[发明专利]一种预测陆地生态系统植物群落覆被的技术与装置

摘要

本发明针对陆地生态系统植物群落覆被观测时间较短、观测误差较高、长期连续人工观测工作量大、效率低的缺点，发明了一种能生成长时间序列、以两周为时间精度的植物覆被技术，可以用于定量描述在气候变化和人类扰动条件下植物群落覆被的变化。该技术首先运用土壤分析仪和植物监测设备获取土壤粒径和植物参数，结合土壤数据库获取土壤水文参数。然后运用动态植被模型模拟植物群落覆被，同时用数码照相机成像获取实测植物覆被，验证模拟结果并修正数据库中的土壤水文和植被参数。该技术和装置具有成本低、预测准确性高、适用范围广的特点，对陆地生态系统植物动态研究和生物多样性保护具有重要的指示意义。

主权项

1.一种生成长时间序列和高精度植物覆被的技术与装置，其特征在于：运用土壤粒径分析仪测量土壤质地，结合数据库信息获取相应质地下的土壤水文参数，用植物监测设备测量植物不同组织的重量并计算各植物参数，存储于数据库中。将土壤水文参数和植物参数输入到植物覆被模拟系统中生成长时间序列的植物覆被数据。通过数码照相系统获取实测植物覆被数据，对模拟数据进行验证并校正数据库中参数。具体的工作原理及装置构造如下：(1)装置各装置详细说明如下：1)样品预处理系统首先对采集的土壤样品过筛，去除体积较大的固体杂质；同时对采集的植物样品进行枝、叶和根等组织的分离，便于称重植物各组分的质量，获取相应的植物参数；2)土壤粒径分析仪土壤水文参数取决于土壤的质地，土壤质地主要依据土壤粒径(粉沙土、沙土、壤土和粘土)进行分类；3)植物监测设备测量植物各组分的重量获取不同的植物参数。例如，根据叶的重量变化得到植物生长速率，根据土地表面及直立部分叶和枝的重量得到植物的死亡速率，根据根的重量变化得到植物吸收土壤水分及养分的速率，同时获取植物根随土壤深度的分布状况。通过测量生长样地及周围裸地的植物生物量得到植物的扩散繁殖速率；4)数据库数据库采用Microsoft Office Access 2010建立，数据库分为土壤水文参数数据库和植物参数数据库。录入不同土壤质地下的土壤水文参数。植物参数依据第3)步的计算结果；5)植物覆被模拟系统植物覆被模拟系统的工作平台采用笔记本电脑戴尔燃7000，操作系统采用Windows 10，软件支持平台采用Eclipse，利用C++计算机编程语言进行开发，植物覆被的模拟主要通过土壤水文和植物两个子模型的相互作用实现；6)数码照相系统数码照相机采用佳能G1X MarkⅢ，有效像素为2420万，具备F2.8‑5.6的大光圈镜头，用于拍摄25到50平方米样地的图像，提取图像中的植物覆被部分，之后通过实时传输线路将处理后的数据传输到植物覆被模拟系统和数据库；7)辅助设备辅助设备包括电源设备、连接线路等；(2)植物覆被的模拟本系统的核心是生成长时间序列的植物群落覆被数据。该模拟基于生态系统过程的植被动态模型。模型的运行基于元胞自动机算法，包括两个子模型水文模型和植被模型：水文模型围绕土壤水分进行方程构建，主要过程包括降水、蒸散发、水分下渗、土壤不同层间的水分扩散、由地形因素引起的地表径流。植被模型围绕植物覆被进行方程搭建，主要过程包括植被的生长、死亡、繁殖、对空间和资源的竞争。植物覆被的输出以每两周为计算的时间精度。每一个元胞代表的面积是5×5m2。模型中包含的植物类型为多年生草本，一年生草本和木本植物；水文过程主要方程：方程(1)中，WS代表土壤湿度，P代表降水，ES代表土壤蒸发，TP代表植物蒸腾，I代表水分下渗，Rout代表地表径流流出；I＝K×na×Sf×WS×(1‑cover×0.5)      (2)方程(2)中，K代表水力电导率，na代表土壤孔隙度，Sf代表土壤结构吸力参数，这些土壤水文参数从土壤水文参数数据库中获取，cover代表植物覆被；方程(3)中，ET代表实际蒸散发，af代表校正因子，代表天均温度，T_max代表天最高温度，T_min代表天最低温度，R_a代表太阳辐射参数，这些气象参数从中国气象数据网(data.cma.cn)下载获取，slope代表的是样点所在地区坡度，alt代表的是样点所在地区海拔；ES＝ET×(1‑b×cover)      (4)Tp＝ET‑ES      (5)方程(4)中，b为校准因子且为正；植物过程主要方程：方程(7)中，Cveg代表植物覆被，G代表植物生长，M代表植物死亡，R代表植物繁殖，C代表植物竞争；方程(8)中，rveg代表某种植物类型的生长速率；方程(9)中，morveg代表某种植物类型的死亡率，rootveg为某种植物类型根生物量占所有植物类型根生物量的百分比；R＝coverveg×estab×(1‑cover)     (10)方程(10)中，estab为某种植物类型扩散繁殖速率，上述植物参数从植物参数数据库中获取。C＝coverveg×(1‑coverveg/cover)      (11)。