森林生态站观测设计.docx

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森林生态站观测设计

森林生态站观测设计

专业：

水土保持与荒漠化防治

森林生态站观测设计

森林生态站是通过在典型森林植被区建立长期连续观测点与样地，对森林生态系统的组成、结构、生物生产力、养分循环、水循环和能量利用等在自然情况下或某些人为活动干扰下的动态变化格局与过程进行长期连续定位观测，阐明生态系统发生、发展等演替过程的内在机制和自身的动态平衡及参与生物地球化学循环过程等的长期连续观测站点，它的设计是监测人类活动对森林生态系统的冲击和调控，为森林资源保护与合理利用、社会经济发展及环境建设提供理论基础，为国家可持续发展的宏观决策提供科学依据，引导我们更有依据、更科学的改善生态环境等方面发挥重要的作用。

1设计森林生态站的目的与意义

森林生态系统是森林群落与其环境功能流的作用下形成一定结构、功能和自调控的自然综合体，它是以乔木为主体的生物群落（包括植物、动物和热带雨林生态系统微生物）及其非生物环境（光、热、水、气、土壤等）综合组成的生态系统。

对森林生态系统进行森林生态观测站设计的目的是为了更好的了解现有的植物资源、土地资源、大气资源和生物资源并对其正确的评估。

此次森林生态观测站设计主要包括森林生态的水文、大气、生物、土壤资源和森林气象等一些监测内容的设计。

它的意义在于将各要素之间能对森林系统产生的一些影响因素，运用有效的方法提高森林生态系统的生态效益并能为以后的森林生态研究提供更好的理论基础。

2森林生态站观测设计的依据

森林生态观测站设计的依据有：

（1）中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统定位观测指标体系》（LY/T1606-2003）、中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统定位研究站建设技术要求》（LY/T1626-2005）、中华人民共和国林业行业标准《森林生态站数字化建设技术规范》（LY/T1873-2010）、中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统长期定位观测方法》（LY/T1952-2011）、中华人民共和国《水文基础设施建设及技术装备标准》[SL415-2007]、中华人民共和国《地面气象观测规范》和中华人民共和国《国家林业局陆地生态系统定位研究网络中长期发展规划（2008-2020年）》等。

（2）森林生态观测站设计的设施应该按照统一规划、科学布局的原则，同时应充分考虑气候和区域等方面的差异性，突出区域特色。

（3）森林生态观测站设计设施的布设数量应根据森林生态区域内代表性的地带性森林植被类型多少和实际观测需求，以及地形、地貌、坡度、坡向、岩性、土壤等确定。

3森林生态观测站设计的指导思想

森林生态系统定位研究站建设以实现野外观测和科学研究为一体的长期基地及可持续发展为宗旨，以生态学、生态系统学及生物环境学理论为指导，以充分发挥森林的生态效益和社会效益为目标，以森林群落组成、结构、能量循环、水分循环、养分循环及环境效益为观测建设基础，遵循自然规律，依靠科学的设施、先进的观测和分析仪器，观测分析与研究并重且持续推进，实现数据资源共享、大尺度服务效应，逐步建成完备的森林生态系统定位研究站标准系列。

4森林生态站观测设计的内容

森林生态站观测设计的内容主要包括：

森林气象观测、水文观测、土壤观测、生物观测、森林健康与可持续发展观测、水土资源的保持观测和数据处理配套等方面。

4.1森林气象观测站的设计

4.1.1森林气象观测环境的要求

观测场应设在能较好地反映本区较大范围气象要素特点的地方，避免局部地形的影响；观测场四周必须空旷平坦，避免设在陡坡、洼地或临近有公路、工矿、烟囱、高大建筑物的地方；观测场应设在最多风向的上风方向，边缘与四周孤立障碍物距离大于该障碍物高度的3倍以上；距成排障碍物距离应大于其高度的10倍以上；距较大的水体的最高水位线距离应大于100m。

观测场四周10m范围内不能种植高杆植物。

4.1.2森林气象观测场地设计

观测场地规格为观测场规格为25m、25m或16m（东西向）、20m（南北向）（高山、海岛不受此限制），场地应平整，有均匀草层（草高<20cm）。

对草层的养护，不能对观测记录造成影响。

场内不准种植作物。

为保持观测场地自然状态，场内铺设0.4m宽的小路，人员只准在小路上行走。

有积雪时，除小路上的积雪可以清除外，应保护场地积雪的自然状态。

根据场内仪器布设位置和线缆铺设需要，在小路下修建电缆沟（管）。

电缆沟（管）应做到防水、防鼠，并便于维护。

同时，根据气象行业规定的防雷技术标准的要求，观测场的防雷属于第三类防雷建筑物，应采用第三类防雷措施。

4．2森林水文观测站的设计

森林水文观测站观测的指标有林内降水量、林内降水强度、穿透雨、树干径流量、地表径流量、地下水位、枯枝落叶层含水量和森林蒸发量。

为获取森林水文要素的研究数据，首要的因素是集水区和水量平衡场，此试验的方法是采用水量平衡场法和流域试验法。

集水区主要是在典型森林类型上选择具有代表性的一个自然闭合区，集水区与周围没有水平的水分交换即自然分水线清楚、底层为不透水层、地址条件一致、生物群落与周边更大范围的生物群落相一致，面积为10000～2000000㎡的自然闭合区。

