Introduction of Water-level and Air Temperature Co-regulated Plot in Sanjiang Plain Experimental Station of Wetland Ecology, Chinese Academy of Sciences

譚穩穩^1,2 蘇昱³ 宋長春¹ 張新厚¹ 韓哲¹ 喬田華¹

（1中國科學院濕地生態與環境重點實驗室，中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春130102，2 中國科學院大學，北京，100049，3大連通博自動化成套設備有限公司，遼寧大連，116000）

摘要：中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站在毛苔草沼澤濕地中建設完成了水位增溫協同控制樣地，通過水位自動控制設備，實現了沼澤濕地中的原位水位控制，在保持微氣候與自然濕地一致的同時可以對水位進行較為精確的控制。該控制樣地設置了包括水位與增溫交互控制在內的6個處理，每個處理5個重復，共計30個樣方，每個樣方的水位獨立控制。該控制樣地的建立將為濕地生態系統過程與功能的相關研究提供強有力的支撐作用。

Abstract: A new plot in which water-level and air temperature were co-regulated in situ was constructed in Sanjiang Plain Experimental Station of Wetland Ecology. The advantage of this plot is that the microclimate of subplots will be same with surroundings and water-level could be regulated automatically. 30 subplots, the water-level of which could be controlled independently, were split into six treatments, including interaction design of water-level and air temperature. The co-regulated plot will be a supporting platform, which will be shared for ecologists of wetlands.

全球氣候變化常伴隨著區域氣溫及降水條件的改變，在濕地生態系統中，將會對生物地球化學循環、能力平衡、植被狀況、生態系統過程與功能等方面產生一系列影響^[1]。迄今為止，關于水位對濕地生態系統影響的研究中一般采用兩種實驗方法：①在自然濕地中選擇立地條件近似、水位梯度存在差異的樣地進行研究^[2-3]；②取濕地植物然后在不同水位下栽培^[4-5]。但這兩種方法均存在一定程度的缺陷：前者雖然樣地所處的環境與自然濕地一致，但在土壤性質、原生植被等方面難免存在差異；后者雖然對植被與養分方面進行了控制，但溫度、濕度等微氣候方面卻很難與自然濕地保持一致。為了克服上述缺陷，需要在濕地生態系統中布設原位水位控制實驗。

在自然濕地尤其是沼澤生態系統中布置原位水位控制實驗存在許多難點，如：①在沼澤中布置隔水樣方，雖然可以隔離水分的橫向交換，但樣方內的水體與環境水體由于土壤的滲透作用依然與環境水體處于連通狀態，水位差將逐漸消失；②生態學實驗要求設置不同的水位梯度，且每個梯度必須具有三個以上的重復，這就要求水位自動控制設備必須具有多個回路，且各回路必須獨立控制。

在中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站（以下簡稱三江站）進行科研樣地建設過程中，設計改進了一套水位自動控制設備，建設了水位增溫協同控制樣地。在沼澤濕地中實現了原位水位自動控制，補給水源為沼澤水可以保證樣方內水體的養分濃度基本一致。并且可以實現在無人值守的狀態下，自動調整各樣方水位，使其穩定在水位控制區間內。

1.       水位增溫協同控制樣地總體介紹

三江站水位增溫協同控制樣地（以下簡稱控制樣地）屬于中國科學院野外站網絡科研樣地建設項目“濕地生態系統科研樣地建設”（項目編號：KFJ-SW-YW020）的建設內容之一，于2016年1月開始執行、2017年7月完全建設完成?？刂茦拥夭荚O于三江站自有試驗場南端（N 47°34'43.72"，E 133°29'26.49"），為典型積水沼澤，主要植被類型為毛苔草群落，生長季踩踏水深20~40cm。該類沼澤具有一個典型的特點，即在積水較深的條件下苔草根莖交織，逐漸形成了漂浮的草根層，通常稱為“浮氈層”^[6]。

1.1.  水位梯度的確定方法

在布置控制樣地之前需要設定基準水位，設定標準為：首先在布置區域內布設隔水樣方，然后用水泵將樣方內的水抽出，在抽水的同時通過預先垂直埋設的透明管（利用微根窗設備，BTC 100X，USA）觀察“浮氈層”的下降情況，當“浮氈層”最底部與黏土層接觸時停止抽水，此時的水位高度即定位基準水位。通過對三江站水文監測歷史數據的分析發現，該區域的多年平均最高水位比基準水位高約10 cm。因此，將水位梯度差設定為10 cm。

