CN112362542A - 基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生态功能监测技术领域，公开了一种基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法、系统，测量堰坝与测流设备，在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽，采用压力式水位计进行水位测定；径流小区，测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地，构建径流小区；在集水区内或其周边的空旷地上，设置气象观测站，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定；在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重；用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径分级，用于BEST方程计算。本发明解决了杉木纯林在相同立地连栽2至3代以后导致立地质量明显下降的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于生态功能监测技术领域，尤其涉及一种基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法、系统。
背景技术
目前，随着生态系统生物多样性研究的不断深入，众多学者对于植物多样性如何或以何种方式影响生态系统功能越来越感兴趣。然而大量的研究几乎整个地集中在活体植物以及活体植物的地上部分的相互作用过程，实际上生物多样性的生态系统功能是通过种间相互作用产生的，而这种相互作用很大程度上发生在凋落物分解过程当中，因此植物凋落物被认为具有非常重要的死后效应，并决定了群落和系统水平的生态系统特征15.61。因此植物凋落物的物种多样性对影响整个多样性-功能关系可能也是重要的。
在一个分解作用缓慢，调落物相对积累的生态系统中，植物凋落物可能具有特殊重要的作用。杉木(Cunninghomia lanceolata L amb)Hook)在我国是一个十分重要的用材树种，而在杉木人工纯林生态系统当中，凋落物分解缓慢并积累一厚层凋落物。林农面临的一个严重的问题就是杉木纯林在相同立地连栽2至3代以后导致立地质量明显下降。缓解立地下降问题的一个有效途径就是营造包括某种阔叶树种的混交林，这个阔叶树种一般具有地力养护效应，例如共生固氮作用。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：杉木纯林在相同立地连栽2至3代以后导致立地质量明显下降。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法、系统。
本发明是这样实现的，一种基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，所述基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法包括：
第一步，测量堰坝与测流设备，在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽，采用压力式水位计进行水位测定；
第二步，径流小区，测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地，构建径流小区；
第三步，在集水区内或其周边的空旷地上，设置气象观测站，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定；
第四步，在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重；
第五步，用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径分级，用于BEST方程计算。
进一步，所述第一步巴歇尔流量槽的构建方法包括：
(1)6号或8号巴歇尔流量槽；堰坝和槽体采用砖混结构，槽体内侧铺贴抛光瓷砖，巴歇尔槽进水口上游需有至少5m长、2m宽60cm深的自由水体保证进水基本处于稳流状态，巴歇尔槽出水口要高于下游最高水位；
(2)水位测定与记录，采用压力式水位自动测定记录仪记录巴歇尔槽水位；水位仪安放在巴歇尔槽收缩段中心点一侧的观测井里；观测时，每隔一段时间，将记录仪取出，下载数据；
(3)气象观测站建在堰坝时，设置防护栏。
进一步，所述第二步径流小区的构建方法包括：
(1)挡水墙，径流小区挡水墙用PVC板装配件构建，挡水板高度为50cm，建设时，将40cm埋入地下，地表以上为10cm；
(2)汇流槽，径流小区下端的汇流槽用合金板装配件构建；
(3)径流测量观测，采用自制的双翻斗计量径流小区的径流量，用计数记录仪记录产流量和产流过程；
(4)产沙量测量，在汇流槽出水一端，构建一个体积为500L的沉砂池1个，池底与其出水口高度差为80cm，在某一或某几个降雨过程后采用人工测量方法测得池底沉沙量；沉沙池用PVC大水桶替代，运行中，在每次降雨过程后，及时测量沉沙量并同时清理泥沙；
(5)林内降雨量观测，在径流小区外距离两侧边2m，设置与径流小区长度相同的林内降雨量观测线，在线上各均匀设置4个观测点；在各观测点上放置一容积为5L、口径为10cm的玻璃瓶，在玻璃瓶口上放置一漏斗，漏斗口直径为20.0cm，漏斗颈长度为5cm、内径为1cm，漏斗口保持水平，在每个降雨过程后，测量玻璃瓶内的水体积，再换算为林内降雨量。
进一步，所述第三步包括：在集水区内或其周边的空旷地上，设置气象观测站，观测指标为：空气温湿度、风速风向、照度、降雨量、PM2.5/PM10、气压、二氧化碳；太阳能和蓄电池双供电。
