一种便携式生态水文实验与监测系统技术方案

一种便携式生态水文实验与监测系统，它集成了五部分主体功能模块：（1）植被覆盖度动态获取装置与系统,实现样方照片采集和植被覆盖度信息实时、动态、批量获取；（2）便携式光合作用测量系统,实现植物光合、植物和土壤呼吸、蒸腾、荧光多项植物生理测量功能；（3）便携式人工模拟降雨装置，实现一平方米样方上的可变雨强模拟降雨；（4）土壤水运动监测装置,实现土壤体积含水量实时动态监测；（5）径流/土壤水采样装置，实现坡面径流和土壤水样品采集；这五部分主体功能模块之间的关系是各组成部分既是相互独立的功能模块,又是相互联系的有机整体：它适用于野外大量模拟实验和监测工作的开展，对生态水文过程研究起到技术支撑作用。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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

技术介绍
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L1-6400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L1-6400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、SffR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米集。充分考虑上述每种类型装置的优点及局限性，在合理创新的基础上将其对接，充分突出便携性和合理性，方便生态水文过程野外模拟实验的开展和大批量实验及监测数据的获取，是需要解决的关键问题。本技术根据生态水文过程研究野外实验和监测需求，开展了便携式生态水文实验与监测系统(Ecomonitors)的研制与集成,在实现关键环节创新的基础上，该系统装置充分体现了便携性特征，为降雨-径流、土壤侵蚀、营养运移、土壤水运动及植物生理等生态水文关键过程的模拟实验与监测提供技术支撑。
技术实现思路
本技术的目的是充分参考相关领域已有实验装置与监测系统优点和局限性，合理创新，科学架构，提供一种便携式生态水文实验与监测系统，它是一套集成植被覆盖度动态获取、便携式光合作用测量、便携式人工模拟降雨、土壤水运动监测及径流/ 土壤水采样等关键功能模块装置与软件处理系统的系列生态水文实验与监测装置与系统，充分体现装置的便携性，装置与系统的充分耦合，适用于野外大量模拟实验和监测工作的开展，方便批量获取像元尺度实测数据，对降雨-径流、土壤水运动、土壤侵蚀、营养迁移、植物生理作用等关键生态水文过程研究起到技术支撑作用。本技术Eco-monitors集成了五部分主体功能模块(图1):(1)植被覆盖度动态获取系统(VC-DAD和VC-DAS)，实现样方照片采集和植被覆盖度信息实时、动态、批量获取；(2)便携式光合作用测量系统(L1-6400)，实现植物光合、呼吸(分为植物呼吸和土壤呼吸)、蒸腾、荧光等多项植物生理测量功能；(3)便携式人工模拟降雨装置(CSRS)，实现一平方米样方上的可变雨强模拟降雨；(4) 土壤水运动监测装置(HOBO)，实现土壤体积含水量实时动态监测；(5)径流/ 土壤水采样装置，实现坡面径流和土壤水样品采集。这五部分主体功能模块之间的关系是各组成部分既是相互独立的功能模块，又是相互联系的有机整体:既能独立完成样方植被覆盖度信息提取、植物生理过程监测、人工模拟降雨、土壤水运动监测及径流和土壤水采样等功能，分别开展相关科学问题的野外模拟与监测研究；又能相互耦合为生态水文诸过程研究提供集成技术条件，如人工模拟降雨、土壤水动态监测和水样采集的耦合实现，为降雨发生及入渗、产流等水文过程及水土流失、营养迁移等相关过程的连续观测和研究成为可能，同时，地表盖度信息快速获取和植被生理过程实时监测功能的实现，为研究植被和水分再分配过程如截留、入渗、蒸发等和营养物质循环过程的相互关系提供了必要条件。本技术Eco-monitors集成的五部分主体功能模块基于生态水文科学发展对生态水文过程实验研究和野外监测的科学需求，能够满足生态水文过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式生态水文实验与监测系统，其特征在于：它集成了五部分主体功能模块：（1）植被覆盖度动态获取系统；（2）便携式光合作用测量系统；（3）便携式人工模拟降雨装置；（4）土壤水运动监测装置；（5）径流/土壤水采样装置；五者之间的关系是各组成部分既是相互独立的功能模块,又是相互联系的有机整体：?所述植被覆盖度动态获取系统是由便携式硬件设备装置构成，该便携式硬件设备装置由摄像头、摄像头云台、动力舱、支架、笔记本电脑、连接线、固定配件功能组件组成；摄像头置于摄像头云台上并通过摄像头固定件固定，支架测量杆的下端与支架底座相连，其上端与动力舱固定件相连，动力舱置于动力舱固定件上方，它通过动力舱连接线与摄像头相连，笔记本电脑通过摄像头连接线与摄像头连接；?所述便携式光合作用测量系统用于光合、植物呼吸和土壤呼吸、蒸腾、荧光多项植物生理功能的测量，其测量参数包括：净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Ts)、细胞间隙CO2浓度(Ci)、大气CO2浓度(Ca)、光量子通量密度(PFD)、叶温(TL)、相对空气湿度(RH)；?所述便携式人工模拟降雨装置由供水动力装置、降雨喷头、支架、输水管、流量计、压力表、挡风棚、样方框、遮雨罩、集流槽组成；降雨喷头固定在支架顶端并置于样方装置正上方，它通过供水动力装置的输水管与该装置中的压力表、流量计、人工压力泵和水桶连接，样方装置中的样方框嵌入土壤样方，三面封闭，开放一面与该装置中的集流槽无缝结合，遮雨罩完全遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出水端下方；?所述土壤水运动监测装置是一种多通道气象监测装置，用来监测风速、风向、空气温/湿度、大气压力、降雨量、光照及土壤温/湿度气象参数，实现实时监测不同深度土层的土壤水变化；?所述径流/土壤水采样装置包括径流收集装置和土壤水分采样装置；径流收集装置是由遮雨罩、集流槽、样方框和量杯组成，样方框圈出样方，坡底方向开放，无缝结合集流槽，以便引出坡面产流，遮雨罩遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出流一段下方，承接径流；该样方框是三面封闭一面开放的铁质方框，入土一面稍薄，以便嵌入土壤，圈出样方，并防止径流外流；该集流槽是V形铁质槽状装置，V形一边有5cm水平延伸，以便插入土体，一端封闭一端开放，将产流全部导出；该遮雨罩是通过两根钢筋固定于集流槽上的长方形铁页，与水平面呈30度倾角，以便将落在铁页上的雨水导出样方区外；该量杯的容量根据产流量和量测时间间隔确定；土壤水分采样装置由测头、采样瓶、导水/气管和抽气泵组成,完成野外人工模拟降雨实验的坡面产流和土壤水采样工作。...

