一种用于野外条件下模拟气候变暖的装置

摘要

本发明涉及一种用于野外条件下模拟气候变暖的装置。本发明包括：开顶气室，置于野外地面上，底面边缘沿所述野外地面的地形设置，周边封闭且顶部透气，内部沿底部边缘铺设有空气输入管道；温度反馈控制系统，包括第一温度探头、第二温度探头和温差控制器，所述第一温度探头设置于所述开顶气室的内部，所述第二温度探头设置于所述开顶气室的外部，所述温差控制器连接所述第一温度探头和第二温度探头；空气循环系统，用于在所述温差控制器的控制下通过空气输入管道向所述开顶气室内输入气流。本发明具有建造和维护成本较低、主动稳定增温、精度较高的优点，适用于林下环境并对其中的植物进行模拟增温。

说明书

技术领域

本发明涉及气候变化研究技术领域，具体的说是一种用于野外条件下模拟气候变暖的装置。

背景技术

研究估计到21世纪末全球地表的平均温度将会上升0.3～4.8℃，而温度是生物生长发育的关键因子，气候变暖会对物种以及整个生态系统造成严重的影响。全球气候变暖及其可能造成的生态环境影响一直受到世界各国政府和专家学者的重视。近年来的研究表明，气候变暖会影响物种的生长代谢和发育繁殖，引起生物多样性的丧失。据估计每 6个物种就有1个物种可能因为气候变化的影响而灭绝。气候变暖引起的种群动态和物种分布变化也会影响到生态系统，导致全球生态系统的能量流动和物质循环功能失常。植物物种作为连接土壤与大气的纽带，是生态系统中较为活跃的组成部分，是环境变化的敏感指标。研究气候变化对植物的影响可以帮助我们有效地了解未来气候变化对生态系统造成的影响，近年来研究人员设计了多种增温模拟装置系统用以模拟气候变暖对不同生态系统（比如农田、湿地、森林等）中植物可能造成的影响。其中开顶式生长室增温模拟系统已被广泛用于研究气候变化对植物的影响，因为它可使除温度以外的环境条件（例如阳光，湿度和降雨）保持与周边自然环境中的条件接近。

模拟装置系统可分为被动增温系统和主动增温系统。被动增温系统是被动的依赖太阳辐射导致的温室效应来增温的系统，它们通常用简易材料（例如塑料薄膜）搭建并构成半封闭的温室环境，允许太阳短波辐射进入以及阻挡地面反射的长波辐射出去来形成温室效应增温。其中常见的是被动变暖室和开顶式气室（OTC），它们在早期的野外研究气候变暖的工作中起着重要的作用，以其低成本、简单易行性适合野外环境中使用。然而被动增温系统的缺点也比较明显，太阳辐射强度不同会导致不同天气条件下增温效果的不稳定。在太阳辐射充足时增温可能达到5℃甚至更高，而太阳辐射条件不足时（比如阴雨天气或者夜间）可能不产生增温效果甚至导致样地内温度的降低。因此被动增温系统往往难以稳定的模拟气候变暖效果，不利于定量评估气候变暖对植被生理生态的影响。

为了弥补这些缺陷，研究人员开始设计应用主动增温模拟系统。该类系统通常是运用电流热效应，在供应电能的条件下主动、稳定地提高野外样地内温度。常见的有结合主动加热装置的开顶式气室系统(OTC)和红外辐射加热系统。现阶段的OTC系统为了获得稳定的增温效果，开始在气室中安装主动加热装置（比如电阻丝）来进行增温。比如有研究在OTC中安装主动加热电缆，为生长室提供太阳辐射外的新的稳定能源。和被动开顶式生长室相比，生长室内增温精度有所提高，尤其室在太阳辐射条件较弱的条件下能够让温室内外温差维持在设定范围内。但是在有太阳辐射时，辐射的温室效应和室内增温装置的效果会叠加，导致增温超出实验设定范围，影响气候变暖效应的评估精度。虽然目前已有研究，在主动加热OTC系统中安装了温度反馈控制系统，从而提供更加稳定的增温效果，但是目前该类温度控制系统往往存在构造复杂成本过高问题，不利于大范围推广满足气候变化研究的迫切需求。尤其是采用红外线辐射加热系统是的主动增温模拟系统，建造和运行成本都会大大提高。该类系统是把多个红外辐射灯被悬挂环绕在样地上方1-3米处，把电能转化为红外辐射来直接获得增温效果，从而无需生长室辅助。除了红外辐射灯较高的制造成本（约5000元/个）外，由于加热系统处于完全开放环境，热量散失快，需要消耗大量电力实现稳定增温，所以长期运行成本特别大，不利于推广使用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种用于野外条件下模拟气候变暖的装置，用于解决现有气候变暖模拟系统装置因为成本过高或者增温效果欠佳，难以满足目前模拟研究气候变化影响的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于野外条件下模拟气候变暖的装置，包括：