进一步，所述第三步包括：空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定方法：在每个季节，在代表性天气下，于当天的9:00、11:00、13:00、15:00、17:00测定径流小区林内空气负氧离子，同时选择空旷地作为对照样地，进行同样观测。
进一步，所述第四步包括：在径流小区外林地，分别寻找相对较平的地方，将PVC单环垂直平稳打入土中1cm，保持PVC环横断面水平，而后用定量瓶取定量水，将水快速注入单环中，同时用秒表计时，当水在单环表面消失后立即加入第2瓶水，同时记录时间，重复此步骤直到连续注入3次的耗时基本相当时，视为达到稳定状态，停止试验；在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重，重复5次。
进一步，所述将PVC单环地地的内径15.4cm，高10cm。
进一步，所述第六步包括：在各土壤水分下渗试验样地上随机选取5点，采集0-20cm土层土样各300g，带回实验室风干48h后去除石子和植物根系，碾碎全部过2mm筛后，四分法取20g土样，用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径分级。
进一步，所述土壤粒径分级为1-2mm，0.5-1mm，0.25-0.5mm，0.15-0.25mm，0.106-0.15mm，0.053-0.106mm，0.002-0.053mm，0-0.002mm。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测系统，所述基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测系统包括：
水位测定模块，用于在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽1个，采用压力式水位计进行水位测定；
径流小区构建模块，用于测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地2块，构建20m×5m的径流小区各1个；
空气质量检测模块，用于在集水区内或其周边的空旷地上，设置一个小型气象观测站，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定；
土壤水份下渗测试模块，用于在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重；
土壤粒径测定模块，用于实现土壤水分下渗试验样地的土壤粒径分级。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采用测量堰坝与测流设备，在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽，采用压力式水位计进行水位测定；径流小区，测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地，构建径流小区；在集水区内或其周边的空旷地上，设置气象观测站，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定；在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重；用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径分级，用于BEST方程计算；解决了杉木纯林在相同立地连栽2至3代以后导致立地质量明显下降的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测系统的结构示意图；
图中：1、水位测定模块；2、径流小区构建模块；3、空气质量检测模块；4、土壤水份下渗测试模块；5、土壤粒径测定模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法、系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法包括以下步骤：
S101：测量堰坝与测流设备，在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽1个，采用压力式水位计进行水位测定；
S102：径流小区，测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地2块，构建20m×5m的径流小区各1个；
S103：在集水区内或其周边的空旷地上，设置一个小型气象观测站，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定；
S104：在径流小区外林地，分别寻找相对较平的地方，将PVC单环垂直平稳打入土中1cm，保持PVC环横断面水平，而后用定量瓶取定量水，将水快速注入单环中，同时用秒表计时，当水在单环表面消失后立即加入第2瓶水，同时记录时间，重复此步骤直到连续注入3次的耗时基本相当时，视为达到稳定状态，停止试验；
S105：在各土壤水分下渗试验样地上随机选取5点，采集0-20cm土层土样各300g，带回实验室风干48h后去除石子和植物根系，碾碎全部过2mm筛后，四分法取20g土样，用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径分级，用于BEST方程计算。
如图2所示，本发明提供的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测系统包括：