【技术特征摘要】
1.一种便携式生态水文实验与监测系统，其特征在于:它集成了五部分主体功能模块:(I)植被覆盖度动态获取系统；(2)便携式光合作用测量系统；(3)便携式人工模拟降雨装置；(4) 土壤水运动监测装置；(5)径流/ 土壤水采样装置；五者之间的关系是各组成部分既是相互独立的功能模块，又是相互联系的有机整体: 所述植被覆盖度动态获取系统是由便携式硬件设备装置构成，该便携式硬件设备装置由摄像头、摄像头云台、动力舱、支架、笔记本电脑、连接线、固定配件功能组件组成；摄像头置于摄像头云台上并通过摄像头固定件固定，支架测量杆的下端与支架底座相连，其上端与动力舱固定件相连，动力舱置于动力舱固定件上方，它通过动力舱连接线与摄像头相连，笔记本电脑通过摄像头连接线与摄像头连接； 所述便携式光合作用测量系统用于光合、植物呼吸和土壤呼吸、蒸腾、荧光多项植物生理功能的测量，其测量参数包括:净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Ts)、细胞间隙C02浓度(Ci)、大气C02浓度(Ca)、光量子通量密度(PFD)、叶温(TL)、相对空气湿度(RH)； 所述便携式人工模拟降雨装置由供水动力装置、降雨喷头、支架、输水管、流量计、压力表、挡风棚、样方框、遮雨罩、集流槽组成；降雨喷头固定在支架顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨胜天，宋文龙，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：实用新型
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