1、森林生態站的設計學院 環境科學與工程學院專業 水土保持與荒漠化防治 森林生態站的設計一、 森林生態站的設計依據中華人民共和國林業行業標準森林生態系統定位研究站建設技術要求（LY/T1626-2005） 中華人民共和國林業行業標準森林生態站數字化建設技術規范（LY/T 1873-2010）中華人民共和國林業行業標準森林生態系統定位觀測指標體系（LY/T 1606-2003）中華人民共和國林業行業標準森林生態系統長期定位觀測方法（LY/T 1952-2011）中華人民共和國林業行業標準森林生態站工程項目建設標準中華人民共和國水文基礎設施建設及技術裝備標準SL415-2007中華人民共和國地面氣象觀

2、測規范 中華人民共和國建筑物防雷設計規范 GB_50057-2010中華人民共和國國家林業局陸地生態系統定位研究網絡中長期發展規劃（2008-2020 年）二、指導思想森林生態系統定位研究站建設以實現野外觀測和科學研究為一體的長期基地及可持續發展為宗旨，以生態學、生態系統學及生物環境學理論為指導，以充分發揮森林的生態效益和社會效益為目標，以森林群落組成、結構、能量循環、水分循環、養分循環及環境效益為觀測建設基礎，遵循自然規律，依靠科學的設施、先進的觀測和分析儀器，觀測分析與研究并重且持續推進，實現數據資源共享、大尺度服務效應，逐步建成完備的森林生態系統定位研究站標準系列。三、森林生態站的設計目

3、的意義通過在典型森林植被區建立長期連續觀測點與樣地，對森林生態系統的組成、結構、生物生產力、養分循環、水循環和能量利用等在自然狀況下或某些人為活動干擾下的動態變化格局與過程進行長期連續定位觀測，闡明生態系統發生、發展等演替過程的內在機制和自身的動態平衡及參與生物地球化學循環過程等。 四、森林生態站的選址a)森林生態站選址應依據中華人民共和國林業行業標準森林生態系統定位研究站建設技術要求 （LY/T 626-2005）及國家林業局陸地生態系統定位研究網絡中長期發展規劃（2008-2020 年）中森林生態站建設與發展的要求，同時必須符合下列條件：1.具有科學性、代表性和典型性；2.各種觀測設施和儀

4、器設備布設的可行性；3.人為因素影響較小的地方；4.具備可靠的電源、水源和通訊等外部協作條件。b)森林生態站觀測設施的布設，應符合下列條件：1.森林生態站觀測設施的布設應依據中華人民共和國林業行業標準森林生態系統定位觀測指標體系 （LY/T 1606-2003）、中華人民共和國林業行業標準森林生態系統定位研究站建設技術要求（LY/T 1626-2005）和中華人民共和國林業行業標準森林生態站數字化建設技術規范（LY/T 1873-2010）。2.森林生態站觀測設施的布設應按照統一規劃、科學布局的原則，同時應充分考慮氣候和區域等方面的差異性，突出區域特色。3.森林生態站觀測設施的布設數量應根據森

5、林生態站區域內代表性的地帶性森林植被類型（主要優勢樹種）多少和實際觀測需求，以及地形、地貌、坡度、坡向、巖性、土壤等確定。五、森林氣象觀測的設計森林生態站氣象常規觀測主要氣象要素是指能表征一特定地段內氣候特征的溫度、氣溫、氣壓、風、云、雨、霧、降水等，表征近地層。由于森林生態效應在森林內部及其周圍形成特殊氣候，表征森林內垂直梯度、水平氣候特征及森林與大氣界面層間的氣候特征。表征森林內空氣中部分化學物質含量特征。因此建設森林生態系統地面氣象觀測是一項非常重要的任務，它是整個森林生態系統觀測和研究的基礎，對它的設計更是要合理、精確。它的設計包括地面標準氣象站、森林小氣候氣象站和綜合觀測塔設計。5.

