CN109406728A - 森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置与方法，其中观测装置包括观测托盘，还包括自计式雨量筒，观测托盘的内部设置有滤网，观测托盘的内部的底板设置有导流孔，导流孔与渗漏水分观测筒通过导水管连接。本发明的观测方法包括：步骤一、确定森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的安装位置；步骤二、安装森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置及初始参数确定；步骤三、森林凋落物降雨截持与蒸发观测；步骤四，计算凋落物降雨截持与水分蒸发。本发明的技术方案可以观测森林凋落物的截持降雨量及降雨结束后的凋落物水分蒸发，测定的凋落物截持量和水分蒸发更加准确；同时，还可以进行长期连续动态观测，为更加客观评价森林水源涵养功能等水文生态功能提供科学参考。

Description

森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置与方法

技术领域

本发明涉及借助于测定材料的物理性质来测试领域，特别是涉及一种森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置与方法。

背景技术

森林凋落物层是生态水文循环重要的载体，在截持降雨、防止土壤侵蚀、改良土壤结构等方面发挥着重要的生态功能。森林凋落物层截持的降水一部分渗入土壤层，一部分通过蒸发散失至周围的环境中，因此，森林凋落物层在调控水文循环过程具有重要作用，从而影响着森林水文生态过程。

目前，在森林凋落物截留降雨研究中，多通过实验室模拟获得凋落物的最大截持能力，而在野外观测试验中，对森林凋落物层的截持降水动态多通过测定凋落物水分含量动态的方式估算，因为破坏了凋落物的结构，测定的结构存在较大的误差，而且也很难长期稳定的观测。对于凋落物层的水分蒸发量观测中，目前多将土壤层与凋落物层作为一个整体，通过蒸渗仪的方法测定林下土壤蒸发，无法获知凋落物层的截持降水和水分蒸发动态及其在生态水文循环中的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够开展森林凋落物降雨截持与蒸发的动态观测，以弄清森林凋落物层在森林水文过程中作用的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置与方法。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，包括用于承接森林凋落物及森林凋落物截持的降水的观测托盘，还包括设置于观测托盘旁边的自计式雨量筒，所述观测托盘的内部设置有用于承接森林凋落物的滤网，所述观测托盘的内部的底板设置有用于森林凋落物截持的降水流出的导流孔，所述导流孔与渗漏水分观测筒通过导水管连接。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，所述滤网可拆卸的设置于观测托盘的内部，所述滤网的底部设置有称重传感器。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，观测托盘的上方设置有遮挡网。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，还包括数据采集器，称重传感器、自计式雨量筒、渗漏水分观测筒分别与所述数据采集器连接。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，还包括用于承托观测托盘的支架。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，所述观测托盘包括棱柱状的承接部和棱锥状的引流部，所述引流部的锥尖向下，所述导流孔设置于所述引流部的锥尖，所述滤网设置于所述承接部和引流部之间。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测方法，包括：

步骤一、确定森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的安装位置；

步骤二、安装如权利要求1-6任一项的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置及初始参数确定；

步骤三、森林凋落物降雨截持与蒸发观测；

步骤四，计算凋落物降雨截持与水分蒸发。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测方法，其中，所述步骤一包括：在观测样地的4个角为起点，沿对角线的1/4、1/2、3/4位置设置安装位置，每个观测样地至少设置6个观测位点；

所述步骤二包括：在所述安装位置，安装如权利要求1-6任一项的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，安装完成后，测量观测托盘的尺寸，测定滤网的初始质量，按未分解层、半分解层分层取样森林凋落物，将取样后的森林凋落物放置于滤网之上，取部分凋落物测定凋落物水分含量，确定未分解层的凋落物的干重和半分解层的凋落物的干重；

所述步骤三包括：设置森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的参数，将自计式雨量筒和渗漏水分观测筒接通电源，自计时间频率为1次/30min，称重传感器数据自计频率也设置为1次/30min，自动测量的参数包括：降水量、凋落物水分渗漏量和凋落物质量的动态变化；