水位测定模块1，用于在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽1个，采用压力式水位计进行水位测定。
径流小区构建模块2，用于测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地2块，构建20m×5m的径流小区各1个。
空气质量检测模块3，用于在集水区内或其周边的空旷地上，设置一个小型气象观测站，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定。
土壤水份下渗测试模块4，用于在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重。
土壤粒径测定模块5，用于实现土壤水分下渗试验样地的土壤粒径分级。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
一、监测试验场地选择，在融水县贝江河林场新安分场内选择中龄林杉木人工纯林闭合性集水区1个，作为气象与水文、空气质量监测林。
二、测量堰坝与测流设备，在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽1个，采用压力式水位计进行水位测定。
(1)巴歇尔流量槽(6号或8号槽)，材料费、运输费、施工费等约13000元/个(含堰坝)；堰坝和槽体采用砖混结构，槽体内侧铺贴抛光瓷砖。巴歇尔槽进水口上游需有至少5m长、2m宽60cm深的自由水体保证进水基本处于稳流状态，巴歇尔槽出水口要高于下游最高水位，防止澭水现象，场地条件不同所产生的土建费用不同。
(2)水位测定与记录，采用美国HOBO U20-001-04压力式水位自动测定记录仪记录巴歇尔槽水位；水位仪安放在巴歇尔槽收缩段中心点一侧的观测井里。观测时，每隔一段时间(如1个月)，将记录仪取出，下载数据。
(3)防护设施(围栏等)，气象观测站建在堰坝时，需设置防护栏。
三、径流小区，测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地2块，构建20m×5m的径流小区各1个，具体的构建方法与用材如下：
(1)挡水墙，径流小区挡水墙用PVC板(厚度约为4mm)装配件构建，挡水板高度为50cm，建设时，将40cm埋入地下，地表以上为10cm。
(2)汇流槽，径流小区下端的汇流槽用合金板(厚度约为4mm)装配件构建(槽宽20cm，深20cm)。
(3)径流测量观测，采用自制的双翻斗(单个翻斗计量为3-5L)计量径流小区的径流量，用计数记录仪记录产流量和产流过程。需定期检查翻斗计量仪，及时清理杂物，保证其自由翻斗，并及时下载记录仪数据。
(4)产沙量测量，在汇流槽出水一端，构建一个体积约为500L的沉砂池1个，池底与其出水口高度差约为80cm，在某一或某几个降雨过程后采用人工测量方法测得池底沉沙量。沉沙池可用PVC大水桶替代。运行中，在每次降雨过程后，及时测量沉沙量并同时清理泥沙。
(5)林内降雨量观测，在径流小区外距离两侧边(坡线)2m，设置一与径流小区长度相同的林内降雨量观测线，在线上各均匀设置4个观测点。在各观测点上放置一容积为5L、口径为10cm的玻璃瓶，在玻璃瓶口上放置一漏斗，漏斗口直径为20.0cm，漏斗颈长度为5cm、内径为1cm，漏斗口保持水平。在每个降雨过程后，测量玻璃瓶内的水体积，再换算为林内降雨量。
四、气象与空气质量观测
在集水区内或其周边的空旷地上，设置一个小型气象观测站，观测指标为：空气温湿度、风速风向、照度、降雨量、PM2.5/PM10、气压、二氧化碳。太阳能和蓄电池双供电。需定期检查仪器，保证其正常运行，及时下载数据。
空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪(深圳普利通电子科技有限公司FLZ-3800)测定。测定方法：在每个季节，在代表性天气下，于当天的9:00、11:00、13:00、15:00、17:00测定径流小区林内空气负氧离子，同时选择附近的空旷地作为对照样地，进行同样观测。
五、土壤水分下渗试验
在径流小区外林地，分别寻找相对较平的地方，将PVC单环(内径15.4cm，高10cm)垂直平稳打入土中1cm，保持PVC环横断面水平，而后用定量瓶取定量水(相当于10mm水柱)，将水快速注入单环中，同时用秒表计时，当水在单环表面消失后立即加入第2瓶水(相同容积)，同时记录时间，重复此步骤直到连续注入3次的耗时基本相当时，视为达到稳定状态，停止试验。在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重。重复5次。
六、土壤粒径测定
在各土壤水分下渗试验样地上随机选取5点，采集0-20cm土层土样各300g，带回实验室风干48h后去除石子和植物根系，碾碎全部过2mm筛后，四分法取20g土样，用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径分级(1-2mm，0.5-1mm，0.25-0.5mm，0.15-0.25mm，0.106-0.15mm，0.053-0.106mm，0.002-0.053mm，0-0.002mm)，用于BEST方程计算。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，所述基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法包括：
测量堰坝与测流设备，在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽，采用压力式水位计进行水位测定；
径流小区，测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地，构建径流小区；