1.2 控制樣地的梯度設置

考慮到在全球變化背景下，北半球中高緯度地區的氣溫升高往往導致水位下降[1]?？刂茦拥毓苍O置4個水位梯度，分別為基準水位（簡記為0 cm）、高于基準水位10 cm（簡記為+10 cm）、低于基準水位10 cm（簡記為-10 cm）和低于基準水位20 cm（簡記為-20 cm）。同時為了研究氣溫升高與水位變化的協同效應，在0 cm和10 cm水位梯度中設置了與開頂箱（OTC）交互的處理，即總共設置了10 cm水位、0 cm水位、0 cm水位 × OTC、-10 cm水位、-10 cm水位 × OTC和 -20 cm水位6種處理，每種處理5個重復，共30個樣方（圖1）。

圖1 水位增溫協同控制樣地布置圖

Fig.1 Arrangement of water-level and air temperature co-regulated plot

2.       水位自動控制設備

基于實現多回路自動控制與同時具備補排水功能的目標，我們主持改進設計了一套自動水位控制設備。該設備由控制中樞（1組），臥式自吸離心泵（補水泵）（1臺），水環真空泵（排水泵）（1臺）、電極式液位計（30個），補水電磁閥（30個）、排水電磁閥（30個）、遠傳壓力表（1個）、空氣壓縮機（1臺）、真空罐（1個）、氣動閥（4個）、30路補水分水器（1個）、30路排水分水器（1個）、補水管路（30路）、排水管路（30路）等組成（圖2）。為防止管路堵塞在臥式自吸離心泵前端、30路排水管路前端及排水電磁閥前端均加裝過濾器。

圖2 水位自動控制設備示意圖（只示意一個樣方）

Fig.2 Sketch of automatic water-level control equipment (Expressed with one subplot)

2.1．控制中樞說明

控制中樞由浪涌保護器（1臺）、補水變頻器（1臺）、排水變頻器（1臺）、恒壓供水控制器（1臺）、液位控制器（包括補水繼電器及排水繼電器）（30組）構成（圖3-1、3-2、3-3）。其中補水變頻器與排水變頻器的作用為使供給臥式自吸離心泵（補水泵）與水環真空泵（排水泵）的電壓勻速升壓與降壓，增加泵體使用壽命。

圖3-1 控制中樞電氣原理圖-1

Fig.3-1 Electrical schematic diagram of control center (part 1)

圖3-2 控制中樞電氣原理圖-2

Fig.3-1 Electrical schematic diagram of control center (part 2)

圖3-3 控制中樞電氣原理圖-3

注：圖3-1、3-2、3-3為一個整體回路

Fig.3-1 Electrical schematic diagram of control center (part 3)

Notes: Put the three parts together to form a whole circuit

2.2    電極式液位控制器說明

圖4 電極式液位控制器電路圖

Fig.4 Circuit diagram of electrode level controller

電極式液位控制器功能說明（圖4）：

1）  接通電源后，樣方池水位低于超低液位時，綠色電源指示燈1常亮，燈2，3均為綠色，兩繼電器均處于釋放狀態。

2）  當液位上升，達到超低液位時，燈2，3及繼電器均保持原狀態，當液位達到低液位時，燈2變為紅色，低液位繼電器吸合。

3）  當液位達到高液位時，燈3及高液位繼電器均保持原狀態，當液位達到超高液位時，燈3變為紅色，高液位繼電器吸合。

4）  當液位下降，低于超高液位時，燈3紅燈亮，高液位繼電器保持吸合狀態；當液位低于高液位時，燈3由紅色變為綠色，高液位繼電器釋放。

5）  當液位低于下限時，燈2保持紅色，低液位繼電器仍處于吸合狀態，當液位低于超低液位時，燈2由紅色變為綠色，低液位繼電器釋放。

2.3    設備工作流程說明

本說明以2號樣方為例，其余樣方的設備工作流程與2號樣方相同。

1）打開空氣壓縮機，接通空氣開關QF1、QF2、QF3，撥動恒壓供水控制器開關SB1、管路控制開關（SB2-SB31）、水環真空泵開關（SB33），設備所有部件將均處于電源接通狀態。