所述步骤四包括：在连续观测数据基础上，估算降雨截持与水分蒸发，观测托盘的面积为A，前一日凋落物的测定质量为M1，后一日测定的质量为M2，凋落物的初始干重为M0，观测托盘内的单位面积的凋落物水量变化△S:

△S＝(M2-M1)/A，

如果降雨发生时，近似蒸发量E≈0,设定凋落物层的质量变化是凋落物的降水截持量，根据林内穿透降雨总量P＝△S+渗漏量L+蒸发量E，

△S＝P-L，

根据自计式雨量筒的观测值的算术平均值计算林内穿透降雨总量P，根据渗漏水分观测筒的观测值计算渗漏量L；

降雨结束后，P＝0，△S+L+E＝0，

如果降雨结束后还存在水分渗漏量，假设蒸发量近似为0，按水量平衡原理估算一个降雨事件的降雨截持量，当无降雨发生，且无水分渗漏发生时，P＝0，L＝0，此时蒸发量即为凋落物水分散失量：

E＝-△S。

本发明的技术方案提出了一种森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置与方法，它可以观测森林凋落物的截持降雨量及降雨结束后的凋落物水分蒸发，测定的凋落物截持量和水分蒸发更加准确，方法更加简便；同时，还可以进行长期连续动态观测；对森林凋落物降雨截持与水分蒸发进行动态监测，可更加全面的认识森林凋落物在森林水文循环中的作用，为更加客观评价森林水源涵养功能等水文生态功能提供科学参考。

附图说明

图1为本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的结构示意图的主剖视图；

图2为观测托盘及自计式雨量筒的俯视图；

图3为滤网的仰视图。

具体实施方式

根据水量平衡原理，林内穿透降雨总量(P)应该等于森林凋落物层的水量变化(△S)、渗漏量(L)、蒸发量(E)三者之和，

即P＝△S+L+E，

当有降雨过程发生时，由于此时林内的空气相对湿度非常大，且无太阳辐射，此时可近似考虑为无蒸发量或无穷小，即E≈0，因此，水量平衡公式可以简化为△S＝P-L，此时△S为森林凋落物对降雨的截持量。

当无降雨过程发生时，降雨输入量为零，凋落物层的水分渗漏量L可近似假设为零，根据水量平衡公式，E＝△S，此时凋落物层水量的变化主要是蒸发散失量。

如图1、图2、图3所示，本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，包括用于承接森林凋落物及森林凋落物截持的降水的观测托盘1，还包括设置于观测托盘旁边的自计式雨量筒2，观测托盘的内部设置有用于承接森林凋落物的滤网3，观测托盘的内部的底板设置有用于森林凋落物截持的降水流出的导流孔4，导流孔与渗漏水分观测筒6通过导水管5连接。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，滤网3可拆卸的设置于观测托盘的内部，滤网的底部设置有称重传感器7。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，观测托盘1的上方设置有遮挡网8。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，还包括数据采集器，称重传感器7、自计式雨量筒2、渗漏水分观测筒6分别与数据采集器连接。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，还包括用于承托观测托盘的支架9。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其中，观测托盘1包括棱柱状的承接部11和棱锥状的引流部12，引流部12的锥尖向下，导流孔4设置于引流部的锥尖，滤网设置于承接部和引流部之间。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测方法，包括：

步骤一、确定森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的安装位置；

步骤二、安装如权利要求1-6任一项的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置及初始参数确定；

步骤三、森林凋落物降雨截持与蒸发观测；

步骤四，计算凋落物降雨截持与水分蒸发。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测方法，包括：

步骤一、确定森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的安装位置：在观测样地的4个角为起点，沿对角线的1/4、1/2、3/4位置设置安装位置，每个观测样地至少设置6个观测位点；

