[便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）的集成与应用] 中小河流水文监测系统

　　摘要：生态水文实验与监测装置的研制对生态水文过程模拟、参数获取与结果验证具有重要意义。在合理创新基础上，构建了便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）。Eco-monitors由植被覆盖度动态获取系统（VC-DAS）、便携式光合作用测量系统、便携式人工模拟降雨装置、土壤水运动监测装置及径流/土壤水采样装置等功能模块组成。Eco-monitors及其各功能模块的集成与设计重点突出便携性特点，既包括现有产品如便携式光合作用测量系统、土壤水运动监测装置及径流/土壤水采样装置；也包括自主创新部分如植被覆盖度动态获取系统（VC-DAS）采用摄像头方案代替传统的数码相机，便携式人工模拟降雨装置采用人工压力泵，克服了蓄电池或电力传动装置供电要求高且难以携带的限制。Eco-monitors在多项研究项目中得到了成功应用。
　　关键词：生态水文过程；实验与监测；植被覆盖度；植物生理过程；人工模拟降雨；土壤水
　　中图分类号：P332;TH814文献标识码：A文章编号：1672-1683（2012）05-0007-06
　　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［1］。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。
　　在不同尺度上的生态水文过程实验与监测方面，国内外许多研究计划做出了有益探索。赵文智等［2］分析了生态水文研究的前沿问题并列举了国际上有代表性的生态水文观测计划，主要包括联合国科教文组织“生态水文计划”、“欧洲典型实验流域生态水文观测网”、“全球生态系统长期观测”等。这些长期联网观测计划对于揭示生态水文过程的长期演变规律及其机制具有重要意义。对于国内的生态水文观测，孙晓敏等［3］介绍了生态系统研究网络（CERN）水分分中心在生态系统台站水环境长期监测方面的主要工作，主要包括大型蒸渗仪、涡度相关技术、实验遥感方法、大孔径闪烁仪和同位素技术在生态水文过程观测中的应用，在生态水文过程野外台站观测和规范化方面取得了一些成果。针对流域尺度的生态水文综合观测，刘绍民等［4］介绍了我国“黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验”， 在提升对流域生态和水文过程的观测能力，建立国际领先的流域观测系统，提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力方面做了大量有益的工作。尽管如此，多尺度先进监测设备的引进和数据获取投入太大，只适合于小流域集成研究和监测；另外，水文科学及水土保持研究领域的许多研究表明，设立野外径流小区及进行野外定点观测也存在局限性，如投入大、周期性长、可利用的观测数据有限等，因此有必要开展人工模拟实验及装置研发。生态水文过程实验和观测也特别需要在降雨-径流、土壤侵蚀、营养迁移和流失、土壤水运动及植被效应等方面实现人工模拟方法和装置上的突破，以期在像元尺度上快速、批量获取实验数据，拓展生态水文过程机理研究及尺度效应研究的技术手段。
　　1生态水文过程模拟与监测装置研发进展
　　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。
　　① 照相法估算植被覆盖度。此法以其设备简单、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。章文波等［5］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［6-8］，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 。
　　② 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。在该系统中利用高精度科学仪器实现野外观测十分必要。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［9］。
　　③ 人工模拟降雨方法。它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。刘宝元等［10］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［11-13］。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。 　　④ 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。相关设备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［14］，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［15］。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。于静洁等［16］研制了一套土壤水分抽样装置，方便土壤水样品野外采集。
　　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。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）的研制与集成研究,在实现关键环节创新的基础上，该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。
　　2便携式生态水文实验与监测系统集成
　　Eco-monitors集成了5部分主体功能模块，见图1。① 植被覆盖度动态获取系统（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（LI-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，实现1 m2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。Eco-monitors涵盖了生态监测、水文过程和营养迁移等过程的实验与监测主要内容，各功能模块既包括已有相关领域产品，也包括自主研发成果，其中VC-DAS软硬件都属于自主研发，便携式人工模拟降雨装置采用了人工压力泵方案
　　4结语
　　便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）的研制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，始于生态水文过程研究的实践摸索，以期构建服务于生态水文过程研究的便携式实验和监测装置系统。
　　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，便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）集成了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，充分体现装置的便携性，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。
　　便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）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。在后续的科学研究及野外监测实践中，有待于将各功能模块无缝耦合，为生态水文过程机理研究及其对环境变化的响应机制提供有力支持，充分发挥系统的便携性及多功能优势。
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