一、應用

SoilScope 土壤生態(tài)水文觀測模擬設施可實現(xiàn)地下水位調控，超滲產流實時監(jiān)測，是水文、水資源領域研究“四水”轉換的重要設施，為發(fā)展區(qū)域水文模型、水資源管理提供支撐數據。

SoilScope設施既可人為設定蒸滲罐體內的水位，得到實時潛水蒸發(fā)量，也可自動記錄水位、水勢的瞬時值，在與大田水勢梯度一致的情況下，得到罐體內的土壤水動力學參數，水位變化量、滲漏量，揭開大田“黑箱”中的水文過程。

在降雨和灌溉過程中，還可以實時自動記錄產流量。

高精度稱重單元可測量各種類型降雨，從結露到下霜等。在各種氣候和水分條件下測量與大田相同情況的蒸散量、表層的實時蒸散值。

因蒸滲儀表面積可用戶定制，可得到最佳降雨數據。物質平衡、水量平衡和其它結果可從蒸滲儀尺寸及表面推廣到更大的尺度。

SoilScope設施在作物主根域，通過測量土壤不同深度的水量平衡和基質勢，提供可用水量、干旱脅迫、過度施肥和過度灌溉預警。孔隙水取樣，可將大田可用的水、肥可視化，用于確定可用肥力和地下水污染的潛在威脅。

二、系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成和功能

SoilScope 生態(tài)水文過程觀測模擬設施由土柱、稱重系統(tǒng)、地下水連通單元、產流儀、土壤水溫電導率傳感器、土壤溶液取樣單元、EcoScope蒸滲中心軟件組成，電源、維護井或地下室組成。

2.1.1兩種水位調控模式

罐體內地下水位控制有兩種模式，即自動跟蹤與人為設定，水位精度可達0.2mm。 補水、排水精度達到0.001mm。

1）實現(xiàn)傳統(tǒng)的固定地下水位

人工設定固定水位，水位平衡系統(tǒng)自動控制水泵，當罐體內水位低于設定值，水泵向罐體內注水；當罐體內水位高于設定值，水泵自動從罐體向外抽水，始終保持罐體水位在設定值附近。向罐體內注入的水和從罐體向外抽出的水，都經過高精度電子稱精確稱量，分辨率高達0.001mm。

罐體底部的地下水連通器，與受控的雙向高壓泵相連，當罐體內的水位低于設定值時，水泵通過連通器向罐體內注水，使罐體內水位上升，達到預定水位時，停止注水。 反之，當罐體內的水位高于設定值時，水泵通過連通器向罐體外抽水，使柱體內水位下降，達到預定水位時，停止抽水。

向罐體內注入的水量和從罐體向外抽取的水量，都會被設置的稱重單元精確計量，計量精度達到0.001mm。 罐體內的水位值，由精密的水位計測量，測量精度達到0.2mm。

2）自動跟蹤水位模式

水位平衡系統(tǒng)同時測量罐體內部水位和大田地下水位，自動跟蹤大田水位，保持罐體內水位與大田的地下水位在相同的水平?？刂苿幼鬟^程與人為設定模式一樣。大田的水位值，也是由精密的水位計測量，測量精度達到0.2mm。 自動水位調控方式，相當于把罐體內的地下水位與大田地下水位連通，用于*模擬自然的田間水分狀況。

水位控制系統(tǒng)，每小時測量一次水位，并補充或抽取蒸散水量，可以得到罐體內蒸散的日變化曲線。

3）人為設定水位調控模式 水位調控可以兼容兩種控制、調節(jié)方式，即人為設定和自動調控。

人為設定模式：罐體內部水位*由人工任意設置，最高可以到罐體內土壤表面，可以將罐體內部自由水*排空。人為設定模式可以根據實驗目的，任意改變罐體內的地下水位，并觀察在不同的地下水位時作物的水分利用情況。

2.1.2 產流（Runoff）收集與測量

由罐體內地表產流的收集裝置、導流管、200kg緩沖儲水箱、高精度電子稱組成。

徑流收集裝置可設置在罐體內土壤表層的中部，一個漏斗形的帶過濾網的進水口，可以調整進水口高度，避免被土壤堵塞。

2.1.3 地下水連通控制器

1）確保罐體內的土壤水文過程與大田一致

蒸滲儀柱體底部的水勢參數是衡量蒸滲儀土柱與野外實際情況是否一致的必要指標，也是影響蒸滲儀土柱內植物生長環(huán)境的關鍵指標。

國內蒸滲透儀系統(tǒng)底部的處理一般采用碎石和細砂作為濾層，使用過程中無法得到底部水勢參數，此外，長年的運行，也會導致底部的微生物環(huán)境與罐體外大相徑庭。

SoilScope系統(tǒng)底部的地下水連通器可實現(xiàn)底部的注水或排水，且質地堅硬，能承載數十噸重的土體重量。除用于測定田間水勢的變化外，還可測量排水量,定量控制蒸滲儀柱體底部的水勢。蒸滲儀底部水勢和罐體外部水勢始終保持一致。

2）自動實施排水和補水：當地下水埋深比較深，傳統(tǒng)的蒸滲儀系統(tǒng)的土柱體高度無法達到地下水位時，無法調節(jié)柱體底部水勢。SoilScope系統(tǒng)配置了帶有稱重系統(tǒng)的水桶，能提供或接收連通器的排水，也能從水桶中抽水，實現(xiàn)補水，且排水量和補水量自動被數據采集器存儲和記錄。