步骤二、安装森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置及初始参数确定：在所述安装位置，安装本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，安装完成后，测量观测托盘的尺寸，测定滤网的初始质量，按未分解层、半分解层分层取样森林凋落物，将取样后的森林凋落物放置于滤网之上，取部分凋落物测定凋落物水分含量，确定未分解层的凋落物的干重和半分解层的凋落物的干重；

步骤三、森林凋落物降雨截持与蒸发观测：设置森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的参数，将自计式雨量筒和渗漏水分观测筒接通电源，自计时间频率为1次/30min，称重传感器数据自计频率也设置为1次/30min，自动测量的参数包括：降水量、凋落物水分渗漏量和凋落物质量的动态变化；

步骤四、计算凋落物降雨截持与水分蒸发：在连续观测数据基础上，估算降雨截持与水分蒸发，观测托盘的面积为A，前一日凋落物的测定质量为M1，后一日测定的质量为M2，凋落物的初始干重为M0,根据水量平衡理论，观测托盘内的单位面积的凋落物水量变化△S:

△S＝(M2-M1)/A，

如果降雨发生时，由于蒸发量非常少，近似蒸发量E≈0,此时凋落物层的质量变化可认为是凋落物的降水截持量，根据林内穿透降雨总量P＝△S+渗漏量L+蒸发量E，

△S＝P-L，

根据自计式雨量筒的观测值的算术平均值计算林内穿透降雨总量P，根据渗漏水分观测筒的观测值计算渗漏量L；

降雨结束后，由于存在时滞的问题，此时无降水发生，即P＝0，根据水量平衡原理，此时△S+L+E＝0，

如果降雨结束后还存在水分渗漏量，假设蒸发量近似为0，按水量平衡原理估算一个降雨事件的降雨截持量，当无降雨发生，且无水分渗漏发生时，P＝0，L＝0，此时蒸发量即为凋落物水分散失量：

E＝-△S。

本发明的技术方案能够开展森林凋落物降雨截持与蒸发的动态观测，以弄清森林凋落物层在森林水文过程中作用。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，自计式雨量筒2位于观测托盘1的四周，自计式雨量筒2可以设置多个，例如4个、6个、8个或12个，本实施例中，自计式雨量筒2设置4个，4个自计式雨量筒2分别位于观测托盘1的四周。自计式雨量筒的观测值可以取4个自计式雨量筒2观测值的算术平均值。

自计式雨量筒的收集口的高度低于观测托盘上口5cm左右，自计式雨量筒开口直径20cm，可采用翻斗式的自计式雨量筒连续观测降雨量的变化。

凋落物水分观测托盘(即观测托盘)位于装置的中央，观测托盘四壁高25-30cm，边长约0.8-1.0m，观测托盘底部呈“V”型，即观测托盘的底部中央位置最低，设置导流孔，以利于通过凋落物渗漏的水分能够顺畅的流出，导流孔通过导水管与渗漏水分观测筒连接；观测托盘可用透明塑料材料制作，以减轻装置的重量。在观测托盘底部放置可活动的不绣钢滤网(即滤网)，不绣钢滤网的孔径约2-5mm，用于承载待观测的森林凋落物，不绣钢滤网下部放置称重传感器，用于连续观测凋落物重量的变化，称重传感器通过数据线与数据采集器连接。

称重传感器以设置多个，例如4个、6个、8个或12个，本实施例中，称重传感器设置4个，4个称重传感器均匀分布于滤网上。称重传感器的测量值可以取4个称重传感器测量值的算术平均值。

遮档网架设在托盘的上部，其孔径根据观测凋落物的大小来确定，如果是阔叶树，其凋落物遮网的孔径尺寸可大些，如果是针叶树，其孔径需要小些，其作用主要是防止新凋落的枝叶等进入观测托盘内，从而影响观测结果。

自计式凋落物渗漏水量观测筒(即渗漏水分观测筒)位于凋落物水分观测托盘的下方，通过导水管收集凋落物渗漏出来的降雨，可采用翻斗式的自计式凋落物渗漏水量观测筒连续观测渗漏水量的变化。

