高山地区幼苗土壤温度控制系统研究外文翻译资料

高山地区幼苗土壤温度控制系统研究摘要：一种土壤温度控制系统被设计用于高山地区幼苗研究，并于2009年夏季进行了测试。系统由电源开关，稳压器，微电脑定时器，安全继电器，温度控制装置，温度传感器，加热电缆，防火塑料管（PVC），108重型塑料容器和种子组成。加热电缆由6个25厘米宽，320厘米长，25厘米高的2层PVC框架以及3个320厘米长，25厘米宽的用于15°C的土壤温度处理的1层框架构成，2层框架则分别用于在20℃和25℃下的土壤温度处理。每个框架都安装在30厘米宽，330厘米长，30厘米深的沟渠上。将具有20cm顶径，18cm底径和25cm高的12个幼苗容器均匀地放置在每个沟渠中，并用天然土壤填充容器之间的空隙。该系统耗资低廉，可以明显，均匀地增加土壤温度，所有沟渠10cm处容器内土壤温度的最大和最小标准误差分别为plusmn;0.28和plusmn;0.05℃。在该系统中，地上环境是自然的，从早到晚的土壤温度均随气温变化而变化。该研究结果可能让我们更好地了解生态环境。研究结果表明高寒树苗/种子对土壤变暖的生理生态和生长反应可能会比温室，实验室，红外加热灯和敞顶室更好。

关键词：高山山脉；生理生态；幼苗生长;；土壤温度控制系统

简介

高山地区对全球变化更为敏感，近几十年来气温上升幅度高于低海拔地区（国家研究委员会2000）。然而，由于缺乏合适的研究设施，对阿尔卑斯山地区的林下树木对土壤变暖的反应知之甚少。目前在苗木生长生理研究中土壤温度控制不难独立于气温控制，尤其是在温室和实验室中。因此，土壤温度对树木生长和生理过程的影响不再与气温的影响相互混淆，并且在某些环境条件下被认为比气温更重要，在美国中部硬木地区的早春，气温上升到19℃，同时土壤温度在10℃左右，北方红橡树幼苗的根系生长和生理过程受到限制，低土壤温度决定了种植的成败。

在温室和实验室条件下，目前有几种方法可用于控制幼苗生长生理研究中的土壤温度：1）将植物容器浸入由水浴或防冻液构成的温控水中；2）通过环绕植物容器的铜管循环温控水或防冻液； 3）在温度控制的营养液中培养植物，如水培系统； 4）通过调节空气温度控制根部温度（气控系统或雾室）；5）在土壤中使用加热电缆； 6）通过计算机控制生长室中的土壤变暖。

然而，在所有上述系统中都存在一些共同特征：1）这些方法几乎用于小规模实验，甚至仅用于几个容器; 2）研究结果可能不适用于现场条件，因为在温室，实验室和生长室的人造环境中温度一直被控制，而人工环境与自然环境有很大不同。 例如，光强度在本质上是波动的，因此，白天在现场的空气和土壤温度是可变的。不稳定的土壤温度可能会导致树木生长和生理过程的复杂反应。

现场研究的方法也在开发中，但只有少数。 开放式顶室和红外加热灯目前用于野外实验。开顶舱可将空气温度升高1.0至3.5℃，但土壤温度仅略有增加0.4至0.5℃，尤其在高海拔地区。此外，室内的其他环境因素（如降雨和风）也与室外环境因素相比发生变化，因此室内可能会有多种非生物因素对树木生长和生理过程产生交互作用，而不仅仅是温度效应。在5月值10月将陶瓷红外加热器（250W）和高功率红外加热灯悬挂于地面100cm和130cm可以使平均日表面温度增加3.5 ，并使15cm深度处的晚平均土壤温度从1.6增加至4.1℃。 但这种方法是一种成本很高的研究方法，因为能量需求很大，并且不容易调整土壤温度的设定值。

加热电缆的方法用于低地野外实验以及温室，并且消耗能量仅为加热灯方法的十分之一。 这种方法会干扰地下生物群和土壤物理性质，例如土壤通气和孔隙率，但在安装6到12个月后，这些影响将变得并不明显。 此外，当土壤干燥时，这种方法中土壤温度并不均匀，盆内土壤温度差异随着距加热电缆距离的增加而增加。 然而，这种方法从未在湿土地区使用过。

在贡嘎的高山地区，年平均降雨量为1942毫米，平均年相对湿度为90％，土壤含水量通常保持在20％以上。 在这项研究中，一个新的土壤温度控制系统的加热电缆被设计用于该地区的高山野外实验，并进行了测试以克服上述主要缺点。 该系统已被证明适用于实验。

1 方法与原理

1.1 实验场所

这个实验是在中国科学院山地灾害与环境研究所贡嘎森林生态研究站进行的，土壤温度控制系统安装在气象站旁边土壤深度0.00，10.00，20.00，40.00，

60.00，80-100.00厘米处，并通过数据记录器每10分钟自动记录温度一次。 数据被传送到实验站的一个电脑室，并用作实验的控制。

1.2 系统设计

土壤温度控制系统由组件1，电源输入控制器（图1，照片1），组件2，温度控制器（图1，照片2,3），组件3，加热电缆（图1，照片4）和组件4，带容器的幼苗（照片4）构成。

对于组件1，交流电源输入控制器由电源开关，电压调节器（型号SVC10KVA，电子元件制造厂，中国上海），微型计算机定时器（型号ZYT 16，Zhuoyi Electronic Co.，上海）和安全继电器（DZ47LE-32型，中国浙江乐清市正泰电器有限公司）（照片1）。图1显示了他们的联系和工作关系。调节器保持功率稳定性，以保护土壤温度控制系统免受山区电压波动的影响。由于全球变暖增加了昼夜温度的差异，定时器在7:00和19:00关闭了系统的电源。安全继电器确保了人身安全和系统的所有设施安全。一旦整个系统的任何部分突然发生事故，例如短路，漏电，照明，电气故障等，继电器将立即切断电源。