在集水区内或其周边的空旷地上，设置气象观测站，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定；
在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重；
用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径分级，用于BEST方程计算。
2.如权利要求1所述的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，所述巴歇尔流量槽的构建方法包括：
(1)6号或8号巴歇尔流量槽；堰坝和槽体采用砖混结构，槽体内侧铺贴抛光瓷砖，巴歇尔槽进水口上游需有至少5m长、2m宽60cm深的自由水体保证进水基本处于稳流状态，巴歇尔槽出水口要高于下游最高水位；
(2)水位测定与记录，采用压力式水位自动测定记录仪记录巴歇尔槽水位；水位仪安放在巴歇尔槽收缩段中心点一侧的观测井里；观测时，每隔一段时间，将记录仪取出，下载数据；
(3)气象观测站建在堰坝时，设置防护栏。
3.如权利要求1所述的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，所述径流小区的构建方法包括：
(1)挡水墙，径流小区挡水墙用PVC板装配件构建，挡水板高度为50cm，建设时，将40cm埋入地下，地表以上为10cm；
(2)汇流槽，径流小区下端的汇流槽用合金板装配件构建；
(3)径流测量观测，采用自制的双翻斗计量径流小区的径流量，用计数记录仪记录产流量和产流过程；
(4)产沙量测量，在汇流槽出水一端，构建一个体积为500L的沉砂池1个，池底与其出水口高度差为80cm，在某一或某几个降雨过程后采用人工测量方法测得池底沉沙量；沉沙池用PVC大水桶替代，运行中，在每次降雨过程后，及时测量沉沙量并同时清理泥沙；
(5)林内降雨量观测，在径流小区外距离两侧边2m，设置与径流小区长度相同的林内降雨量观测线，在线上各均匀设置4个观测点；在各观测点上放置一容积为5L、口径为10cm的玻璃瓶，在玻璃瓶口上放置一漏斗，漏斗口直径为20.0cm，漏斗颈长度为5cm、内径为1cm，漏斗口保持水平，在每个降雨过程后，测量玻璃瓶内的水体积，再换算为林内降雨量。
4.如权利要求1所述的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，在集水区内或其周边的空旷地上，设置气象观测站，观测指标为：空气温湿度、风速风向、照度、降雨量、PM2.5/PM10、气压、二氧化碳；太阳能和蓄电池双供电。
5.如权利要求1所述的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定方法：在每个季节，在代表性天气下，于当天的9:00、11:00、13:00、15:00、17:00测定径流小区林内空气负氧离子，同时选择空旷地作为对照样地，进行同样观测。
6.如权利要求1所述的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，在径流小区外林地，分别寻找相对较平的地方，将PVC单环垂直平稳打入土中1cm，保持PVC环横断面水平，而后用定量瓶取定量水，将水快速注入单环中，同时用秒表计时，当水在单环表面消失后立即加入第2瓶水，同时记录时间，重复此步骤直到连续注入3次的耗时基本相当时，视为达到稳定状态，停止试验；在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重，重复5次。
7.如权利要求6所述的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，所述将PVC单环地地的内径15.4cm，高10cm。
8.如权利要求1所述的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，在各土壤水分下渗试验样地上随机选取5点，采集0-20cm土层土样各300g，带回实验室风干48h后去除石子和植物根系，碾碎全部过2mm筛后，四分法取20g土样，用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径分级。
9.如权利要求7所述的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法，其特征在于，所述土壤粒径分级为1-2mm，0.5-1mm，0.25-0.5mm，0.15-0.25mm，0.106-0.15mm，0.053-0.106mm，0.002-0.053mm，0-0.002mm。
10.一种实施权利要求1～9任意一项所述基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测方法的基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测系统，其特征在于，所述基于气象与水文的杉木人工林生态功能监测系统包括：
水位测定模块，用于在集水区的出水口，构建巴歇尔流量槽1个，采用压力式水位计进行水位测定；
径流小区构建模块，用于测定所选的集水区的平均坡度，而后在集水区内，选择坡度与集水区平均坡度相近，坡位相同、坡向不同的林地2块，构建20m×5m的径流小区各1个；
空气质量检测模块，用于在集水区内或其周边的空旷地上，设置一个小型气象观测站，空气负氧离子采用便携式空气负离子检测仪测定；
土壤水份下渗测试模块，用于在单环附近用环刀取土样称重后带回实验室测定土壤初始含水量和土壤容重；
土壤粒径测定模块，用于实现土壤水分下渗试验样地的土壤粒径分级。
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