6、1地面標準氣象站的設計 地面標準氣象站觀測指標如下表：表5.1地面標準氣象站觀測指標指標類別觀測指標單位觀測頻率風風速m/s 10min風向空氣溫度最低、最高溫度土壤溫度一定深度地溫空氣濕度相對濕度%輻射輻射量J/大氣降水降水總量mm每次降水觀測降水強度5.1.1環境要求觀測場應設在能較好地反映本區較大范圍氣象要素特點的地方，避免局部地形的影響；觀測場四周必須空曠平坦，避免設在陡坡、洼地或臨近有公路、工礦、煙囪、高大建筑物的地方；觀測場應設在最多風向的上風方向，邊緣與四周孤立障礙物距離大于該障礙物高度的3倍以上；距成排障礙物距離應大于其高度的10倍以上；距較大的水體的最高水位線距離應大于100

7、m。觀測場四周10m范圍內不能種植高桿植物。5.1.2觀測地設計 觀測場 25m25m的平整場地，由于需要安裝輻射儀器，觀測場南邊緣向南擴展10m。 要測定觀測場的經緯度（精確到分）和拔海高度（精確到0.1m），其數據刻在觀測場內的固定標志上。 觀測場四周應設置1.2m高的稀疏圍欄，圍欄不宜采用反光太強的材料。觀測場圍欄的門開在北面。場地應平整，保持有均勻草層（不長草的地區例外），草高不能超過20cm。對草層的養護，不能對觀測記錄造成影響。場內不準種植作物。 為保持觀測場地自然狀態，場內鋪設0.4m寬的小路，人員只準在小路上行走。有積雪時，除小路上的積雪可以清除外，應保護場地積雪的自然狀態。

8、根據場內儀器布設位置和線纜鋪設需要，在小路下修建電纜溝（管）。電纜溝（管）應做到防水、防鼠，并便于維護。 根據氣象行業規定的防雷技術標準的要求，觀測場的防雷屬于第三類防雷建筑物，應采用第三類防雷措施。5.1.3觀測場內儀器設計觀測場內儀器設施的布置要注意互不影響，便于觀測操作。具體要求： 高的儀器設施安置在北邊，低的儀器設施安置在南邊； 各儀器設施東西排列成行，南北布設成列，相互間東西間隔4m，南北間隔3m，儀器距觀測場邊緣護欄3m； 儀器安置在緊靠東西向小路南面，觀測員應從北面接近儀器； 輻射觀測儀器安裝在觀測場南面，觀測儀器感應面不能受任何障礙物影響； 觀測場內儀器設施的布置根據表5.2，

9、可參考圖5.1。表5.2 地面氣象觀測場內儀器、設置誤差序號儀器要求與允許誤差范圍基準部位1百葉箱通風干濕表 高度1.50m 5cm感應部分中心2干濕球溫度表(WQG11) 高度1.50m 5cm感應部分中心3最低溫度表 高度1.52m 5cm感應部分中心4最高溫度表高度 1.53m 5cm感應部分中心5曲管地溫表(-21+61) 直管地溫表與地面呈 45允許誤差0.5感應部分中心6暗筒式日照計（EJ2 上海）高度以便于操作為準，緯度以本站緯度為準，允許誤差：0.5，方位正北0.5底座南北線7總輻射表(DFY - 4 型)高度 1.53m 5cm感應面水平8凈輻射(TBB- 2 型) 高度1.

