[实用新型]一种便携式生态水文实验与监测系统

说明书

技术领域

本实用新型是地学领域里生态水文学研究中的一种便携式生态水文实验与监测系统（简称为Eco-monitors），它被用于在野外开展人工模拟降雨、坡面产流和土壤水动态监测及样品采集、植被覆盖信息提取和植被生理过程监测，服务于降雨-径流、土壤水运动、土壤侵蚀、营养迁移、植被生理变化等生态水文过程的系列研究，属于自然地理系统技术领域。 

背景技术

生态水文学是研究生态格局和生态过程变化水文学机制的科学。生态水文过程是指水文过程与生物动力过程之间的功能关系，不同时空尺度的生态水文过程是揭示生态格局和生态过程变化水文机理的关键；生态水文过程分析需要在水循环过程背景条件下揭示不同尺度土壤-植被-大气系统物质能量的转化过程。对于陆地生态系统，生态水文学主要关注径流、侵蚀等地表过程的水平通量和蒸发、入渗等水文过程的垂直通量及其与生物过程的相互作用。降水及产汇流过程是生态水文过程的主要驱动力，而植物等地表覆被通过降雨再分配、蒸散发及营养循环等参与并对生态水文过程产生重要影响。在不同尺度上的实验示范和监测是生态水文过程研究的重要手段，是研究土壤-植被-大气系统物质能量转化过程的重要途径。生态水文过程模拟与观测主要完成植被信息获取、植物生理监测、人工模拟降雨、土壤水运动监测及径流/土壤水样品采集等方面的工作，相关系统及装置的研发现状与不足介绍如下。 

照相法估算植被覆盖度，以其设备简单、估算精度较高等优势在科学研究和生产中得到了广泛认可。植被覆盖度的估算通常采用简单目测估算法、仪器测量计算法和遥感解译分析法等，其中应用于小尺度植被覆盖测量的方法主要有目估法和照相法。北京师范大学地理学与遥感科学学院章文波等对小区植被覆盖度的测量方法进行了总结，并介绍了如何利用数码相机和数字图像处理技术估算植被覆盖度，结果表明与目估法相比该方法更客观便捷，实用性强，可靠性高。但该方法对照片质量有较高要求，曝光过度会影响计算精度，并因相机和植被高度关系存在几何校正问题，采用数码相机获取样方照片必须根据作业环境和照相高度事先调节焦距和曝光，且作业时工作人员无法实时控制照片质量；采用Photoshop软件等数 字图像处理技术需要高度人机交互，工作量大，批量计算可行性不强；样方照片采集和植被覆盖度计算程序脱离，给数据整理工作带来不便。 

便携式光合作用测量系统，可用于测量植物生理过程及其与水分运移的相互作用机制。包括光合作用、呼吸作用等在内的植物生理过程及土壤呼吸等是生态水文过程研究的重要内容，利用高精度科学仪器实现野外观测显得尤为必要。美国拉哥公司生产的LI-6400相关型号的便携式光合作用测量系统代表了国际植物生理过程监测的先进水平，可以实现包括光合、呼吸(分为植物呼吸和土壤呼吸)、蒸腾、荧光等多项测量功能，多项功能的完全集成使得LI-6400成为生态学研究领域重要的、必不可少的基础研究设备。 

人工模拟降雨方法是利用机械装置模拟天然降雨，开展相关科学研究并迅速获取科研数据的科学方法，已成为室内和野外试验的重要技术手段。北京师范大学地理学与遥感科学学院刘宝元等论述了人工模拟降雨机的基本要求和类型，指出对于降雨-径流模拟实验，人工模拟降雨装置产生的模拟降雨只要具备与天然降雨相似的降雨均匀性和降雨强度，即能满足实验要求,而对于降雨-土壤侵蚀模拟实验，人工模拟降雨只要具备与天然降雨相似的降雨均匀性、雨滴中数直径、终点速度和雨滴谱特性，即可满足实验要求。国内外具有代表性的人工模拟降雨装置主要有：振动式模拟降雨装置，转盘式模拟降雨装置，槽式人工模拟降雨机，SR型人工模拟降雨装置等。但由于受材质、动力及水源的限制，现有人工模拟降雨装置搬运及运作相对费力，资金投入大。 

无损伤土壤含水量及其变化监测、坡面径流/土壤水样品采集装置的研制推动了水分运移和营养迁移理论研究。土壤水分研究通常采用的实验方法主要包括称重法、中子仪法、热分散传感法及时阈反射仪（TDR）法等，其中通过测定土壤的介电特性来测定土壤体积含水量的TDR、FD、SWR等无损伤土壤水测量方法是比较有效的先进测量方法。其对土壤含水量的无损测量及高频数据自动采集使得这种方法比较适合于野外模拟实验的开展和土壤水运动监测。土壤水分样品采集对技术要求较高，可通过土壤采样再利用提取技术提取，也可直接通过安装瓷质多孔的抽气渗水计利用气压抽取，前者将破坏土体并不利于野外大量样品的采集，后者比较适用于野外模拟实验并大量采集土壤水样品。中国科学院地理科学与资源研究所于静洁研究员等研制了一套土壤水分抽样装置，方便土壤水样品野外采集。