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

谭稳稳^1,2 苏昱³ 宋长春¹ 张新厚¹ 韩哲¹ 乔田华¹

（1中国科学院湿地生态与环境重点实验室，中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102，2 中国科学院大学，北京，100049，3若你安好便是晴天，辽宁大连，116000）

摘要：中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站在毛苔草沼泽湿地中建设完成了水位增温协同控制样地，通过水位自动控制设备，实现了沼泽湿地中的原位水位控制，在保持微气候与自然湿地一致的同时可以对水位进行较为精确的控制。该控制样地设置了包括水位与增温交互控制在内的6个处理，每个处理5个重复，共计30个样方，每个样方的水位独立控制。该控制样地的建立将为湿地生态系统过程与功能的相关研究提供强有力的支撑作用。

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.

全球气候变化常伴随着区域气温及降水条件的改变，在湿地生态系统中，将会对生物地球化学循环、能力平衡、植被状况、生态系统过程与功能等方面产生一系列影响^[1]。迄今为止，关于水位对湿地生态系统影响的研究中一般采用两种实验方法：①在自然湿地中选择立地条件近似、水位梯度存在差异的样地进行研究^[2-3]；②取湿地植物然后在不同水位下栽培^[4-5]。但这两种方法均存在一定程度的缺陷：前者虽然样地所处的环境与自然湿地一致，但在土壤性质、原生植被等方面难免存在差异；后者虽然对植被与养分方面进行了控制，但温度、湿度等微气候方面却很难与自然湿地保持一致。为了克服上述缺陷，需要在湿地生态系统中布设原位水位控制实验。

在自然湿地尤其是沼泽生态系统中布置原位水位控制实验存在许多难点，如：①在沼泽中布置隔水样方，虽然可以隔离水分的横向交换，但样方内的水体与环境水体由于土壤的渗透作用依然与环境水体处于连通状态，水位差将逐渐消失；②生态学实验要求设置不同的水位梯度，且每个梯度必须具有三个以上的重复，这就要求水位自动控制设备必须具有多个回路，且各回路必须独立控制。

在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站（以下简称三江站）进行科研样地建设过程中，设计改进了一套水位自动控制设备，建设了水位增温协同控制样地。在沼泽湿地中实现了原位水位自动控制，补给水源为沼泽水可以保证样方内水体的养分浓度基本一致。并且可以实现在无人值守的状态下，自动调整各样方水位，使其稳定在水位控制区间内。

1.       水位增温协同控制样地总体介绍

三江站水位增温协同控制样地（以下简称控制样地）属于中国科学院野外站网络科研样地建设项目“湿地生态系统科研样地建设”（项目编号：KFJ-SW-YW020）的建设内容之一，于2016年1月开始执行、2017年7月完全建设完成。控制样地布设于三江站自有试验场南端（N 47°34'43.72"，E 133°29'26.49"），为典型积水沼泽，主要植被类型为毛苔草群落，生长季踩踏水深20~40cm。该类沼泽具有一个典型的特点，即在积水较深的条件下苔草根茎交织，逐渐形成了漂浮的草根层，通常称为“浮毡层”^[6]。

1.1.  水位梯度的确定方法

在布置控制样地之前需要设定基准水位，设定标准为：首先在布置区域内布设隔水样方，然后用水泵将样方内的水抽出，在抽水的同时通过预先垂直埋设的透明管（利用微根窗设备，BTC 100X，USA）观察“浮毡层”的下降情况，当“浮毡层”最底部与黏土层接触时停止抽水，此时的水位高度即定位基准水位。通过对三江站水文监测历史数据的分析发现，该区域的多年平均最高水位比基准水位高约10 cm。因此，将水位梯度差设定为10 cm。

1.2 控制样地的梯度设置

考虑到在全球变化背景下，北半球中高纬度地区的气温升高往往导致水位下降[1]。控制样地共设置4个水位梯度，分别为基准水位（简记为0 cm）、高于基准水位10 cm（简记为+10 cm）、低于基准水位10 cm（简记为-10 cm）和低于基准水位20 cm（简记为-20 cm）。同时为了研究气温升高与水位变化的协同效应，在0 cm和10 cm水位梯度中设置了与开顶箱（OTC）交互的处理，即总共设置了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种处理，每种处理5个重复，共30个样方（图1）。

图1 水位增温协同控制样地布置图

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

2.       水位自动控制设备

基于实现多回路自动控制与同时具备补排水功能的目标，我们主持改进设计了一套自动水位控制设备。该设备由控制中枢（1组），卧式自吸离心泵（补水泵）（1台），水环真空泵（排水泵）（1台）、电极式液位计（30个），补水电磁阀（30个）、排水电磁阀（30个）、远传压力表（1个）、空气压缩机（1台）、真空罐（1个）、气动阀（4个）、30路补水分水器（1个）、30路排水分水器（1个）、补水管路（30路）、排水管路（30路）等组成（图2）。为防止管路堵塞在卧式自吸离心泵前端、30路排水管路前端及排水电磁阀前端均加装过滤器。