10、52m 5cm感應水平面9標準雨量器(SM1) 高度70cm 3cm口緣10虹吸式雨量計(ST1)儀器自身高度口緣11雨量傳感器高度不得低于70cm口緣12蒸發皿(MA3) 高度70cm 3cm口緣13E601B型蒸發器 高度30cm 1cm口緣14地面最高、最低溫度表感應部分和表身埋入土中一半感應部分中心15電接風向風速儀(EL100M)安置在觀測場風速感應器中心距地 10m12m風杯中心16定槽式水銀氣壓表(DYM2)高度以便于操作為準象牙針尖1、 溫度、濕度計2、 干濕球溫度表、最低溫度最高溫度表3、 溫濕度傳感器4、 雨量筒5、 翻斗式雨量傳感器6、 虹吸式雨量計7、 E6018型蒸發

11、器、蒸發傳感器8、 小型蒸發器10、地面溫度表及傳感器11、日照計12、深層地溫表及傳感器13、輻射表圖5.1 觀測場儀器布置參考圖5.2林內氣象觀測場的設計 5.2.1觀測場選擇a）氣候、土壤、地形、地質、生物、水分和林分、樹種等具有廣泛的代表性；b） 不能跨越兩個林分，要避開道路、小河、防火道、林緣；c） 林分標準地的形狀應為正方形，林木在 200 株以上。觀測場面積及觀測設施：觀測場面積（1620），設置自動化系統裝置。 5.2.2觀測場內儀器設置溫度、濕度、風向、風速、雨量、蒸發、輻射、地溫、日照傳感器均按表5.3的要求按裝在觀測場規定的位置上，風向、風速傳感器也可以安裝在屋頂平臺上，

12、氣壓傳感器一般按裝在數據采集器內。表5.3觀測場內儀器設置、誤差儀器要求與允許誤差范圍基準部位溫濕度傳感器高度1.50m 5cm感應部分中部雨量傳感器高度不得低于70cm口緣地面溫度表（傳感器）感應部分和表身埋入土中一半感應部分中心曲管地溫表（淺層地溫傳感器）深度5、10、15、20cm 1cm傾斜角45（曲管地溫表） 5感應部分中心表身與地面直管地溫表（深層地溫傳感器）深度40、80cm 3cm深度160cm 5cm深度320cm 10cm感應部分中心日照計（傳感器）高度以便于操作為準緯度以本站緯度為準 0.5方位正北 5底座南北線輻射表（傳感器）支架高度1.50m 10cm直射、散射輻射表

13、：方位正北 0.25直接輻射表：緯度以本站緯度為準 0.1支架安裝面底座南北線風速器（傳感器）安裝在觀測場高10-12m風杯中心風向器（傳感器）安裝在觀測場高10-12m方位正南 5風標中心方位指南桿氣壓計（傳感器）高度以便于操作為準采集器箱高度以便于操作為準觀測塔水泥底座面積11，位于觀測場中央，為了防雷、防鼠、防水和安裝、維修方便，自動氣象站的電纜應穿入電纜管內，電纜管應安置在電纜溝內。電纜溝要求便于排水、通風，兩側應砌磚墻，磚墻壁上預設安置電纜管的金屬支架（或金屬掛鉤），為防止電纜被積水浸泡，安置電纜的金屬支架（或金屬掛鉤）距離地溝底的高度以不小于30cm為宜；觀測場內的電纜溝一般在小路

14、下面，溝上面蓋的水泥蓋板就是小路的路面，溝的寬度以30cm左右為宜，溝的深度以便于安裝電纜和防止大雨后積水為宜。不宜建電纜溝的臺站，也可采用埋電纜管和修建電纜井的方法鋪設電纜。電纜不能架空架設。觀測場需要安裝避雷針。風向、風速傳感器應在避雷針的有效保護范圍內；整個自動氣象站設備的機殼應連接到接地裝置上。5.3森林梯度觀測設計森林梯度觀測指標如下表表5.4森林梯度觀測指標指標類別觀測指標單位觀測頻率風林冠上方5m,3m,0.75H，距地面1.5m的風速、風向m/s連續觀測空氣溫度林冠上方5m,3m,0.75H，距地面1.5m，地面植被層溫度樹干溫度地上1-1.5處的溫度地表溫度和土壤溫度地表、1