支架位于上述的自计式雨量筒、凋落物水分观测托盘和渗漏水分观测筒的下部或外围，起到固定装置的作用。

本发明的森林凋落物降雨截持与蒸发观测方法的实施例，包括：

第一步骤，装置安装位置选择与确定：根据野外观测样地林分调查结果，按照林冠与林窗面积比例与空间分布特征，可按对角线原则确定适当的观测位置，如在观测样地的4个角、对角线的1/4，1/2，3/4等位置作为观测位置。一般情况下，每个观测样地(如面积100m×100m)至少设置6-10个观测位点，根据实际需求，可以加密安装观测位点。

第二步骤，森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置安装及初始参数确定：在确定好的位置上，按照上述装置的组件分别进行安装，安装时需要注意保持装置的水平，并保持装置的稳定性。

安装完成后，精确测量凋落物水分观测托盘的尺寸(长度与宽度)，精确计算各组件面积(m²)；同时，利用电子天平(精度0.1g)精确测定不绣钢滤网的初始质量。然后，将取样后的森林凋落物放置于不绣钢滤网之上，所述的森林凋落物取自于所安装位置附近的地表，取样时按照观测托盘的尺寸确定取样凋落物的面积大小，然后按未分解层、半分解层分层取样，并测定各分层凋落物的湿重质量，按原地表分层置于不绣钢滤网之上；同时取部分凋落物带回室内测定凋落物水分含量，确定未分解层和半分解层的凋落物干重。

第三步骤，凋落物降雨截持与水分蒸发野外观测：在装置安装完成后，设置装置参数，将自计式雨量筒和自计式凋落物渗漏水量观测筒接通电源(如电池)，自计时间频率为1次/30min，称重传感器数据自计频率也设置为1次/30min。自动测量的参数包括：降水量(mm)、凋落物水分渗漏量(mm)和凋落物质量(g)的动态变化，为保持数据的连续性，需要经常对装置进行维护，例如电源更换、装置完好性检查等。

第四步骤，凋落物降雨截持与水分蒸发计算，即在连续观测数据基础上，估算降雨截持与水分蒸发：

假设观测托盘的面积为A(m²)，前一日凋落物的测定质量为M1(g)，后一日测定的质量为M2(g)，凋落物的初始干重为M0(g),根据水量平衡理论，观测托盘内的凋落物水量变化(△S,mm)可表示:

△S(mm)＝(M2-M1)/(1000×A)，

当降雨发生时，由于蒸发量非常少，近似蒸发量E≈0,此时凋落物层的质量变化可认为是凋落物的降水截持量，根据P＝△S+L+E，

△S(mm)＝P(mm)-L(mm)，

在实际应用中，降雨量为4个自计式雨量观测筒观测值的算术平均值，水分渗漏量采用修正后的结果。观测托盘的降雨承接口与自计式凋落物渗漏水量观测筒由于承接面大小的差异，其结果需修正为：

L_a＝(L_obs·πd²)/(400A)，

式中，L_a为观测托盘降水渗漏量(mm)，L_obs为自计式凋落物渗漏水量观测筒实际观测的渗漏水量(mm)，A为观测托盘承接口的面积(m²)，d为标准雨量筒的直径(cm)；

当降雨结束后，由于存在时滞的问题，此时无降水发生，即P＝0，但可能却存在水分渗漏和蒸发过程，此时，根据水量平衡原理，△S+L+E＝0，

为了估算一个降雨场次的凋落物水分截持量，如果降雨结束后还存在水分渗漏量，可对比降水、渗漏过程，将渗漏结束作为一个降雨事件结束的标准，此时假设蒸发量近似为0，按水量平衡原理估算一个降雨事件的降雨截持量；

