一种测量热浪气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置

摘要

本发明涉及热浪研究领域，尤其是一种测量热浪气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，在地面上水平设有一模拟热浪支架，在模拟热浪支架的外侧罩设一透明的塑料布，在模拟热浪支架的内侧顶部设有一加热器，在模拟热浪支架的内侧上部设有一温度测试仪，在模拟热浪支架外侧地面上设有一土壤碳通量自动测量系统与一土壤水分速测仪。本发明结构简单，设计合理，在任何时间都能够对试验区域的草地进行热浪气候模拟，同时能够对试验区域的植被进行模拟刈割，对土壤的碳通量和水通量进行实时监测记录，模拟出在热浪气候下实验区域草原生态系统所能承受的最大刈割程度，能够对当地的割草和放牧等减少植被的工作起到有效的参考作用。

说明书

技术领域：

本发明涉及热浪研究领域，尤其是一种测量热浪气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置。

背景技术：

热浪作为极端气候的一种，由于其发生频率、强度及其对生态系统的影响均逐年增加，受到了科学界越来越多的关注。热浪常常伴随着干旱发生，而刈割更会加速草地生态系统水分散失的速度，导致草地生态系统的碳通量和水通量下降。同时，热浪结束后伴有较高的土壤温度，土壤温度并不像空气温度在热浪结束后立刻回到热浪前的水平，更是加速了草地生态系统的干旱状况。

刈割主要形式包括割草和放牧两种方式，也是中国北方对于草地生态系统利用的主要形式。轻度刈割在初年并不会对生态系统造成显著影响，但是会降低生态系统对于气候热浪的抵御能力。而持续的刈割和极端气候的共同作用会很快破坏生态系用的水热平衡，在次年就会很大程度上改变草地生态系统的水热状态，使生态系统变的脆弱。重度刈割对草地生态系统的影响要更快更显著。割草和放牧会在短期内促进草地生态系统的生产力和提高经济效益，但随着刈割的时间增加，生态系统的水分和能量平衡都会遭到破坏，从长远看，这不仅会降低生态系统的生产力，更重要的是会降低生态系统对于极端气候的抵御能力和草地的荷载能力。

不同地区的草原生态系统抵御极端气候的能力水平各不相同，不同地区草原生态系统能够承受刈割的程度也各不相同，而如何控制刈割程度才能避免破坏当地草原生态系统成为急需解决的问题，现有技术中，并没有一种能够用来研究实验此问题的装置。

发明内容：

本发明提供了一种测量热浪气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，它结构设计合理，安全可靠，在任何时间都能够对试验区域的草地进行热浪气候模拟，能够模拟草原生态系统热浪发生时伴随的微气候变化，包括空气温度和土壤温度的升高，土壤水分的快速散失及相对空气湿度的变化，同时能够对试验区域的植被进行模拟刈割，对土壤的碳通量和水通量进行实时监测记录，根据实验区域土壤的碳通量、水通量在不同刈割程度下所反应出的变化量，模拟出在热浪气候下实验区域草原生态系统所能承受的最大刈割程度，能够对当地的割草和放牧等减少植被的工作起到有效的参考作用，真正对草原生态系统进行科学管理，使牧民等在放牧割草时能够把握好刈割的程度，提高生态系统的生产力，避免植被遭到破坏性刈割，保证草原生态系统正常的的荷载能力和抵御极端气候的能力，保持草原生态系统的可持续性发展，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种测量热浪气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，在地面上水平设有一模拟热浪支架，在模拟热浪支架的外侧罩设一透明的塑料布，在模拟热浪支架的内侧顶部设有一加热器，在模拟热浪支架的内侧上部设有一温度测试仪，在模拟热浪支架内水平设有一模拟刈割装置，在模拟热浪支架外侧地面上设有一土壤碳通量自动测量系统与一土壤水分速测仪，土壤碳通量自动测量系统与土壤水分速测仪的探测部分均设置在模拟热浪支架内部的土壤中。

优选的，所述模拟热浪支架包括若干沿圆周方向竖直均匀设置在地面上的支撑杆，在支撑杆的顶部沿其圆周水平设有一支撑部，所述加热器固定在支撑部的下侧，所述温度测试仪固定在其中一个支撑杆的内侧上部。