15、0、20、30、40、80cm深處的溫度空氣相對濕度林冠上方5m,3m,0.75H，距地面1.5m，地面植被上層濕度mm土壤含水量地表、10、20、30、40、80cm深處的土壤含水量輻射總輻射，凈輻射J/日照時數h每日一次森林梯度觀測場選擇和小氣候觀測場選擇相同，它的高度為林分冠層高度的1.5到2倍,應安裝避雷設施。觀測塔類型為：開敞式，觀測層次高度按對數分布確定。其觀測設備及其布置要求如表5.5，可參考圖5.2：表5.5能量平衡-波文比梯度觀測常規儀器布置觀測高度項目儀器說明林冠上4米溫、濕 通風干濕表上下交換一次反復重讀10次林冠上2米溫、濕、風通風干濕表、風速儀上下交換一次反復重讀10

16、次林冠上1.6米總輻射、反射、云量、太陽相對高度角天空輻射表、太陽高度角測定器取3次讀數平均林冠內0.75H(H代表冠層高度)處溫、濕點溫計或溫度表四個方位設觀測點地上1-1.5米處樹干溫度點溫計或溫度表地面地面溫度地面溫度表地下5,10,15，20，40,80,160地溫表傳感器安裝：a）安裝在專用的觀測塔上，應盡量避開伸臂和支架的影響，安裝在來風方向的扇形區內；b）安裝位置應小于塔體最大斷面的 1.5 倍；c） 兩套相同傳感器安裝互成 180方向；d）傳感器應加相應的防護罩。1. 風向傳感器2. 輻射傳感器3. 風速傳感器4. 空氣溫濕度傳感器5. 降水觀測6. 土壤熱通量7. 土壤水分、

17、溫度 圖5.2 森林梯度觀測塔六、森林水文觀測的設計為了揭示森林水分運動規律和水分分配狀況，通常要采用水量平衡場法和流域試驗法，集水區和水量平衡場是森林水文要素研究數據獲取的首要實驗設施。集水區主要是在典型森林類型上選擇具有代表性的一個自然閉合區，集水區與周圍沒有水平的水分交換即自然分水線清楚、底層為不透水層、地址條件一致、生物群落與周邊更大范圍的生物群落相一致，面積為100002000000的自然閉合區。生態系統的全部水分將經集水區出口處基巖上所修筑的量水堰出流。水量平衡場選取具有典型性的地段設計水量平衡場，其規格型號1020，其主要用途是“四水”平衡規律的觀測。選擇一個有代表性的封閉小區，

18、與周圍沒有水平的水分交換。建筑在土壤層下面具有粘土或重壤土構成的不透水層的地方。水量平衡場的地上部分形狀、結構、尺寸與坡面徑流場相類似（其設計以下面徑流場設計），四周用混凝土筑隔水墻直插入不透水層、 地面上高出 25cm； 地表水和地下水的集水槽（集水桶）分開裝置。 常設有水井觀測地下水位的變化（井深2.5m，矩形井筒內徑25cm25cm,井筒外筑反濾層，上口加蓋）。森林水文觀測指標如表6.1。表6.1森林水文觀測指標觀測指標單位觀測頻度林內降水量mm連續觀測林內降水強度mm/h連續觀測穿透雨mm每次降水樹干徑流量mm每次降水地表徑流量mm連續觀測地下水位m每月一次枯枝落葉層含水量mm每月一次

19、森林蒸發量mm每月一次6.1森林生態系統蒸散量觀測設計6.1.1.觀測內容 采用液流計測量單木樹干液流；蒸滲系統測量林分蒸散量；大孔徑閃爍儀測量單個或多個林分的蒸散量。觀測方法參考相關設備說明和要求。6.1.2觀測場設置單木樹干液流量觀測場應設在研究區域的典型林分內，地勢平坦，植被分布均勻。單個林分蒸散量觀測場土壤、地形、地質、生物、水分和樹種等條件具有廣泛的代表性，要避開道路、小河、防火道、林緣，形狀應為正方形或長方形，林木在 200 株以上。多個林分蒸散量觀測場的測量路徑長度要包含或覆蓋單木樹干液流和單個林分蒸散量觀測點所在的典型林分，且路徑中心位置盡量位于森林小氣候觀測塔附近。6.2森林

