一、應(yīng)用

SoilScope 土壤生態(tài)水文觀測模擬設(shè)施可實(shí)現(xiàn)地下水位調(diào)控，超滲產(chǎn)流實(shí)時(shí)監(jiān)測，是水文、水資源領(lǐng)域研究“四水”轉(zhuǎn)換的重要設(shè)施，為發(fā)展區(qū)域水文模型、水資源管理提供支撐數(shù)據(jù)。

SoilScope設(shè)施既可人為設(shè)定蒸滲罐體內(nèi)的水位，得到實(shí)時(shí)潛水蒸發(fā)量，也可自動(dòng)記錄水位、水勢的瞬時(shí)值，在與大田水勢梯度一致的情況下，得到罐體內(nèi)的土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，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(shí)時(shí)自動(dòng)記錄產(chǎn)流量。

高精度稱重單元可測量各種類型降雨，從結(jié)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(shí)時(shí)蒸散值。

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

SoilScope設(shè)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(zhì)勢，提供可用水量、干旱脅迫、過度施肥和過度灌溉預(yù)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(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成和功能

SoilScope 生態(tài)水文過程觀測模擬設(shè)施由土柱、稱重系統(tǒng)、地下水連通單元、產(chǎn)流儀、土壤水溫電導(dǎo)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(hù)井或地下室組成。

2.1.1兩種水位調(diào)控模式

罐體內(nèi)地下水位控制有兩種模式，即自動(dòng)跟蹤與人為設(shè)定，水位精度可達(dá)0.2mm。 補(bǔ)水、排水精度達(dá)到0.001mm。

1）實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的固定地下水位

人工設(shè)定固定水位，水位平衡系統(tǒng)自動(dòng)控制水泵，當(dāng)罐體內(nèi)水位低于設(shè)定值，水泵向罐體內(nèi)注水；當(dāng)罐體內(nèi)水位高于設(shè)定值，水泵自動(dòng)從罐體向外抽水，始終保持罐體水位在設(shè)定值附近。向罐體內(nèi)注入的水和從罐體向外抽出的水，都經(jīng)過高精度電子稱精確稱量，分辨率高達(dá)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(dāng)罐體內(nèi)的水位低于設(shè)定值時(shí)，水泵通過連通器向罐體內(nèi)注水，使罐體內(nèi)水位上升，達(dá)到預(yù)定水位時(shí)，停止注水。 反之，當(dāng)罐體內(nèi)的水位高于設(shè)定值時(shí)，水泵通過連通器向罐體外抽水，使柱體內(nèi)水位下降，達(dá)到預(yù)定水位時(shí)，停止抽水。

向罐體內(nèi)注入的水量和從罐體向外抽取的水量，都會(huì)被設(shè)置的稱重單元精確計(jì)量，計(jì)量精度達(dá)到0.001mm。 罐體內(nèi)的水位值，由精密的水位計(jì)測量，測量精度達(dá)到0.2mm。

2）自動(dòng)跟蹤水位模式

水位平衡系統(tǒng)同時(shí)測量罐體內(nèi)部水位和大田地下水位，自動(dòng)跟蹤大田水位，保持罐體內(nèi)水位與大田的地下水位在相同的水平。控制動(dòng)作過程與人為設(shè)定模式一樣。大田的水位值，也是由精密的水位計(jì)測量，測量精度達(dá)到0.2mm。 自動(dòng)水位調(diào)控方式，相當(dāng)于把罐體內(nèi)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(shí)測量一次水位，并補(bǔ)充或抽取蒸散水量，可以得到罐體內(nèi)蒸散的日變化曲線。

3）人為設(shè)定水位調(diào)控模式 水位調(diào)控可以兼容兩種控制、調(diào)節(jié)方式，即人為設(shè)定和自動(dòng)調(diào)控。

人為設(shè)定模式：罐體內(nèi)部水位*由人工任意設(shè)置，最高可以到罐體內(nèi)土壤表面，可以將罐體內(nèi)部自由水*排空。人為設(shè)定模式可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模我飧淖児摅w內(nèi)的地下水位，并觀察在不同的地下水位時(shí)作物的水分利用情況。

2.1.2 產(chǎn)流（Runoff）收集與測量

由罐體內(nèi)地表產(chǎn)流的收集裝置、導(dǎo)流管、200kg緩沖儲(chǔ)水箱、高精度電子稱組成。

徑流收集裝置可設(shè)置在罐體內(nèi)土壤表層的中部，一個(gè)漏斗形的帶過濾網(wǎng)的進(jìn)水口，可以調(diào)整進(jìn)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(nèi)的土壤水文過程與大田一致