优选的，所述支撑部由一水平设置在支撑杆顶部的环形支撑杆组成，在环形支撑杆中设有若干连接杆，所述加热器固定在环形支撑杆中心位置的连接杆底部。

优选的，所述模拟刈割装置包括一竖直设置的升降部与一水平设置的切割部。

优选的，所述升降部包括在每个所述支撑杆内均设有一升降腔，在每个升降腔的一侧开口处活动配合一盖板，在每个升降腔内上下两端分别平行对应铰接设有一齿轮，每个齿轮的转轴两端均活动插接在支撑杆侧壁与盖板上，在每个支撑杆盖板相对一侧的下部均设有一与升降腔内齿轮相连接的电机箱，在每个支撑杆上电机箱一侧均设有一电源箱与一控制器，每个支撑杆上的电源箱、电机箱经导线与控制器相连，在每个支撑杆与盖板相邻的一侧均设有一升降槽，每个升降槽均与圆周设置的支撑杆的圆心相对应设置，在两个齿轮外配合设有一链条，在每个升降槽内均水平活动卡设一设置在链条一侧的连接板，每个连接板的外端均穿出升降槽与一卡板相连接设置，在每个卡板内均设有一沿同一圆周方向设置的弧形插槽。

优选的，所述切割部包括一与弧形插槽相配合的环形轨道，在环形轨道内的直径方向两端分别对称设有一电动轨道车，在两个电动轨道车之间设有一两侧开放设置的切割架，切割架的两端分别通过固定板与其对应的电动轨道车相连接设置，在切割架内的两端水平对应活动插接一皮带轮，在皮带轮外配合设有一外侧设置锯齿的皮带，其中一侧的皮带轮转轴穿过切割架与一电机的输出轴相连，电机固定设置在切割架上，在环形轨道的直径方向上对称设有一传感器，传感器、电机均通过导线与控制器、电源箱相连。

优选的，所述环形轨道由若干相互分离的弧形轨道板拼接而成。

优选的，所述模拟热浪支架包括有三个支撑杆，在两两支撑杆之间均设有一沿其圆周竖直均匀设置的辅助杆，在其中一个辅助杆与相对应的支撑杆的内侧上部分别对称设有一风扇。

优选的，在每个支撑杆与每个辅助杆的底部均竖直设有一地锥。

优选的，在每个支撑杆的顶部均设有一挂钩，挂钩之间通过连接绳相连接设置，所述加热器通过连接绳设置在模拟热浪支架的内侧顶部。

本发明采用上述结构的有益效果是，结构设计合理，安全可靠，在任何时间都能够对试验区域的草地进行热浪气候模拟，能够模拟草原生态系统热浪发生时伴随的微气候变化，包括空气温度和土壤温度的升高，土壤水分的快速散失及相对空气湿度的变化，同时能够对试验区域的植被进行模拟刈割，对土壤的碳通量和水通量进行实时监测记录，根据实验区域土壤的碳通量、水通量在不同刈割程度下所反应出的变化量，模拟出在热浪气候下实验区域草原生态系统所能承受的最大刈割程度，能够对当地的割草和放牧等减少植被的工作起到有效的参考作用，真正对草原生态系统进行科学管理，使牧民等在放牧割草时能够把握好刈割的程度，提高生态系统的生产力，避免植被遭到破坏性刈割，保证草原生态系统正常的的荷载能力和抵御极端气候的能力，保持草原生态系统的可持续性发展。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明去除塑料布的立体结构示意图。