2.1.4自動溶液取樣單元：土壤溶液的取樣是系統(tǒng)自動完成的。自動采樣泵的數據也可記錄在數據采集器中。傳統(tǒng)的蒸滲儀系統(tǒng)一般采用人工采樣，耗時耗力，且無法實現(xiàn)定時采樣。

自動采樣泵：可連續(xù)輸出或張力控制輸出。帶鍵盤和彩色、背景光顯示屏幕，可方便設置和查看?？砷L期、連續(xù)運行。用于精確的孔隙水和滲漏水取樣。是目前國際技術和產品，廣泛用于歐盟蒸滲站。

2.1.5土壤傳感器

EcoScope系統(tǒng)中采用的土壤水分傳感器有兩種可選，即AIM-TDR 及AZS-3。此兩種傳感器都獲得了“水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監(jiān)督檢驗測試中心”檢測合格證。

AIM-TDR 來自德國IMKO公司定制產品，其技術與Trime-PICO相同，是市場的TDR原理土壤水分傳感器，確保在測量土壤水分的過程中，不受土壤溫度、電導率的影響。該傳感器技術在全球已經使用了近三十年，用戶遍布歐盟、美國、英國、加拿大、亞洲等國家實驗室、大學和科研機構。

AZS-3 土壤水分溫度傳感器AZS-3土壤水分傳感器（Soil Moisture Probe type AZS-3）采用頻域（FD）原理來測量土壤中水分的含量。該傳感器系列已用于國內農業(yè)、水利、林業(yè)、生態(tài)、土壤科學研究達十年之久，是性價比高的水分傳感器。

采用負壓原理測量土壤水勢，不受土壤電導率的影響，適用于農田研究。采用外部注水，維護方便。帶有溫度傳感器，液面指示器，便于注水時檢測氣泡，同時便于冬季排水，保護凍土層陶瓷杯，性能穩(wěn)定、耐用是目前廣泛用于歐盟蒸滲站的傳感器。

2.1.6 SoilScope設施數據采集和傳輸

中心控制軟件EcoScope 是澳作生態(tài)儀器公司自行研發(fā)設計、擁有軟件著作權的的專業(yè)生態(tài)環(huán)境采集、計算軟件。用戶可自由選擇同時顯示在屏幕上的測點數據，如瀏覽各柱體的重量、產流量、各層土壤水分、溫度、EC數據；同一界面顯示同一柱體多層、或不同柱體同一層的土壤參數；對比顯示不同柱體的重量、產流量、各層土壤水分、溫度、EC數據；顯示計算的參數如ET、潛水蒸發(fā)量。

2.2 系統(tǒng)布設

系統(tǒng)可以按照維護井和土柱井分別放入大田的方式建造如圖1，也可以將多個土柱放入一個地下室，如圖2。罐體內的布設圖如圖3 ，用戶可自設定土體剖面監(jiān)測的深度和層數。

2.3 數據采集頻率

重量測量間隔是1min，土壤水分、水勢、溫度、測量間隔是30min。

系統(tǒng)軟件直接輸出土柱重量、土壤剖面水勢、水分、溫度、土壤溶液取樣負壓。

2.4觀測指標

SoilScope 生態(tài)水文過程觀測模擬設施，提供如下觀測數據：

1）每分鐘測量、記錄土柱重量。

2）維持罐體內水位在預設值，每小時檢測水位值，若水位不在預設值，啟動補水或抽水泵。隨大田水位調控的測筒，控制原理相同。

3）實時自動記錄產流量。

4）每半小時（或的間隔）記錄土壤水分、溫度、電導率、水勢數據

5）啟動土壤溶液取樣裝置后，自動自動采集土壤溶液樣品，實驗人員及時將采集的水樣取走，倒空采樣瓶。

三、應用案例

1、地下水位調控系統(tǒng)

德國UMS公司建造的意大利NaPles 蒸滲儀系統(tǒng)用于原油事故污染土壤的生物修復。此外，也研究化學物質在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)轉換中的運移。用戶是Naples University。

  該系統(tǒng)帶地下水位調控，根據野外的地下水位調控罐體內的地下水位，使它們保持一致。 如下圖：

2、地表徑流收集系統(tǒng)

Dedelow 蒸滲儀系統(tǒng)是歐盟大型項目TERENO的 蒸滲儀站之一，帶地表徑流收集功能，用于研究氣候變化。歐盟TERENO SoilCAN-氣候反饋機理項目的研究目標是氣候變化對如下生態(tài)因子影響的特征分析和定量分析：

n C-/N 循環(huán) 和 C-/N 儲量的變化

n 生物-大氣界面上溫室氣體的交換

n 植被和微生物多樣性及C和 N的動態(tài)變化，以及與生物多樣性變化的耦合關系

n 陸地水文（水量平衡，降雨變化，水文-氣象事件（洪澇、干旱）、滲漏水質和水量、持水能力）

研究入滲能力的蒸滲儀設計圖如下，在Dedelow 蒸滲系統(tǒng)中，罐體表層中間有個地表徑流收集器，比土壤表層高10mm，比罐體外沿低20mm。罐體外有地表徑流的水管。

部分國內外應用如下：

 左圖：土壤植被對氣候變化響應模擬觀測研究；右圖：工業(yè)污染生態(tài)修復模擬觀測研究

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