武夷山常绿阔叶林水分循环监测数据采集信息化研究

汪家社,金昌善,徐辉,吴焰玉,郑群力,徐涵湄 ,阮宏华

(1.福建省武夷山自然保护区管理局,福建武夷山 354300;2.福建省武夷山生物研究所,福建武夷山 354300;3.南京林业大学森林资源与环境学院,江苏省林业生态工程重点实验室,江苏南京 210037)

武夷山常绿阔叶林水分循环监测数据采集信息化研究

汪家社1,金昌善1,徐辉2,吴焰玉1,郑群力2,徐涵湄3＊,阮宏华

(1.福建省武夷山自然保护区管理局,福建武夷山 354300;2.福建省武夷山生物研究所,福建武夷山 354300;3.南京林业大学森林资源与环境学院,江苏省林业生态工程重点实验室,江苏南京 210037)

本项研究以武夷山常绿阔叶林为研究对象,在野外安装林外气象因子、林内穿透雨、树干径流量、地表径流量等动态变化的自动连续监测仪器,并通过光纤有线技术对监测数据进行实时在线采集和传输,建立数据集中采集网络系统,以提高数据的精确性,解决因地理条件分散,数据采集点多,无法集中管理且及时性和准确性较差的难题,降低复杂地形条件下森林生态系统数据连续定位采集工作的难度。

武夷山;常绿阔叶林;水分循环;数据采集

森林生态系统的水文功能不仅是其服务功能的重要组成部分,而且对系统生产力、养分循环等其它功能产生影响。森林与水分循环间的关系早在 20世纪初就受到关注,并开始了森林集水区的观测研究[1]。特别是 20世纪 90年代以后,森林水文学研究更加强调水文过程与生态学过程的耦合机制及其尺度效应,更加关注水分循环质量及水循环的生态学机制研究[2-3]。生态水文学发展推动了传统森林水文学从森林水文机制和水文特征研究向森林生态水文学的新兴交叉学科发展[4]。现有森林生态水文学研究,主要是测定林外气象因子、林内穿透雨、树干径流量、地表径流量等的动态变化。尽管,森林生态水文学已取得了可喜进展,但仍然面临着一些亟待解决的问题。由于森林水分循环监测仪器均分散安装在野外林内,野外环境极容易造成仪器损坏,这直接影响仪器的使用寿命,无法及时掌握仪器运行状态影响监测数据连续性,同时也增加野外工作难度和工作量。多年来,森林生态站监测数据的采集、传输、管理基本还是手工或半手工状态,这大大影响了研究人员的研究工作[5]。因此,森林定位研究站走自己的信息化道路是大势所趋,建设数据采集、传输信息化网络,实现整个森林定位站的信息化和网络化是我们的最终目标[6]。

本项研究以武夷山生态定位研究站常绿阔叶林为研究对象,通过建立水分循环监测数据集中采集网络系统,可以随时掌握仪器运转状况和各种水文要素随时间的动态变化规律,试图解决定位站森林水分循环监测数据采集的难题,降低复杂地形条件下森林生态研究工作的难度,提高数据的精确性。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

武夷山生态定位研究站位于武夷山自然保护区东侧的黄溪洲 -皮坑口断裂带内,地处北纬 27°42′-27°44′,东经 117°44′30″-117°45′10″,河谷流域集水面积 876.2 ha,河谷由东北流向西南,汇水于皮坑入星桐溪,全程 5.125 km,集水区海拔 1000 m以下以常绿阔叶林为主,面积 309 ha,东面 (坡向西、西北)以甜槠林、木荷林为主,西面 (坡向东)以丝栗栲、米槠林为主,均为中亚热带典型常绿阔叶林。山脊为马尾松、台湾松暖性针叶林,面积 450.8 ha,在海拔900-1100 m处为针叶林和常绿阔叶林混交地带,河谷星散分布着茶园 (面积 22.3 ha)和毛竹林 (面积 89.7 ha)。径流场等试验点设置在东面甜槠林、木荷林内,距离定位站实验楼 1 km。

1.2 试验方法与设备

本研究通过在野外安装林外气象因子、林内穿透雨、树干径流量、地表径流量等动态变化的自动连续监测仪器,并通过光纤有线技术对监测数据进行实时在线采集和传输。所需仪器有:全自动微气候观测仪;HOE1518数据开关量光端机、终端盒、光纤;CR2-L型双翻斗流量计(CR2-L型双翻斗流量传感器、CR2-D型数据采集器);CR2-D型多通道数据采集系统;ST-Y型树干径流采集器 (CR2-06型翻斗式雨量传感器、CR2-D型数据采集器);3.8版本CR2-D数据采集程序;电脑。

图 1 ST-Y型树干径流采集器安装流程

2 水分循环监测数据采集信息化网络系统的建立

2.1 ST-Y型树干径流采集器

在样地内选择分布均匀﹑林冠枝叶结构能代表平均林冠的样木 4株,安装树干径流采集器流程见图 1,用橡胶垫带合围并固定 (图 1-A),用扇形软铁皮合围并固定 (图 1-B),安装出水管及喉箍 (图 1-C),缠绕防水绝缘胶带 (图示 1-D),堵孔防漏 (图 1-E),安装防虫网和塞杆,敷涂 704硅胶。