图3为本发明去除塑料布的俯视结构示意图。

图4为本发明去除盖板后支撑杆部分的侧视结构示意图。

图5为图2中A部的局部放大结构示意图。

图6为本发明切割架的局部放大俯视结构示意图。

图7为本发明支撑杆顶部设置环形支撑杆的俯视结构示意图。

图中，1、地锥；2、塑料布；3、加热器；4、挂钩；5、土壤碳通量自动测量系统；6、土壤水分速测仪；7、支撑杆；8、连接绳；9、环形支撑杆；10、连接杆；11、升降腔；12、盖板；13、齿轮；14、电机箱；15、电源箱；16、控制器；17、升降槽；18、链条；19、连接板；20、卡板；21、弧形插槽；22、环形轨道；23、电动轨道车；24、切割架；25、固定板；26、皮带轮；27、锯齿；28、皮带；29、电机；30、传感器；31、弧形轨道板；32、辅助杆；33、风扇；34、温度探头。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-7所示，一种测量热浪气候和刈割对草地生态系统影响的实验装置，在地面上水平设有一模拟热浪支架，在模拟热浪支架的外侧罩设一透明的塑料布2，在模拟热浪支架的内侧顶部设有一加热器3，在模拟热浪支架的内侧上部设有一温度测试仪34，在模拟热浪支架内水平设有一模拟刈割装置，在模拟热浪支架外侧地面上设有一土壤碳通量自动测量系统5与一土壤水分速测仪6，土壤碳通量自动测量系统5与土壤水分速测仪6的探测部分均设置在模拟热浪支架1内部的土壤中。

所述模拟热浪支架包括若干沿圆周方向竖直均匀设置在地面上的支撑杆7，在支撑杆7的顶部沿其圆周水平设有一支撑部，所述加热器3固定在支撑部的下侧，所述温度测试仪34固定在其中一个支撑杆7的内侧上部。

所述支撑部由一水平设置在支撑杆7顶部的环形支撑杆9组成，在环形支撑杆9中设有若干连接杆10，所述加热器3固定在环形支撑杆9中心位置的连接杆10底部。

所述模拟刈割装置包括一竖直设置的升降部与一水平设置的切割部。

所述升降部包括在每个所述支撑杆7内均设有一升降腔11，在每个升降腔11的一侧开口处活动配合一盖板12，在每个升降腔11内上下两端分别平行对应铰接设有一齿轮13，每个齿轮13的转轴两端均活动插接在支撑杆7侧壁与盖板12上，在每个支撑杆7盖板12相对一侧的下部均设有一与升降腔11内齿轮13相连接的电机箱14，在每个支撑杆7上电机箱14一侧均设有一电源箱15与一控制器16，每个支撑杆7上的电源箱15、电机箱14经导线与控制器16相连，在每个支撑杆7与盖板12相邻的一侧均设有一升降槽17，每个升降槽17均与圆周设置的支撑杆7的圆心相对应设置，在两个齿轮13外配合设有一链条18，在每个升降槽17内均水平活动卡设一设置在链条18一侧的连接板19，每个连接板19的外端均穿出升降槽17与一卡板20相连接设置，在每个卡板20内均设有一沿同一圆周方向设置的弧形插槽21。

所述切割部包括一与弧形插槽21相配合的环形轨道22，在环形轨道22内的直径方向两端分别对称设有一电动轨道车23，在两个电动轨道车23之间设有一两侧开放设置的切割架24，切割架24的两端分别通过固定板25与其对应的电动轨道车23相连接设置，在切割架24内的两端水平对应活动插接一皮带轮26，在皮带轮26外配合设有一外侧设置锯齿27的皮带28，其中一侧的皮带轮26转轴穿过切割架24与一电机29的输出轴相连，电机29固定设置在切割架24上，在环形轨道22的直径方向上对称设有一传感器30，传感器30、电机29均通过导线与控制器16、电源箱15相连。

所述环形轨道22由若干相互分离的弧形轨道板31拼接而成。弧形轨道板31方便环形轨道22的安装拼接与拆卸。

所述模拟热浪支架包括有三个支撑杆7，在两两支撑杆7之间均设有一沿其圆周竖直均匀设置的辅助杆32，在其中一个辅助杆32与相对应的支撑杆7的内侧上部分别对称设有一风扇33。辅助杆32能够在环形轨道22配合支撑杆7共同支撑起塑料布2，两个相互对应的风扇33在模拟热浪支架内相互吹动，能够均匀搅拌空气，使二氧化碳测量起来更加准确。

在每个支撑杆7与每个辅助杆32的底部均竖直设有一地锥1。地锥1的设计方便将支撑杆7与辅助杆32插入到地面中。

在每个支撑杆7的顶部均设有一挂钩4，挂钩4之间通过连接绳8相连接设置，所述加热器3通过连接绳8设置在模拟热浪支架的内侧顶部。连接绳8能够将支撑杆7、辅助杆32连接固定在一起。