对于组件2，温度控制器由交流接触器（型号CJX2-4011，正泰电气有限公司，中国浙江乐清），温度控制装置（型号DHC2T-D，大华仪器仪表有限公司，浙江温州），子安全继电器和温度传感器（型号PT100，见深圳市科技有限公司，深圳）（图1，照片2,3）构成。测试土壤温度由温度控制装置设置和控制。当土壤温度低于与温度控制装置连接的传感器监测的温度设定值时，交流接触器工作，并且交流电流通过加热电缆以加热土壤。当土壤温度持续升高到设定值1℃以上时，交流接触器立即切断电源。在组件中，如果组件1的继电器不工作，则使用次级安全继电器来保护设施和供热区域中的人们的安全。在这项研究中，三个组件用于测试控制土壤温度的15,20和25℃。

对于组件3，加热电缆的直径为1.0cm，15瓦/米。它的表面分别覆盖了0.10厘米的防腐和防水隔离层（凤雅电缆制造有限公司，成都，四川，中国）。使用图1 土壤温度控制系统结构图

照片1 电源输入控制器的结构由电源开关，稳压器，微电脑定时器和安全继电器等组成

照片2 温度控制器放置在防水塑料盒中

照片3 温度控制器连接交流接触器，温度控制装置，次级安全继电器和温度传感器

照片4 用于不同土壤温度处理的单层和2层加热电缆框架

直径1.5cm的防火塑料管（PVC）制造三个宽25cm，长320cm的单层框架和尺寸相同，高25cm的二层框架。电缆在15℃条件下放置在单层框架表面，在20和25℃条件下置于2层框架的表面（照片4），功率更大的2层结构使30cm深处的土壤温度迅速均匀地增加。 在6.00mtimes;6.00m的加热区内，建成9条宽30cm，长330cm，深30cm的沟渠，两条相邻沟渠之间的距离为30cm（图1）。 三个带加热电缆的单层框架安装在沟渠2,5,8；经20℃处理的三个两层框架位于沟渠1,4和7中；另外三个用于25℃处理的框架放置在沟渠3,6和9中（图1,2，照片4）。 这种系统的安排可以通过统计分析来消除一些气候因素（例如光和风）对土壤温度的影响。 用于控制各种沟渠中相同温度的加热电缆已连接， 并在沟渠4,5和6的10cm深处插入三个温度传感器，分别监测和控制三种土壤温度（图1）。 每个温度控制器（组件2）都使用相同的温度控制沟渠。

对于组件4，试验树种为4年生红松云杉和云杉短枝幼苗，它们是高山地区的生态重要物种。在实验的一年之前，将每个幼苗移植到顶部直径为20cm，底部直径为18cm，高度为25cm的容器中，当处理开始时，容器中的土壤容重和含水量与天然土壤相似。该容器由重型塑料薄膜制成，更适合于容器内部和外部之间的热能交换。生长介质从实验站附近的针叶林采集。每个种类的6个容器随机均匀地放置在每个沟渠中（照片4）。容器之间的空间由天然土壤填充。这些盆苗最好是长成后研究，包括对他们的整个根系的调查。在沟渠的范围中，8-9岁龄的较大树苗可放置处理。

图2 2009年6月24日下午5点至6点30分期间所有沟渠处理的土壤温度

1.3 测量

实验的目的是为高寒地区树苗研究开发适宜的土壤温度控制系统并评估控制质量。 记录土壤温度的防水按钮记录器之一安装在中央容器的每个沟槽10cm土壤深处（照片4）。 从2009年4月28日至8月14日每小时记录一次温度。所有沟渠中所有容器10厘米深处的土壤温度使用数字温度计测量。 数据在5月23日，6月24日和8月12日进行了测量，并用于分析供暖区土壤温度的变化。 气象站可获得相同深度和时间的天然土壤温度。

1.4 数据分析

使用方差分析（ANOVA）来检查控制系统对所有沟渠的平均昼夜，平均每日和每月土壤温度的影响。 计算在所有沟渠的所有盆中在三天内测量的土壤温度的标准误差，以检查加热区域中的土壤温度变化。使用SPSS（版本13）统计软件（SPSS，Inc.，USA）和SigmaPlot（7.0版）软件（Aspire Software International，USA）进行分析。

2 实验结果

2.1 供暖区域的昼夜土壤温度

不同温度沟渠日间土壤温度的变化不同。在20和25℃的沟渠中，土壤温度从7:00到13:00相似地增加，同时增加速度高于15℃沟渠的控制温度。在夜间，20和25℃沟渠的温度比15℃沟渠和对照组的温度要高（图2）。土壤温度峰值出现在16:00，在25℃的沟渠中持续3小时，在20,15℃的沟渠和对照组中，峰值出现在13:00，持续2小时（图3）。

2.2 供暖区域日间平均土壤温度

方差分析结果表明，日间平均土壤温度存在显著差异。

图3 沟渠4，5，6日间平均土壤温度，数据在2009年7月15日由防水按钮记录仪记录

表1 2009年5月1日至7月31日，所有沟渠土壤温度控制系统对日平均土壤温度影响的方差分析。带*的黑体数在95％时显著

表2 2009年5月1日至7月31日所有沟渠日间平均土壤温度差异的多元比较分析.Ti是所有沟渠各处温度的大小。i代表1-9号沟渠。s.e.是标准误差。 带*的黑体数字在95％处有显著差异

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