生态系统的全部水分将经集水区出口处基岩上所修筑的量水堰出流

水量平衡场选取具有典型性的地段设计水量平衡场，其规格型号10×20㎡，其主要用途是“四水”平衡规律的观测。

选择一个有代表性的封闭小区，与周围没有水平的水分交换。

建筑在土壤层下面具有粘土或重壤土构成的不透水层的地方。

水量平衡场的地上部分形状、结构、尺寸与坡面径流场相类似（其设计以下面径流场设计），四周用混凝土筑隔水墙直插入不透水层、地面上高出25cm；地表水和地下水的集水槽（集水桶）分开装置。

常设有水井观测地下水位的变（井深2.5m，矩形井筒内径25cm×25cm,井筒外筑反滤层，上口加盖）。

4.2.1森林生态系统蒸散量观测设计

4.2.1.1观测内容

采用液流计测量单木树干液流；蒸渗系统测量林分蒸散量；大孔径闪烁仪测量单个或多个林分的蒸散量。

4.2.1.2观测场的设计

单木树干液流量观测场应设在研究区域的典型林分内，地势平坦，植被分布均匀。

单个林分蒸散量观测场土壤、地形、地质、生物、水分和树种等条件具有广泛的代表性，要避开道路、小河、防火道、林缘，形状应为正方形或长方形，林木在200株以上。

多个林分蒸散量观测场的测量路径长度要包含或覆盖单木树干液流和单个林分蒸散量观测点所在的典型林分，且路径中心位置尽量位于森林小气候观测塔附近。

4.2.2森林生态系统水量空间分配格局观测

4.2.2.1观测内容

大气降水量、穿透降水量、树干径流量、枯枝落叶层持水量、地表径流量、土壤含水量和壤中流量。

4.2.2.2观测的仪器设备

大气降水量（自记雨量计和激光雨滴谱仪）、穿透降水量（集水槽和自记雨量计）、树干径流量（自记雨量计和树干径流收集槽）、枯枝落叶层持水量（精密电子天平）、地表径流量（自记翻斗流量计）、土壤含水量和壤中流量（铝盒、电子天平，取土铲、烘箱、干燥器和壤中流收集槽和自记雨量计）。

4.2.2.3观测场的设计

在小流域，以典型森林植被为基本观测对象，围绕典型森林植被林冠层、枯枝落叶层和土壤层，设置降水量观测点、地表径流场、坡面水量平衡场、树干径流和穿透降水观测样地、土壤水分观测样地。

（1）降水量的观测

雨量观测点数应按集水区面积的配置，雨量观测点要均匀铺设，对于要进行水质分析的雨量观测点，应离林缘、公路或居民点有一定距离。

仪器的选择采用采用自记雨量计（日记、月记等）和标准雨量筒测定森林降雨。

仪器放置在径流场或标准地附近的空旷地上，或者用特殊设施（如森林蒸散观测铁塔）架设在林冠上方，或者选一株直径较大且干形较好的最高树木，去其顶梢。

将雨量承接器水平固定在树顶上（高于周围林冠层），然后用胶管将雨水引致林地进行测定。

在林中空地和林外约50m～100m处空旷地分别设置激光雨滴谱仪1台，自动观测降水量、降水强度、降水等级、降水速度、降水粒径大小及其分布谱图。

（2）地表径流量观测设计

选取典型地段建设坡面径流场，主要用于研究林分产流、产沙过程。

在选择时要注意保留原有的自然条件，土壤剖面结构相同，土质厚度比较均匀，坡度比较均一，土壤理化特性（机械组成、土壤密度、有机质含量）比较一致。

如果坡面有比较小的起伏时，可进行人工修理。

在观测场地中建立标准径流场，位置应尽量设置在坡面平整的坡地上。

根据径流场规格，要求径流样方径流宽度5m（与等高线平行），长20m（水平投影），水平投影面积100㎡坡度5°或15°。

径流场上部及两侧设有围埂，小区顶部设截水沟，下部设有集水槽和引水槽，引水槽末端是接水池。

为了阻止径流进出小区，设置的围埂其高25cm,埋深45cm,厚度5cm，上缘向小区外呈60°倾斜用混凝土板砌成，内直外斜，围埂外侧设宽为2m的保护带。

集水槽和引水槽的横断面采用矩形，集流槽上缘为一水平面，宽10cm，集流槽下沿为挡土墙，接水池设计为长128cm，宽128cm，高1.m,厚为14cm的正方形池。

（3）测流堰的设计

选择在森林类型上具有代表性的一个自然闭合的封闭区，集水区与周围没有水平的水分交换即自然分水线清楚、底层为不透水层、地质条件一致、生物群落与周边更大范围的生物群落相一致，面积为0.1h㎡-2000000㎡的自然闭合小区设计测流堰，它的用途是研究流域产流、产沙过程。