使用时，首先选择好试验区域，然后将支撑杆7通过其下端的地锥1竖直插入到地面中，通过控制器16控制电机箱14带动齿轮13转动，齿轮13外配合的链条18随之转动，使每个链条18上的连接板19及卡板20调整到同一高度，能够实现多个卡板20在同一水平面上同步上升及下降，调整好卡板20的位置后，将弧形轨道板31依次插入到卡板20的弧形插槽21内，根据弧形轨道板31的位置逐步固定好剩余的支撑杆7，最终多个弧形轨道板31拼接成一个环形轨道22，每两个相邻的弧形轨道板31的连接位置均位于卡板20的弧形插槽21内，使整个弧形轨道板31拼接而成的环形轨道22更加稳定，在支撑杆的顶部通过环形支撑杆9将多个支撑杆7连接起来，通过环形支撑杆9将透明的塑料布2支撑起来，通过塑料布2将模拟热浪支架密闭起来，在环形支撑杆9内的连接杆10底部固定一个加热器3，通过密闭在模拟热浪支架内部的加热器3喷出的热风模拟出热浪气候；

在两两支撑杆7之间均设有一沿其圆周竖直均匀设置的辅助杆32，辅助杆32与支撑杆7共同形成一个环形空间，在辅助杆32与支撑杆7的顶部挂钩4出设置连接绳8，通过连接绳8将支撑杆7与辅助杆32固定连接在一起，加热器3设置在连接绳8的底部，塑料布2遮盖在支撑杆7与辅助杆32组成的模拟热浪支架外部。

通过模拟刈割装置对塑料布2内试验区域的植被进行模拟刈割，在环形轨道22内设置好两个电动轨道车23，在两个电动轨道车23之间固定好切割架24，将其中一个电动轨道车23移动到环形轨道22上的传感器30相对应的位置，在实验开始时，首先通过控制器16来控制电机箱14带动齿轮13转动，齿轮13带动链条18转动，将链条18一侧的连接板19及卡板20调节到合适的高度，使环形轨道22内的电动轨道车23及切割架24位于试验区域内植被上方，

控制器间隔一定的时间会控制电机箱14工作，将环形轨道22向下调整设定的高度，环形轨道22每次调整高度后，控制器16都会再次控制电动轨道车23和电机29开始工作，电动轨道车23在环形轨道22内移动，切割架24以环形轨道22的中心为圆点进行圆周运动，切割架24上的电机29带动切割架24内的皮带轮26转动，皮带轮26带动皮带28快速转动，皮带28外的锯齿27在快速转动下对试验区域内的植被进行切割，与传感器30相对应的电动轨道车23在环形轨道22内移动180°后，位于另一侧的电动轨道车23移动到传感器30位置，传感器30再次感应后将信号传输给控制器16，控制器16控制电动轨道车23及电机29停止工作，完成一次刈割动作。

控制器16在间隔的时间过后，再次控制支撑杆7上的电机箱14带动齿轮转动，使卡板20及环形轨道22下降设定的高度，当电动轨道车23及切割架24跟随环形轨道22下降后，控制器16再次控制电动轨道车23及切割架24上的电机29开始工作，切割架24再次沿着环形轨道22转动180°，通过快速转动皮带28上的锯齿27对植被再一次进行切割，切割架24每转动180°，都能够对环形轨道22内的植被进行全面切割，环形轨道22在控制器16设定的数据下一次下降，然后不断对植被进行模拟刈割，以此循环，将草原植被刈割的情景进行模拟再现，通过模拟刈割装置将草地刈割的现象模拟出来，然后通过土壤碳通量自动测量系统5、土壤水分速测仪6和温度测试仪34对实验过程中土壤的碳通量、水通量和温度进行实时监测记录，根据实验区域土壤的碳通量、水通量在不同温度变化、刈割程度下所反应出的变化量，模拟出在热浪气候下实验区域草原生态系统所能承受的最大刈割程度，能够对当地的割草和放牧等减少植被的工作起到有效的参考作用，真正对草原生态系统进行科学管理，使牧民等在放牧割草时能够把握好刈割的程度，提高生态系统的生产力，避免植被遭到破坏性刈割，保证草原生态系统正常的的荷载能力和抵御极端气候的能力，保持草原生态系统的可持续性发展。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。