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

國內(nèi)蒸滲透儀系統(tǒng)底部的處理一般采用碎石和細(xì)砂作為濾層，使用過程中無法得到底部水勢參數(shù)，此外，長年的運(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)底部的注水或排水，且質(zhì)地堅(jiān)硬，能承載數(shù)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(dòng)實(shí)施排水和補(bǔ)水：當(dāng)?shù)叵滤裆畋容^深，傳統(tǒng)的蒸滲儀系統(tǒng)的土柱體高度無法達(dá)到地下水位時(shí)，無法調(diào)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(shí)現(xiàn)補(bǔ)水，且排水量和補(bǔ)水量自動(dòng)被數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)和記錄。

2.1.4自動(dòng)溶液取樣單元：土壤溶液的取樣是系統(tǒng)自動(dòng)完成的。自動(dòng)采樣泵的數(shù)據(jù)也可記錄在數(shù)據(jù)采集器中。傳統(tǒng)的蒸滲儀系統(tǒng)一般采用人工采樣，耗時(shí)耗力，且無法實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣。

自動(dòng)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(shè)置和查看。可長期、連續(xù)運(yùn)行。用于精確的孔隙水和滲漏水取樣。是目前國際技術(shù)和產(chǎn)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(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心”檢測合格證。

AIM-TDR 來自德國IMKO公司定制產(chǎn)品，其技術(shù)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(dǎo)率的影響。該傳感器技術(shù)在全球已經(jīng)使用了近三十年，用戶遍布?xì)W盟、美國、英國、加拿大、亞洲等國家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)。

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(nèi)農(nóng)業(yè)、水利、林業(yè)、生態(tài)、土壤科學(xué)研究達(dá)十年之久，是性價(jià)比高的水分傳感器。

采用負(fù)壓原理測量土壤水勢，不受土壤電導(dǎo)率的影響，適用于農(nóng)田研究。采用外部注水，維護(hù)方便。帶有溫度傳感器，液面指示器，便于注水時(shí)檢測氣泡，同時(shí)便于冬季排水，保護(hù)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(shè)施數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)、擁有軟件著作權(quán)的的專業(yè)生態(tài)環(huán)境采集、計(jì)算軟件。用戶可自由選擇同時(shí)顯示在屏幕上的測點(diǎn)數(shù)據(jù)，如瀏覽各柱體的重量、產(chǎn)流量、各層土壤水分、溫度、EC數(shù)據(jù)；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(shù)；對比顯示不同柱體的重量、產(chǎn)流量、各層土壤水分、溫度、EC數(shù)據(jù)；顯示計(jì)算的參數(shù)如ET、潛水蒸發(fā)量。

2.2 系統(tǒng)布設(shè)

系統(tǒng)可以按照維護(hù)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(gè)土柱放入一個(gè)地下室，如圖2。罐體內(nèi)的布設(shè)圖如圖3 ，用戶可自設(shè)定土體剖面監(jiān)測的深度和層數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)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(fù)壓。

2.4觀測指標(biāo)

SoilScope 生態(tài)水文過程觀測模擬設(shè)施，提供如下觀測數(shù)據(jù)：

1）每分鐘測量、記錄土柱重量。

2）維持罐體內(nèi)水位在預(yù)設(shè)值，每小時(shí)檢測水位值，若水位不在預(yù)設(shè)值，啟動(dòng)補(bǔ)水或抽水泵。隨大田水位調(diào)控的測筒，控制原理相同。

3）實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄產(chǎn)流量。

4）每半小時(shí)（或的間隔）記錄土壤水分、溫度、電導(dǎo)率、水勢數(shù)據(jù)

5）啟動(dòng)土壤溶液取樣裝置后，自動(dòng)自動(dòng)采集土壤溶液樣品，實(shí)驗(yàn)人員及時(shí)將采集的水樣取走，倒空采樣瓶。

三、應(yīng)用案例

1、地下水位調(diào)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(fù)。此外，也研究化學(xué)物質(zhì)在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)轉(zhuǎn)換中的運(yùn)移。用戶是Naples University。

  該系統(tǒng)帶地下水位調(diào)控，根據(jù)野外的地下水位調(diào)控罐體內(nèi)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(xiàng)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(jī)理項(xiàng)目的研究目標(biāo)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(chǔ)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(dòng)態(tài)變化，以及與生物多樣性變化的耦合關(guān)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(zhì)和水量、持水能力）

研究入滲能力的蒸滲儀設(shè)計(jì)圖如下，在Dedelow 蒸滲系統(tǒng)中，罐體表層中間有個(gè)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(nèi)外應(yīng)用如下：

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

長江科學(xué)院貴州蒸滲儀站安裝調(diào)試

中國農(nóng)科院草原所蒸滲儀站安裝調(diào)試

黑龍江水科院蒸滲儀站安裝調(diào)試

安徽水科院蒸滲儀站安裝調(diào)試