生态系统的全部水分将经集水区出口处基岩上所修筑的测流堰流出。

测流堰建筑标准：

三角形、矩形、梯形和巴歇尔测流堰。

本设计采用梯形测流堰，相对于别的堰，精度高。

（4）树干径流量测装置

采用径阶标准木法，调查观测样地内所有树木的胸径，按胸径对树木进行分级（一般2cm～4cm为一个径级），从各级树木中选取2～3株标准木进行树干径流观测。

将直径为2.0cm～3.0cm的聚乙烯橡胶环开口向上，呈螺旋形缠绕于标准木树干下部，缠绕时与水平面成30°角，缠绕树干2～3圈，固定后，用密封胶将接缝处封严。

将导管伸入量水器的进水口，并用密封胶带将导管固定于进水口，旋紧进水口的螺纹盖。

收集导入量水器的树干径流，并进行人工或自动观测。

4.3森林土壤观测站的设计

对森林土壤观测的主要内容包括土壤含水量、土壤理化性质和土壤壤中流的观测。

4.3.1土壤含水量观测

土壤含水量的观测方法很多。

实验室一般采用烘干法，野外则采用时域反射仪（TDR）土壤水分观测样地设置应根据典型森林植被所在地形和土壤物理性质空间差异来确定。

对于典型森林植被来说，应在林地坡顶、坡中和坡底分别设置一个观测样地，每个观测样地大小为10m×10m，在每个观测样地内设置3个观测点，观测点位置宜沿观测样地对角线均匀分布。

按0～10cm、10cm～20cm、20cm～40cm、40cm～60cm、60cm～80cm、80cm～100cm（根据土壤最大土层厚度划分）取土壤样品，土样混合均匀放入铝盒中，带回室内测定含水量。

取干燥铝盒称重后，加土约5g于铝盒中称重。

将铝盒放入烘箱，在105℃±5℃烘干至恒重后取出，放入干燥器内，冷却20min可称重。

然后进行数据处理，最后分析数据。

4.3.2土壤理化性质观测

在选择样地前，了解试验地区的基本概况，包括地形、水文、森林类型、林业生产情况等，并制定采样区位信息表。

样地选择在具有完善的保护制度，可以保障长期研究，而不被人为干扰或破坏；具有典型优势种组成的区域；具有代表性的森林生态系统，并应包涵森林变异性；宽阔的地带，不宜跨越道路、沟谷和山脊等。

根据森林面积的大小、地形、土壤水分、肥力等特征，在林内坡面上部、中部、下部与等高线平行各设置一条样线，在样线上选择具有代表性的地段，设置0.1hm2～1hm2样地。

同时分别设置3～5个10m×10m乔木调查样方、2m×2m灌木调查样方和1m×1m草本调查小样方。

根据相关标准测量土壤的以下性质。

土壤物理性质：

土壤层次、厚度、颜色、湿度、结构、机械组成、质地、密度、含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等。

土壤化学性质：

土壤pH值、阳离子交换量、交换性钙和镁（盐碱土）、交换性钾和钠、交换性酸量（酸性土）、交换性盐基总量、碳酸盐量（盐碱土）、有机质、水溶性盐分总量、全氮、碱解氮、亚硝态氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、缓效钾、全镁、有效态镁、全钙、有效钙、全硫、有效硫等。

4.3.3土壤壤中流观测

有坡面水量平衡场壤中流观测设备的，从地表径流集水槽下端混凝土浇筑的挡墙留有的水孔，用导管将地下径流引入量水器，进行观测。

4.4森林生态生物定位研究

4.4.1森林群落观测

选择具有代表性的植被类型且受人为干扰较少交通又相对方便的地方设置，设置比例为：

1个/500hm2森林面积；每块面积为0.1hm2～1.0hm2，采用罗盘仪（DQL-3）、测绳或皮尺设置标准样地为正方形或长方形。

按照不同森林群落类型的最小取样面积（表现面积）确定固定样地大小（一般为0.1hm2～20hm2），每种森林类型设置1～3个，四角埋设条石或PC管标记、周边绳圈。

用eTrexvistaGPS确定样地及被测林木地理位置、海拔高度；破坏性调查不能在该固定样地内进行；所有的野外试验设施应处于样地外。

本设计所采用的是5点法，所设计的图形如下：

1

4

5

2

3

在标准地或固定样地内采用罗盘仪（DQL-3）、测绳和钢卷尺设置（10×10）m2、（2×2）m2、（1×1）m2面积的各类样方，分别用于乔木层、下木层、草本层调查。