2.2 CR2-06型翻斗式雨量传感器

在仪器使用现场,平整 60cm×60cm的地面并夯实。在此基础上浇注 30cm×30cm×10cm(长＊宽＊高)混凝土平台,并预埋 M6＊50mm的地脚螺栓 (地脚螺栓高出台面不少于 15 mm),同时设有排水管。将雨量传感器安装在上述平台并用水平尺调平后,用M6螺母紧固(图 2)。把 4个 ST-Y型树干径流采集器出水管分别连接到 4个 CR2-06型翻斗式雨量传感器承水器的承水口。穿透雨监测根据样地林冠层分布的特点,随机放置 2个 CR2-06型翻斗式雨量传感器。

将 6个连接树干径流、穿透雨 CR2-06型翻斗式雨量传感器通过 4芯屏蔽揽线连接光端机 (光发射机)-终端盒 -光纤到室内终端盒 -光端机 (光接收机)-CR2-D型数据采集器。

图 2 CR2-06型翻斗式雨量传感器安装流程

图 3 CR2-L型双翻斗流量传感器

2.3 CR2-L型双翻斗流量传感器

图 4 整个水份循环监测数据采集信息化系统

将 CR2-L型双翻斗流量传感器底上四个地脚安装孔借 4个M8地脚螺栓、螺母 (或膨胀螺钉)将其固定在混凝土基座,安装时并用水平尺将仪器校平。从径流场出来的径流引流管流入接流池,经沉淀泥沙减缓流速后进入 CR2-L型双翻斗流量传感器;用 4芯屏蔽揽线连接光端机 -终端盒 -光纤到室内终端盒 -光端机 -CR2-D型数据采集器 (图 3)。

2.4 数据采集信息化系统

整个水分循环监测数据采集信息化系统框架图见图 4:测定树干径流、穿透雨 CR2-06型翻斗式雨量传感器和测定地表径流 CR2-L型双翻斗流量传感器,通过 4芯屏蔽揽线连接光端机 (光发射机)——终端盒,采用移动公司专用焊接设备焊接光纤延伸到室内,连接终端盒——光端机 (光接收机)——CR2-D型数据采集器——电脑,通过应用 3.8版本 CR2-D数据采集程序在室内分别收集监测数据。

图 5 数据采集信息化流程

3 结论

本研究中的数据采集信息化网络系统借助光纤有线通讯技术,实现了监测数据实时在线采集和传输,解决了因地理条件复杂,数据采集点多,安装仪器分散,无法集中管理且及时性和准确性较差的难题,极大的降低了复杂地形条件下森林生态研究工作的难度,并且数据采集器安装在室内可以延长仪器使用寿命,减少野外工作量。同时在室内可以随时了解野外传感器等设备的运行状况,出现问题可以及时得到解决,提高了数据的精确性,确保数据监测的连续性,推进了林业科技进步。

本研究尚还存在不足之处:(1)传感器连接光纤需要用移动公司专用焊接设备,在野外焊接有一定难度;(2)在林区使用交流供电线路虽然遭受直击雷的概率较低,但电源线的雷电电磁脉冲感应过电压极易击坏仪器,所以必需在室内外安装防雷设备保护采集器。

[1]Andréassian V.Waters and forests:from historical controversy to scientific debate[J].Journal of Hydrology,2004,291:1-27.

[2]Giertz S,DiekkragerB.Analysis of the hydrological processes in a small headwater catchment in Benin(West Africa)[J].Physics and Chemistry of the Earth,2003,28:1333-1341.

[3]Brown A E,ZhangL,McMahon TA.A review of paired catchment studies for determining changes inwater yield resulting from alterations in vegetation[J].Journal of Hydrology,2005,310:28-61.

[4]刘世荣,常建国,孙鹏森.森林水文学:全球变化背景下的森林与水的关系 [J].植物生态学报,2007,31(5):753-756.

[5]王兵,李少宁.数字化森林生态站构建技术研究[J].林业科学,2006,42(1):116-121.

[6]国家林业局.LY/T1872-2010.森林生态系统定位研究站数据管理规范[1](S).2010.

A STUDY ON AUTOMATIC AND D IGITAL ACQUISITI ON SYSTEM OF HYDROLOGIC CYCLE IN EVERGREEN BROAD-LEAF FOREST ECOSYSTEM INW UY IMOUNTA IN

Wang Jia-she1,Jin Chang-shan1,Xu Hui2,Wu Yan-yu1,ZhengQun-li2,Xu Han-mei3,Ruan Hong-hua3
(1.TheNationalN atural Preserve ofW uyiM ountains in Fujian Province,W uyishan Fujian354300,China;2.TheB iological Institute ofW uyiM ountains in Fujian Province,W uyishan Fujian354300,China;3.Key Laboratory of Forestry Ecological Engineering of Jiangsu Province,College of Forest Resources and Environm ental Science,Nanjing Forestry University,N anjing Jiangsu210037,China)

In this item,theWuyiMountain evergreen broad-leaved forestwas introduced as the research object.In the outdoor field,the automatic continuousmonitor equipmentswere installed for the inspection of dynamic changesofmeteorological factors,penetration rainfall inner forest,trunkpathway-runoff flow and terra surface pathway runoff.The inspection datawere collected and transmitted by optical fiberwith on-line real-time processing.The centralized collection system of data network was built to enhance the accuracy and timeliness of the data acquisition,and to solve the problem ofmulti-plot data acquisition in the complicated geographical conditions to reduce the difficulty of the long-ter m continuous inspection in the fixed field sites.

WuyiMountain;evergreen broadleaf forest;hydrologic cycle;data acquisition

S716.4

A

1001-4276-(2010)01-0052-07

2010-10-12

福建省科技厅重点资助项目(项目编号:2008Y0021).

汪家社 (1955-),男,高级工程师,研究方向:森林生态.

＊通讯作者:徐涵湄,女,生态硕士,Email:xuhanmei@163.com

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