开顶气室，置于野外地面上，底面边缘沿所述野外地面的地形设置，周边封闭且顶部透气，内部沿底部边缘铺设有空气输入管道；

温度反馈控制系统，包括第一温度探头、第二温度探头和温差控制器，所述第一温度探头设置于所述开顶气室的内部，所述第二温度探头设置于所述开顶气室的外部，所述温差控制器连接所述第一温度探头和第二温度探头，并根据所述第一温度探头和第二温度探头检测的温度差判定是否向输入所述开顶气室内的气流加热；

空气循环系统，用于在所述温差控制器的控制下通过空气输入管道向所述开顶气室内输入气流。

所述开顶气室为六边体结构，包括六个墙壁隔板，每个墙壁隔板为所述六边体结构的一面，墙壁隔板之间固定连接。

所述墙壁隔板的四周为金属框架，金属框架内固定透明PC空心阳光板。

所述金属框架的顶部固定有透气结构，所述透气结构包括六边形框架、钢丝网和纱网，所述钢丝网和纱网连接与所述六边形框架的内部，所述钢丝网位于纱网的下部。

所述空气输入管道位于所述开顶气室的底部，且高于所述野外地面，所述空气输入管道上均匀设有排气孔。

所述野外地面在开顶气室的底面边缘设有沟槽作为地基。

所述第一温度探头位于所述开顶气室的底部或中部。

所述温差控制器包括单片机和继电器；

所述单片机设置有预设的温差设定值，并实时检测所述第一温度探头和第二温度探头之间的温差值，当所述温差值小于或等于所述温差设定值时，控制所述继电器闭合，进而使空气循环系统给所述空气输入管道内的气流加热；当所述温差值大于所述温差设定值时，控制所述继电器断开，进而使所述空气循环系统停止给所述空气输入管道内的气流加热。

所述空气循环系统包括风机、电热丝、三通管道通风接头和通风管道；所述风机的出气口连接通风管道，用于将室外空气输送至通风管道中；所述通风管道内部设置电热丝，所述电热丝连接温差控制器；所述通风管道连接三通道通风接头的一端，所述三通道通风接头的另外两端接入所述空气输入管道。

所述电热丝通过所述继电器连接加热电源。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明具有建造和维护成本较低、主动稳定增温、精度较高的优点，为大范围开展气候变暖模拟实验提供了可能。

2、本发明适用于林下缺乏阳光光照环境，通过主动加热反馈系统实现对其中的植物进行增温以模拟气候变暖的影响。

3、本发明在顶部增加了一个透气结构的设计，使得气室内外的植被能够保持一致的降水条件，同时降低热量耗散速度，实现给较大的植被样方稳定增温。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明实施例的墙壁隔板的结构图；

图3为本发明实施例的开顶气室用于坡面的结构示意图；

图4为本发明实施例的透气结构的结构示意图；

图5为本发明实施例的温差控制器的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的实验在四川省卧龙国家级自然保护区进行。卧龙保护区与四川盆地和青藏高原接壤，保护区内植被类型多样，动植物种类繁多，保存了不少古老物种和特有物种，大熊猫种群数量约占全国的10%。此外，该保护区已发现植物4000多种，昆虫1700多种，脊椎动物450余种，其中兽类109种，鸟类283种。生态系统类型垂直分布，随着海拔升高，呈现出明显的山地自然垂直带谱。保护区水源丰富，气候湿润，温凉多雨，植被呈现典型的垂直分布特点，沿着海拔梯度，主要分布有常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林、亚高山针叶林生态系统。

保护区内大熊猫的主食竹是冷箭竹（Bashania faberi），它也是整个四川野外大熊猫（1387只，占野生大熊猫总数的74％）主要的主食竹之一。同时冷箭竹也是当地森林生态系统的关键物种，为包括大熊猫在内的多个野生动物，比如小熊猫（Ailurus fulgens）等，提供关键栖息地。本发明的实验地点距离卧龙保护区五一棚野外观测站约200米，可以方便地获得电力进行实验，而且地形相对平坦，冷箭竹长势良好。实验点海拔为2560m，处于冷箭竹海拔分布范围（2500 m–3100 m）的边缘，是对气候条件变化敏感的前沿区域，十分有利于检测气候变化对其的影响。

本发明的实验装置如图1所示，一种用于野外条件下模拟气候变暖的装置，包括：开顶气室1，置于野外地面上，底面边缘沿所述野外地面的地形设置，周边封闭且顶部透气，沿气室内的底部边缘设有空气输入管道12；温度反馈控制系统，包括第一温度探头21、第二温度探头22和温差控制器23，所述第一温度探头21设置于所述开顶气室1的内部，所述第二温度探头22设置于所述开顶气室1的外部，所述温差控制器23连接所述第一温度探头21和第二温度探头22；空气循环系统，用于通过所述空气输入管道12向温室内输送稳定气流，并在所述温差控制器23的控制下控制是否加热输入气室的气流。

