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原文传递一种模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统及方法

专利名称：	一种模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统及方法
摘要：	本发明公开了一种模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统及方法，系统包括均配置于雨棚内的人工降雨子系统、蒸发量监测子系统、气象数据观测子系统以及数据采集子系统。该系统可以准确、自动的进行蒸发量、气象数据的采集工作，数据可导出以便研究人员分析，该实验方法提供了一种从土壤蒸发能量供应和水汽扩散条件角度分析地表覆盖物对土壤蒸发的影响机制。可为科研人员开展科学研究节省时间和人力资源，装置牢固可靠，精度满足实验研究需求，相关成果具有较好的普适性，为有覆盖物覆盖下的土壤实际蒸发量的计算提供了理论基础。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	华中师范大学
发明人：	聂汉江;郝芳华;易军;张海林;刘目兴;徐天祥;任茜;于雷
专利状态：	有效
申请日期：	2022-10-13T00:00:00+0800
发布日期：	2022-12-20T00:00:00+0800
申请号：	CN202211253661.6
公开号：	CN115494222A
代理机构：	北京正华智诚专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	王玲玲
分类号：	G01N33/24;G;G01;G01N;G01N33;G01N33/24
申请人地址：	430079 湖北省武汉市洪山区珞喻路152号
主权项：	1.一种模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统，其特征在于，包括均配置于雨棚(15)内的人工降雨子系统、蒸发量监测子系统、气象数据观测子系统以及数据采集子系统；所述人工降雨子系统用于模拟降雨过程；所述蒸发量监测子系统用于模拟降雨后不同地表覆盖物情况下的土壤蒸发过程；所述气象数据观测子系统用于观测土壤蒸发过程中的气象数据；所述数据采集子系统用于采集土壤蒸发过程的数据以及气象数据观测系统的气象数据，并分析地表覆盖物对土壤蒸发的影响。 2.根据权利要求1所述的模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统，其特征在于，所述蒸发量监测子系统包括第一土壤蒸发模拟单元、第二土壤蒸发模拟单元以及第三土壤蒸发模拟单元；其中，所述第一土壤蒸发模拟单元用于模拟裸土下的土壤蒸发过程；所述第二土壤蒸发模拟单元用于模拟非接触式覆盖下的土壤蒸发过程，非接触式覆盖是指覆盖物对土壤蒸发能量供应有影响而对水汽扩散条件无影响；所述第三土壤蒸发模拟单元用于模拟接触式覆盖下的土壤蒸发过程，接触式覆盖是指覆盖物对土壤蒸发能量供应和水汽扩散条件均有影响。 3.根据权利要求2所述的模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统，其特征在于，所述第一土壤蒸发模拟单元、第二土壤蒸发模拟单元以及第三土壤蒸发模拟单元均包括压式承重传感器(7)以及设置于压式承重传感器(7)上的蒸渗仪(4)，且每个所述蒸渗仪(4)中均填装土壤；其中，所述第二土壤蒸发模拟单元和第三土壤蒸发模拟单元还分别包括第一覆盖物框(5-1)和第二覆盖物框(5-2)，所述第一覆盖物框(5-1)和第二覆盖物框(5-2)底部均为筛网，所述第一覆盖物框(5-1)设置于其对应的蒸渗仪(4)上方，并通过钢丝(8)与桥式承重传感器(6)连接，所述第二覆盖物框(5-2)设置于其对应的蒸渗仪(4)顶部。 4.根据权利要求3所述的模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统，其特征在于，所述人工降雨子系统包括三个人工降水单元，分别设置于第一土壤蒸发模拟单元、第二土壤蒸发模拟单元以及第三土壤蒸发模拟单元中蒸渗仪(4)的上方。 5.