图2 水位自动控制设备示意图（只示意一个样方）

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

2.1．控制中枢说明

控制中枢由浪涌保护器（1台）、补水变频器（1台）、排水变频器（1台）、恒压供水控制器（1台）、液位控制器（包括补水继电器及排水继电器）（30组）构成（图3-1、3-2、3-3）。其中补水变频器与排水变频器的作用为使供给卧式自吸离心泵（补水泵）与水环真空泵（排水泵）的电压匀速升压与降压，增加泵体使用寿命。

图3-1 控制中枢电气原理图-1

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

图3-2 控制中枢电气原理图-2

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

图3-3 控制中枢电气原理图-3

注：图3-1、3-2、3-3为一个整体回路

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

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

2.2    电极式液位控制器说明

图4 电极式液位控制器电路图

Fig.4 Circuit diagram of electrode level controller

电极式液位控制器功能说明（图4）：

1）  接通电源后，样方池水位低于超低液位时，绿色电源指示灯1常亮，灯2，3均为绿色，两继电器均处于释放状态。

2）  当液位上升，达到超低液位时，灯2，3及继电器均保持原状态，当液位达到低液位时，灯2变为红色，低液位继电器吸合。

3）  当液位达到高液位时，灯3及高液位继电器均保持原状态，当液位达到超高液位时，灯3变为红色，高液位继电器吸合。

4）  当液位下降，低于超高液位时，灯3红灯亮，高液位继电器保持吸合状态；当液位低于高液位时，灯3由红色变为绿色，高液位继电器释放。

5）  当液位低于下限时，灯2保持红色，低液位继电器仍处于吸合状态，当液位低于超低液位时，灯2由红色变为绿色，低液位继电器释放。

2.3    设备工作流程说明

本说明以2号样方为例，其余样方的设备工作流程与2号样方相同。

1）打开空气压缩机，接通空气开关QF1、QF2、QF3，拨动恒压供水控制器开关SB1、管路控制开关（SB2-SB31）、水环真空泵开关（SB33），设备所有部件将均处于电源接通状态。

2）若2号样方低于超低液位（即2D）时，2号液位控制器两继电器均处于释放状态，补水电磁阀DC32处于打开状态，补水变频器输出电压，卧式离心自吸泵开始工作，从泵房下方的滤水池抽取沼泽水向2号样方补水；

3）当水位逐渐上升到达2D时，各部件继续按当前状态工作；

4）当水位上升到2C时，低液位继电器KA32吸合，补水电磁阀DC32关闭，样方停止补水，卧式自吸离心泵继续工作，当补水分水器压力达到预设值（0.4MPa）时，补水变频器停止输出电压，卧式离心自吸泵停止工作；

5）当有降雨存在时，样方内水位上升，当水位上升到2B时，两继电器保持当前状态，所有部件都不动作；

6）当水位继续上升，达到2A时，高液位继电器KA2吸合，排水电磁阀DC2打开，气动阀DC61、DC62打开，排水变频器输出电压，水环真空泵开始工作，真空罐内形成负压，将样方中的水抽出吸入真空罐内（如果真空罐内水位达到高液位31A时，真空罐继电器K61断开，气动阀DC61、DC62关闭，排水变频器停止输出电压，水环真空泵停止工作，气动阀DC63、DC64打开，空气从DC64进入真空罐平衡压力，真空罐内储存的水通过DC63排入沼泽；当真空罐内的水位下降到低液位31B时，真空罐继电器K61吸合，气动阀DC63、DC64关闭，气动阀DC61、DC62打开，排水变频器开始输出电压，水环真空泵开始工作，继续吸取样方内的水）；

7）当水位逐渐下降，低于2B时，高液位继电器KA2释放，水电磁阀DC2关闭，气动阀DC61、DC62关闭，排水变频器停止输出电压，水环真空泵停止工作，2号样方停止向外排水。

8）当水位下降超过2D时，本套设备将重复动作2）、3）、4），进行补水；或当又有降雨发生时，本套设备将重复动作5）、6）、7），进行排水。

因此，该设备控制水位精度取决于电极2A与2D的高度差。

3.       水位控制样方

控制样地的单个样方面积为3 m × 3 m，采用2 mm厚的304不锈钢板焊接成不透水框架，并在内部衬以1 cm × 1 cm的304不锈钢方管，以保证在内外水位存在差异的情况下，样方不会出现变形。样方总体高度为130 cm，埋入基准水面以下约90 cm。该埋入深度经实践验证在内外水位相差30 cm的情况下，样方内水位变化不超过1 cm/24 h，这就保证了水位自动控制设备不会频繁启动，以延长其寿命。

目前，在控制样地布置的仪器设备包括：土壤大气温湿度观测系统、物候自动观测相机、微根窗、植物固定监测样方等。水位自动控制样地将为气候变化背景下沼泽湿地水位变化对植物群落、植物功能性状、土壤微生物群落及土壤生物化学过程等方面的研究提供支撑平台。

参考文献：

[1]      宋长春. 湿地生态系统对气候变化的响应[J]. 湿地科学，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]      张新厚. 三江平原“大酱缸”的缔造者——漂筏苔草[J]. 生命世界，2014（3）：26-27.