2）若2號樣方低于超低液位（即2D）時，2號液位控制器兩繼電器均處于釋放狀態，補水電磁閥DC32處于打開狀態，補水變頻器輸出電壓，臥式離心自吸泵開始工作，從泵房下方的濾水池抽取沼澤水向2號樣方補水；

3）當水位逐漸上升到達2D時，各部件繼續按當前狀態工作；

4）當水位上升到2C時，低液位繼電器KA32吸合，補水電磁閥DC32關閉，樣方停止補水，臥式自吸離心泵繼續工作，當補水分水器壓力達到預設值（0.4MPa）時，補水變頻器停止輸出電壓，臥式離心自吸泵停止工作；

5）當有降雨存在時，樣方內水位上升，當水位上升到2B時，兩繼電器保持當前狀態，所有部件都不動作；

6）當水位繼續上升，達到2A時，高液位繼電器KA2吸合，排水電磁閥DC2打開，氣動閥DC61、DC62打開，排水變頻器輸出電壓，水環真空泵開始工作，真空罐內形成負壓，將樣方中的水抽出吸入真空罐內（如果真空罐內水位達到高液位31A時，真空罐繼電器K61斷開，氣動閥DC61、DC62關閉，排水變頻器停止輸出電壓，水環真空泵停止工作，氣動閥DC63、DC64打開，空氣從DC64進入真空罐平衡壓力，真空罐內儲存的水通過DC63排入沼澤；當真空罐內的水位下降到低液位31B時，真空罐繼電器K61吸合，氣動閥DC63、DC64關閉，氣動閥DC61、DC62打開，排水變頻器開始輸出電壓，水環真空泵開始工作，繼續吸取樣方內的水）；

7）當水位逐漸下降，低于2B時，高液位繼電器KA2釋放，水電磁閥DC2關閉，氣動閥DC61、DC62關閉，排水變頻器停止輸出電壓，水環真空泵停止工作，2號樣方停止向外排水。

8）當水位下降超過2D時，本套設備將重復動作2）、3）、4），進行補水；或當又有降雨發生時，本套設備將重復動作5）、6）、7），進行排水。

因此，該設備控制水位精度取決于電極2A與2D的高度差。

3.       水位控制樣方

控制樣地的單個樣方面積為3 m × 3 m，采用2 mm厚的304不銹鋼板焊接成不透水框架，并在內部襯以1 cm × 1 cm的304不銹鋼方管，以保證在內外水位存在差異的情況下，樣方不會出現變形。樣方總體高度為130 cm，埋入基準水面以下約90 cm。該埋入深度經實踐驗證在內外水位相差30 cm的情況下，樣方內水位變化不超過1 cm/24 h，這就保證了水位自動控制設備不會頻繁啟動，以延長其壽命。

目前，在控制樣地布置的儀器設備包括：土壤大氣溫濕度觀測系統、物候自動觀測相機、微根窗、植物固定監測樣方等。水位自動控制樣地將為氣候變化背景下沼澤濕地水位變化對植物群落、植物功能性狀、土壤微生物群落及土壤生物化學過程等方面的研究提供支撐平臺。

參考文獻：

[1]      宋長春. 濕地生態系統對氣候變化的響應[J]. 濕地科學，2003，1（2）：122-127.

[2]      LENSSEN J, MENTING F, PUTTEN W H et al. Control of plant species richness and zonation of functional groups along a freshwater flooding gradient[J]. Oikos, 1999, 86(3):523-534.

[3]      SILVERTOWN J, ARAYA Y, GOWING D. Hydrological niches in terrestrial plant communities: a review[J]. Journal of Ecology, 2015, 103(1): 93-108.

[4]      ZHANG XINHOU, MAO RONG, GONG CHAO  et al. Effects of hydrology and competition on plant growth in a freshwater marsh of northeast China[J]. Journal of Freshwater Ecology, 2014, 29(1): 117-127.

[5]      SHI FUXI, SONG CHANGCHUN, ZHANG XINHOU et al. Plant zonation patterns reflected by the differences in plant growth, biomass partitioning and root traits along a water level gradient among four common vascular plants in freshwater marshes of the Sanjiang Plain, Northeast China[J]. 2015, 81: 158-164.

[6]      張新厚. 三江平原“大醬缸”的締造者——漂筏苔草[J]. 生命世界，2014（3）：26-27.