系统

德国UMS公司建造的意大利NaPles 蒸渗仪系统用于原油事故污染土壤的生物修复。此外，也研究化学物质在固态、液态、气态转换中的运移。用户是Naples University。

  该系统带地下水位调控，根据野外的地下水位调控罐体内的地下水位，使它们保持一致。 如下图：

2、地表径流收集系统

Dedelow 蒸渗仪系统是欧盟大型项目TERENO的 蒸渗仪站之一，带地表径流收集功能，用于研究气候变化。欧盟TERENO SoilCAN-气候反馈机理项目的研究目标是气候变化对如下生态因子影响的特征分析和定量分析：

n C-/N 循环 和 C-/N 储量的变化

n 生物-大气界面上温室气体的交换

n 植被和微生物多样性及C和 N的动态变化，以及与生物多样性变化的耦合关系

n 陆地水文（水量平衡，降雨变化，水文-气象事件（洪涝、干旱）、渗漏水质和水量、持水能力）

研究入渗能力的蒸渗仪设计图如下，在Dedelow 蒸渗系统中，罐体表层中间有个地表径流收集器，比土壤表层高10mm，比罐体外沿低20mm。罐体外有地表径流的水管。

部分国内外应用如下：

 左图：土壤植被对气候变化响应模拟观测研究；右图：工业污染生态修复模拟观测研究

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