4.4.2森林生产力观测

森林乔木层生物量用阶级标准木法测定其生物量。

灌木层和草本层的调查方法采用收获法。

灌木样方为2m×2m、草本样方1m×1m。

4.4.3生物多样性观测

生物多样性的指标主要包括动植物种类、数量和生物多样性指数等。

生物多样性的所设置的大小样方是根据生物种类的大小而设置的。

对于小的昆虫类生物，设置大小为1m×1m的样方30个；每个样方放置无底木框，调查记录框中所有昆虫的种类。

设置一定长度的样线，样线长度与调查区域的面积和生境复杂性成正比。

大的兽类，沿森林生态梯度设置若干条5000m长样线，沿样线进行调查，行进速度控制在3km·h-1左右，用自动步行计数器确定观测点位置。

借助望远镜、罗盘进行动物或痕迹观察和定位。

植物种类和数量的调查，种类的调查要设置样线，沿样线进行调查，记录样线两边10m内的植物种类。

数量调查：

设置样方。

在样方内记录各种植物的数量。

森林植物化学分析指标和分析参照森林生态系统定位研究观测指标标准及实验室分析标准执行。

4.5森林健康与可持续发展观测

森林的健康程度主要受到生物和非生物因素的影响（病虫害、环境污染、营林活动、林产品收获等），现设计的主要观测的是病虫害和土壤的微生物，它们的观测如下：

（1）森林病虫害发生与危害指标观测：

在整个站区内设置样方，记载样方的面积。

在每个样方内，记录胸径大于2cm的乔木的株数和其中被虫害侵染的株数。

在被害木中随机取3-5株，记录各株上的害虫数。

后者除以前者即为受虫害植物百分率。

（2）土壤微生物（真菌、细菌、放线菌）观测：

采样深度和用具与一般土壤采集用具相同，但凡与样品接触的用品均需事先进行灭菌，常用的灭菌方法有干热灭菌、紫外线灭菌和70％的酒精消毒等。

对不同样点相同处理的样品混合需在灭菌纸上进行；土样一般经2mm筛孔过筛后，装于塑料袋中，样品应及时进行测定，否则，需将样品置于4C冰箱保存。

样品采回后经混合，称取10g，测定烘干样质量水分换算系数（K）

4.6水土资源的保持观测

4.6.1林地土壤侵蚀强度观测

设置林地观测样地（300×900）m2，在样地内分成（30×30）m2样方，在各样方4个顶点的地面上打一个PVC管标记，每年测定计量各PVC管的土壤侵蚀深度，然后在站区图上勾绘出侵蚀的面积。

计算出样地各PVC管处土壤侵蚀深度的算术平均值和土壤侵蚀模数。

式中：

M——土壤侵蚀模数（t/km2）

D——平均侵蚀深度（m）

S——被测区面积（m2）

U——干土容重（t/m3）

A——站区面积（km2）

4.6.2不同侵蚀强度林地的土壤侵蚀模数观测

不同森林类型的对比集水区测流堰上方设置沉沙池，每次降水产流时采集水样测定泥沙含量，同时按粒径测量沉沙池沙量，根据集水面积计算不同侵蚀强度土壤侵蚀模数，不同森林植被的径流场设置沉沙池，测定泥沙量和径流含沙量，结合径流场的面积计算不同侵蚀强度的林地面积和百分率。

4.7数据管理配套设计

配套设施主要包括用于野外数据采集的手提电脑、数据线、移动硬盘、GSM卡等。

野外3S集成系统（星源通掌上森林调查仪等）等野外作业设备。

观测仪器距实验基地远且交通不便利台站可配备野外数据采集用车。

配备数据采集、传输、接收、贮存、分析处理以及数据共享所需的软硬件：

如电脑、服务器、打印机、刻录机等；可视化森林生态软件包（Systat）等数据库处理软件；网络相关设施等。

5总结

森林生态系统中动植物资源丰富，通过建立森林生态观测站来加强对保护区内生态环境因子的监测（水质、气象、空气），进行生物多样性监测，对生物生存环境进行监测，及时采集数据分析变化情况。

对维护生态平衡，保护生态环境，保护生物多样性基因库，实现自然保护区社会经济的可持续发展和生态环境的良性循环，并为其他地区的生态保护积累经验。

通过建立生态观测站，不仅可以促进物种基因交流，达到有效保护自然保护区的生物多样性的目的。

还可以优化生态环境保护，造福子孙万代。