当无降雨发生，且无水分渗漏发生时，P＝0，L＝0，此时蒸发量即为凋落物水分散失量：

E＝-△S。

本发明的技术方案提出了一种森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置与方法，它可以观测森林凋落物的截持降雨量及降雨结束后的凋落物水分蒸发，测定的凋落物截持量和水分蒸发更加准确，方法更加简便；同时，还可以进行长期连续动态观测；对森林凋落物降雨截持与水分蒸发进行动态监测，可更加全面的认识森林凋落物在森林水文循环中的作用，为更加客观评价森林水源涵养功能等水文生态功能提供科学参考。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以调整步骤顺序、整合步骤内容以及作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其特征在于，包括用于承接森林凋落物及森林凋落物截持的降水的观测托盘，还包括设置于观测托盘旁边的自计式雨量筒，所述观测托盘的内部设置有用于承接森林凋落物的滤网，所述观测托盘的内部的底板设置有用于森林凋落物截持的降水流出的导流孔，所述导流孔与渗漏水分观测筒通过导水管连接。

2.如权利要求1所述的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其特征在于，所述滤网可拆卸的设置于观测托盘的内部，所述滤网的底部设置有称重传感器。

3.如权利要求2所述的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其特征在于，观测托盘的上方设置有遮挡网。

4.如权利要求3所述的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其特征在于，还包括数据采集器，称重传感器、自计式雨量筒、渗漏水分观测筒分别与所述数据采集器连接。

5.如权利要求4所述的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其特征在于，还包括用于承托观测托盘的支架。

6.如权利要求5所述的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，其特征在于，所述观测托盘包括棱柱状的承接部和棱锥状的引流部，所述引流部的锥尖向下，所述导流孔设置于所述引流部的锥尖，所述滤网设置于所述承接部和引流部之间。

7.一种森林凋落物降雨截持与蒸发观测方法，其特征在于，包括：

步骤一、确定森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的安装位置；

步骤二、安装如权利要求1-6任一项的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置及初始参数确定；

步骤三、森林凋落物降雨截持与蒸发观测；

步骤四，计算凋落物降雨截持与水分蒸发。

8.如权利要求7所述的森林凋落物降雨截持与蒸发观测方法，其特征在于，所述步骤一包括：在观测样地的4个角为起点，沿对角线的1/4、1/2、3/4位置设置安装位置，每个观测样地至少设置6个观测位点；

所述步骤二包括：在所述安装位置，安装如权利要求1-6任一项的森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置，安装完成后，测量观测托盘的尺寸，测定滤网的初始质量，按未分解层、半分解层分层取样森林凋落物，将取样后的森林凋落物放置于滤网之上，取部分凋落物测定凋落物水分含量，确定未分解层的凋落物的干重和半分解层的凋落物的干重；

所述步骤三包括：设置森林凋落物降雨截持与蒸发观测装置的参数，将自计式雨量筒和渗漏水分观测筒接通电源，自计时间频率为1次/30min，称重传感器数据自计频率也设置为1次/30min，自动测量的参数包括：降水量、凋落物水分渗漏量和凋落物质量的动态变化；

所述步骤四包括：在连续观测数据基础上，估算降雨截持与水分蒸发，观测托盘的面积为A，前一日凋落物的测定质量为M1，后一日测定的质量为M2，凋落物的初始干重为M0，观测托盘内的单位面积的凋落物水量变化△S:

△S＝(M2-M1)/A，

如果降雨发生时，近似蒸发量E≈0,设定凋落物层的质量变化是凋落物的降水截持量，根据林内穿透降雨总量P＝△S+渗漏量L+蒸发量E，

△S＝P-L，

根据自计式雨量筒的观测值的算术平均值计算林内穿透降雨总量P，根据渗漏水分观测筒的观测值计算渗漏量L；

降雨结束后，P＝0，△S+L+E＝0，

如果降雨结束后还存在水分渗漏量，假设蒸发量近似为0，按水量平衡原理估算一个降雨事件的降雨截持量，当无降雨发生，且无水分渗漏发生时，P＝0，L＝0，此时蒸发量即为凋落物水分散失量：

E＝-△S。