如图1-2所示，在本发明的一个实施例中，开顶气室1为六边体结构，包括六个墙壁隔板11，每个墙壁隔板11为所述六边体结构的一面，墙壁隔板11之间固定连接，六个墙壁隔板11拼接构成开顶气室1的外墙。墙壁隔板11包括金属框架111、透明PC空心阳光板112和合页。金属框架111可采用铝合金框架，金属框架111内固定透明PC空心阳光板112。透明PC空心阳光板112为市购产品，具有轻便，保温隔热，裁剪方便等优点。每个墙壁隔板11都有合页113，各个金属框架111可以借助合页113方便拼装在一起形成温室外墙。设计的温室可以适用于不同环境，比如林下，草地或湿地，对地面没有严格要求。对于地形不太平整的地方，先放样，然后沿温室的边缘挖出宽约十厘米，深约15厘米的沟槽作为放置温室的地基。对于坡度较大的地形，可以测定坡度，根据坡度条件设计温室各个隔板的形状（如图3所示）。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，金属框架111的顶部连接有透气结构，透气结构包括六边形框架13、钢丝网14和纱网15，所述钢丝网14和纱网15连接与所述六边形框架13的内部，所述钢丝网14位于纱网15的下部。六边形框架13为铝合金六边形边框，边框内部连接钢丝网14，钢丝网14上面固定附着一层透明薄纱（即纱网15）。透气结构的设计目的是在保证雨水能顺利进入开顶气室1的同时，减少热量的流失速度。本发明的装置可以做到比现有技术中的温室大很多，以往该类温室底面积往往在两平方米以下，所以完全不加顶室内外的温差也能保持。这类设计的缺点也很明显，不能给比较大的植被样方加热。本发明的温室底面积达3.75㎡，远大于现有温室，适用性更广。但如果不加顶透气结构，热量流失会大大加速，难以模拟稳定的增温条件。所以本发明在顶部增加了一个透气结构的设计，使得气室内外的植被能够保持一致的降水条件，同时降低热量耗散速度，实现稳定增温。

在本发明的另一个实施例中，空气输入管道12位于所述开顶气室1的底部，且高于所述野外地面，所述空气输入管道12上均匀设有排气孔。第一温度探头21位于开顶气室1的底部或中部。温差控制器23设置有预设温差区间（比如1.5℃±0.1℃），并实时检测所述第一温度探头21和第二温度探头22之间的温差，当所述温差低于所述预设温差区间时，温差控制器23控制所述置于空气循环系统管道12中的加热丝32工作，向输入开顶气室1内的气流加热，将气室内外的温差增加至设定水平；当所述温差超出所述预设温差区间时，温差控制器23控制所述置于空气循环系统管道12中的加热丝32处于非工作状态。随着开顶气室1外气流的稳定输入，开顶气室1内外的温差将再次逐渐下降至预设温差区间，循环上述步骤。

如图5所示，为本发明中控制电热丝工作的温差控制器的电路原理，温差控制器23包括整流模块231、单片机232和继电器233，其中整流模块231的一端连接电源，另一端连接单片机232；单片机232的输入端连接第一温度探头21和第二温度探头22，第一温度探头21和第二温度探头22均采用DS18B20温度传感器，单片机232的输出端连接继电器233的控制端；加热丝32通过继电器233连接电源。其中电源为交流电源，交流电源通入温差控制器23时，首先经整流模块231把交流电变成直流电并稳定电压；然后电流通入温差控制器的单片机232内，单片机232判断并控制继电器233的通断，进而控制电热丝32电流的通断。单片机232是由连接着的2个温度传感器控制，当两个传感器探测的温度差值小于或等于温差设定值时，单片机232控制继电器233闭合，电热丝32加热输入开顶气室1的气流，给开顶气室1增温；当两个传感器的温度差值大于温差设定值时，继电器233断开，流经电热丝32中的电流中断，进入开顶气室1的气流不加热，开顶气室1内外温差开始下降；在开顶气室1内外温差值升至小于或等于温差设定值时，单片机232控制继电器233闭合，依此循环。实际工作中温差设定值不是一个值，而是一个值域。比如要保持温差1.5℃，那这个值域范围会设置成1.5±0.1℃。当温差跳出这个值域，继电器才会改变状态。这样设计的好处是可以避免继电器状态变更过于频繁，从而延长继电器寿命。另外，单片机232上安装着温度显示屏，显示屏实时并交替显示着两个传感器探测的温度。

空气循环系统包括风机31、电热丝32、三通管道通风接头33和通风管道34；所述风机31的进气口用于输入室外空气，出气口连接通风管道34；所述通风管道34内部设置电热丝32，所述电热丝32连接温差控制器23；所述通风管道34连接三通道通风接头33的一端，所述三通道通风接头33的另外两端接入所述空气输入管道12。风机31可采用8英寸排风扇，外面套设有防水盒。三通管道通风接头33可以采用Y形三通管道通风接头。

所述电热丝连接有加热电源，电热丝是市购产品，工作电压220V，功率1KW。