根据权利要求3所述的模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统，其特征在于，所述气象数据观测子系统包括日射强度计(9)和气象站(10)，所述日射强度计(9)设置于第二覆盖物框(5-2)和蒸渗仪(4)之间；所述桥式承重传感器(6)、压式承重传感器(7)、日射强度计(9)和气象站(10)均与数据采集子系统连接。 6.一种基于权利要求1～5任一权利要求所述的模拟地表覆盖物对土壤蒸发影响的实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、构建裸土、非接触式覆盖以及接触式覆盖下的土壤蒸发模拟过程，并采集土壤蒸发过程数据； S2、基于采集的土壤蒸发过程数据，分析地表覆盖物对土壤蒸发的影响；其中，地表覆盖物对土壤蒸发的影响包括覆盖物对土壤蒸发能量供应影响、覆盖物对水汽扩散条件影响，以及不同覆盖物特征对土壤蒸发能量供应和扩散条件调节作用大小。 7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S1具体为： S11、将烘干后的理化性质相同的土壤装入各蒸渗仪(4)，将烘干后的理化性质相同的覆盖物装入第一覆盖物框(5-1)和第二覆盖物框(5-2)中，形成裸土、非接触式覆盖以及接触式覆盖的三种土壤蒸发模拟过程实验对照组； S12、打开三个人工降水单元，并在蒸渗仪(4)中土壤、第一覆盖物框(5-1)和第二覆盖物框(5-2)中覆盖物达到饱和含水率时关闭各人工降水单元； S13、持续观测并采集蒸渗仪(4)重量达到恒定过程中的土壤蒸发过程数据，包括覆盖物重量变化、蒸渗仪(4)重量变化、日射强度计(9)记录的太阳辐射量数据以及气象站(10)采集的气象数据。 8.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过对比裸土和非接触式覆盖下的土壤蒸发模拟过程，得到覆盖物对土壤蒸发能量供应的影响分析结果；通过对比接触式覆盖和非接触式覆盖下的土壤蒸发模拟过程，得到覆盖物对水汽扩散条件的影响分析结果；通过分别分析接触式覆盖和非接触式覆盖下的土壤蒸发模拟过程，量化不同覆盖物特征对土壤蒸发能量供应和扩散条件调节作用大小。 9.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S2中，在分析地表覆盖物对土壤蒸发的影响的过程中，覆盖物覆盖土壤界面相对湿度R'NS和风速U'S可通过以下公式联立求解：式中，Es、和分别为裸土、非接触式覆盖和接触式覆盖的土壤蒸发量，RNS和R'NS分别为裸土和覆盖物覆盖土壤界面净辐射量，RH'S为覆盖物覆盖土壤界面相对湿度，U'S为覆盖物覆盖土壤界面风速，e'a、δ'e和r'a分别为覆盖物覆盖土壤界面的实际水汽压、实际水蒸气压与饱和水蒸气压差和空气动力学阻抗，Δ为饱和水汽压对温度的导数，G为土壤热通量，ρa为空气密度，Cp为空气定压比热，λ为水的汽化潜热，γ为空气湿度常数，z为风速、湿度或温度的观测点离地面的高度，d为置换髙度，es为饱和水汽压，ra为裸土和非接触式覆盖组的空气动力学阻抗。 10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S2中，在分析地表覆盖物对土壤蒸发的影响的过程中：覆盖物对土壤蒸发能量供应影响的影响函数f1(·)根据观测数据利用多元线性回归方法获取，其计算公式为： R'NS＝f1(RNS,Type,THK,Ml,ρl) 覆盖物对水汽扩散条件影响的影响函数包含f2(·)和f3(·)：其中，f2(·)为覆盖物对土壤界面相对湿度的影响函数，其根据覆盖物覆盖土壤界面相对湿度R'NS和观测数据，利用多元线性回归方法获取，其计算公式为： RH'S＝f2(RHS,Type,THK,Ml,ρl) f3(·)为覆盖物对土壤界面风速的影响函数，其根据覆盖物覆盖土壤界面风速U'S和观测数据，利用多元线性回归方法获取，其计算公式为： U'S＝f3(US,Type,THK,Ml,ρl) 式中，RNS和R'NS分别为裸土和覆盖物覆盖土壤界面净辐射量，RHS和RH'S分别为裸土和覆盖物覆盖土壤界面相对湿度，US和U'S分别为裸土和覆盖物覆盖土壤界面风速，Type、THK、Ml、ρl分别为覆盖物种类、厚度、蓄积量和容重。