武夷山常綠闊葉林水分循環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集信息化研究

汪家社,金昌善,徐輝,吳焰玉,鄭群力,徐涵湄 ,阮宏華

(1.福建省武夷山自然保護(hù)區(qū)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.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210037)

武夷山常綠闊葉林水分循環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集信息化研究

汪家社1,金昌善1,徐輝2,吳焰玉1,鄭群力2,徐涵湄3＊,阮宏華

(1.福建省武夷山自然保護(hù)區(qū)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.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210037)

本項(xiàng)研究以武夷山常綠闊葉林為研究對象,在野外安裝林外氣象因子、林內(nèi)穿透雨、樹干徑流量、地表徑流量等動(dòng)態(tài)變化的自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測儀器,并通過光纖有線技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線采集和傳輸,建立數(shù)據(jù)集中采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),以提高數(shù)據(jù)的精確性,解決因地理?xiàng)l件分散,數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多,無法集中管理且及時(shí)性和準(zhǔn)確性較差的難題,降低復(fù)雜地形條件下森林生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)連續(xù)定位采集工作的難度。

武夷山;常綠闊葉林;水分循環(huán);數(shù)據(jù)采集

森林生態(tài)系統(tǒng)的水文功能不僅是其服務(wù)功能的重要組成部分,而且對系統(tǒng)生產(chǎn)力、養(yǎng)分循環(huán)等其它功能產(chǎn)生影響。森林與水分循環(huán)間的關(guān)系早在 20世紀(jì)初就受到關(guān)注,并開始了森林集水區(qū)的觀測研究[1]。特別是 20世紀(jì) 90年代以后,森林水文學(xué)研究更加強(qiáng)調(diào)水文過程與生態(tài)學(xué)過程的耦合機(jī)制及其尺度效應(yīng),更加關(guān)注水分循環(huán)質(zhì)量及水循環(huán)的生態(tài)學(xué)機(jī)制研究[2-3]。生態(tài)水文學(xué)發(fā)展推動(dòng)了傳統(tǒng)森林水文學(xué)從森林水文機(jī)制和水文特征研究向森林生態(tài)水文學(xué)的新興交叉學(xué)科發(fā)展[4]?，F(xiàn)有森林生態(tài)水文學(xué)研究,主要是測定林外氣象因子、林內(nèi)穿透雨、樹干徑流量、地表徑流量等的動(dòng)態(tài)變化。盡管,森林生態(tài)水文學(xué)已取得了可喜進(jìn)展,但仍然面臨著一些亟待解決的問題。由于森林水分循環(huán)監(jiān)測儀器均分散安裝在野外林內(nèi),野外環(huán)境極容易造成儀器損壞,這直接影響儀器的使用壽命,無法及時(shí)掌握儀器運(yùn)行狀態(tài)影響監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性,同時(shí)也增加野外工作難度和工作量。多年來,森林生態(tài)站監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、管理基本還是手工或半手工狀態(tài),這大大影響了研究人員的研究工作[5]。因此,森林定位研究站走自己的信息化道路是大勢所趨,建設(shè)數(shù)據(jù)采集、傳輸信息化網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)整個(gè)森林定位站的信息化和網(wǎng)絡(luò)化是我們的最終目標(biāo)[6]。

本項(xiàng)研究以武夷山生態(tài)定位研究站常綠闊葉林為研究對象,通過建立水分循環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)集中采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可以隨時(shí)掌握儀器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和各種水文要素隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,試圖解決定位站森林水分循環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的難題,降低復(fù)雜地形條件下森林生態(tài)研究工作的難度,提高數(shù)據(jù)的精確性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

武夷山生態(tài)定位研究站位于武夷山自然保護(hù)區(qū)東側(cè)的黃溪洲 -皮坑口斷裂帶內(nèi),地處北緯 27°42′-27°44′,東經(jīng) 117°44′30″-117°45′10″,河谷流域集水面積 876.2 ha,河谷由東北流向西南,匯水于皮坑入星桐溪,全程 5.125 km,集水區(qū)海拔 1000 m以下以常綠闊葉林為主,面積 309 ha,東面 (坡向西、西北)以甜櫧林、木荷林為主,西面 (坡向東)以絲栗栲、米櫧林為主,均為中亞熱帶典型常綠闊葉林。山脊為馬尾松、臺灣松暖性針葉林,面積 450.8 ha,在海拔900-1100 m處為針葉林和常綠闊葉林混交地帶,河谷星散分布著茶園 (面積 22.3 ha)和毛竹林 (面積 89.7 ha)。徑流場等試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置在東面甜櫧林、木荷林內(nèi),距離定位站實(shí)驗(yàn)樓 1 km。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)備

本研究通過在野外安裝林外氣象因子、林內(nèi)穿透雨、樹干徑流量、地表徑流量等動(dòng)態(tài)變化的自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測儀器,并通過光纖有線技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線采集和傳輸。所需儀器有:全自動(dòng)微氣候觀測儀;HOE1518數(shù)據(jù)開關(guān)量光端機(jī)、終端盒、光纖;CR2-L型雙翻斗流量計(jì)(CR2-L型雙翻斗流量傳感器、CR2-D型數(shù)據(jù)采集器);CR2-D型多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);ST-Y型樹干徑流采集器 (CR2-06型翻斗式雨量傳感器、CR2-D型數(shù)據(jù)采集器);3.8版本CR2-D數(shù)據(jù)采集程序;電腦。

