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科普凯尔科技（大连）有限公司，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”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