圖 1 ST-Y型樹干徑流采集器安裝流程

2 水分循環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立

2.1 ST-Y型樹干徑流采集器

在樣地內(nèi)選擇分布均勻﹑林冠枝葉結(jié)構(gòu)能代表平均林冠的樣木 4株,安裝樹干徑流采集器流程見圖 1,用橡膠墊帶合圍并固定 (圖 1-A),用扇形軟鐵皮合圍并固定 (圖 1-B),安裝出水管及喉箍 (圖 1-C),纏繞防水絕緣膠帶 (圖示 1-D),堵孔防漏 (圖 1-E),安裝防蟲網(wǎng)和塞桿,敷涂 704硅膠。

2.2 CR2-06型翻斗式雨量傳感器

在儀器使用現(xiàn)場,平整 60cm×60cm的地面并夯實(shí)。在此基礎(chǔ)上澆注 30cm×30cm×10cm(長＊寬＊高)混凝土平臺,并預(yù)埋 M6＊50mm的地腳螺栓 (地腳螺栓高出臺面不少于 15 mm),同時(shí)設(shè)有排水管。將雨量傳感器安裝在上述平臺并用水平尺調(diào)平后,用M6螺母緊固(圖 2)。把 4個(gè) ST-Y型樹干徑流采集器出水管分別連接到 4個(gè) CR2-06型翻斗式雨量傳感器承水器的承水口。穿透雨監(jiān)測根據(jù)樣地林冠層分布的特點(diǎn),隨機(jī)放置 2個(gè) CR2-06型翻斗式雨量傳感器。

將 6個(gè)連接樹干徑流、穿透雨 CR2-06型翻斗式雨量傳感器通過 4芯屏蔽攬線連接光端機(jī) (光發(fā)射機(jī))-終端盒 -光纖到室內(nèi)終端盒 -光端機(jī) (光接收機(jī))-CR2-D型數(shù)據(jù)采集器。

圖 2 CR2-06型翻斗式雨量傳感器安裝流程

圖 3 CR2-L型雙翻斗流量傳感器

2.3 CR2-L型雙翻斗流量傳感器

圖 4 整個(gè)水份循環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集信息化系統(tǒng)

將 CR2-L型雙翻斗流量傳感器底上四個(gè)地腳安裝孔借 4個(gè)M8地腳螺栓、螺母 (或膨脹螺釘)將其固定在混凝土基座,安裝時(shí)并用水平尺將儀器校平。從徑流場出來的徑流引流管流入接流池,經(jīng)沉淀泥沙減緩流速后進(jìn)入 CR2-L型雙翻斗流量傳感器;用 4芯屏蔽攬線連接光端機(jī) -終端盒 -光纖到室內(nèi)終端盒 -光端機(jī) -CR2-D型數(shù)據(jù)采集器 (圖 3)。

2.4 數(shù)據(jù)采集信息化系統(tǒng)

整個(gè)水分循環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集信息化系統(tǒng)框架圖見圖 4:測定樹干徑流、穿透雨 CR2-06型翻斗式雨量傳感器和測定地表徑流 CR2-L型雙翻斗流量傳感器,通過 4芯屏蔽攬線連接光端機(jī) (光發(fā)射機(jī))——終端盒,采用移動(dòng)公司專用焊接設(shè)備焊接光纖延伸到室內(nèi),連接終端盒——光端機(jī) (光接收機(jī))——CR2-D型數(shù)據(jù)采集器——電腦,通過應(yīng)用 3.8版本 CR2-D數(shù)據(jù)采集程序在室內(nèi)分別收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖 5 數(shù)據(jù)采集信息化流程

3 結(jié)論

本研究中的數(shù)據(jù)采集信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)借助光纖有線通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線采集和傳輸,解決了因地理?xiàng)l件復(fù)雜,數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多,安裝儀器分散,無法集中管理且及時(shí)性和準(zhǔn)確性較差的難題,極大的降低了復(fù)雜地形條件下森林生態(tài)研究工作的難度,并且數(shù)據(jù)采集器安裝在室內(nèi)可以延長儀器使用壽命,減少野外工作量。同時(shí)在室內(nèi)可以隨時(shí)了解野外傳感器等設(shè)備的運(yùn)行狀況,出現(xiàn)問題可以及時(shí)得到解決,提高了數(shù)據(jù)的精確性,確保數(shù)據(jù)監(jiān)測的連續(xù)性,推進(jìn)了林業(yè)科技進(jìn)步。

本研究尚還存在不足之處:(1)傳感器連接光纖需要用移動(dòng)公司專用焊接設(shè)備,在野外焊接有一定難度;(2)在林區(qū)使用交流供電線路雖然遭受直擊雷的概率較低,但電源線的雷電電磁脈沖感應(yīng)過電壓極易擊壞儀器,所以必需在室內(nèi)外安裝防雷設(shè)備保護(hù)采集器。

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

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[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]劉世榮,常建國,孫鵬森.森林水文學(xué):全球變化背景下的森林與水的關(guān)系 [J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2007,31(5):753-756.

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[6]國家林業(yè)局.LY/T1872-2010.森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站數(shù)據(jù)管理規(guī)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

福建省科技廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:2008Y0021).

汪家社 (1955-),男,高級工程師,研究方向:森林生態(tài).

＊通訊作者:徐涵湄,女,生態(tài)碩士,Email:xuhanmei@163.com

book=26,ebook=16