20、生態系統水量空間分配格局觀測6.2.1觀測內容大氣降水量、穿透降水量、樹干徑流量、枯枝落葉層持水量、地表徑流量、土壤含水量、壤中流量。6.2.2儀器設備表 6.2森林水文觀測儀器設備觀測指標儀器設備大氣降水量自記雨量計和激光雨滴譜儀穿透降雨量集水槽和自記雨量計樹干徑流量自記雨量計和樹干徑流收集槽枯枝落葉層含水量精密電子天平地表徑流量自記翻斗流量計土壤水分量鋁盒、電子天平，取土鏟、烘箱、干燥器壤中流量壤中流收集槽和自記雨量計6.2.3觀測場設計在小流域，以典型森林植被為基本觀測對象，圍繞典型森林植被林冠層、枯枝落葉層和土壤層，設置降水量觀測點、地表徑流場、 坡面水量平衡場、樹干徑流和穿透降水觀測

21、樣地、土壤水分觀測樣地。6.2.3.1降水量觀測a） 布點方法及數量1）雨量觀測點數應按集水區面積的配置，具體見表 6.3。雨量觀測點要均勻鋪設，對于要進行水質分析的雨量觀測點，應離林緣、公路或居民點有一定距離。2）采用自記雨量計（日記、月記等）和標準雨量筒測定森林降雨。儀器放置在徑流場或標準地附近的空曠地上，或者用特殊設施（如森林蒸散觀測鐵塔）架設在林冠上方，或者選一株直徑較大且干形較好的最高樹木，去其頂梢。將雨量承接器水平固定在樹頂上（高于周圍林冠層），然后用膠管將雨水引致林地進行測定。3）在林中空地和林外約 50m100m 處空曠地分別設置激光雨滴譜儀 1 臺，自動觀測降水量、降水強度、

22、降水等級、降水速度、降水粒徑大小及其分布譜圖。表6.3雨量觀測點按集水區面積的配置集水區面積0.20.20.50.52255101020205050100雨量觀測點數1132435465768786.2.3.2測流堰的設計選擇在森林類型上具有代表性的一個自然閉合的封閉區，集水區與周圍沒有水平的水分交換即自然分水線清楚、底層為不透水層、地質條件一致、生物群落與周邊更大范圍的生物群落相一致，面積為0.1h-2 000000的自然閉合小區設計測流堰，它的用途是研究流域產流、產沙過程。生態系統的全部水分將經集水區出口處基巖上所修筑的測流堰流出。測流堰建筑標準：三角形、矩形、梯形和巴歇爾測流堰。本設計采

23、用梯形測流堰，相對于別的堰，精度高。 圖6.1 測流堰 設計b=0.50m,B=0.608m，h=0.166m，P=0.216m,D=0.382m,T=0.166m,P=0.166m,L=0.940m,實測流量范圍1063。注:未包括安裝尺寸,安裝尺寸可按實際需要增加0.050.08m,6.2.3.3地表徑流量觀測設計選取典型地段建設坡面徑流場，主要用于研究林分產流、產沙過程。在選擇時要注意保留原有的自然條件，土壤剖面結構相同，土質厚度比較均勻，坡度比較均一，土壤理化特性（機械組成、土壤密度、有機質含量）比較一致。如果坡面有比較小的起伏時，可進行人工修理。在觀測場地中建立標準徑流場，位置應盡量

24、設置在坡面平整的坡地上。根據徑流場規格，要求徑流樣方徑流寬度5m（與等高線平行），長20m（水平投影），水平投影面積100坡度5或15。徑流場上部及兩側設有圍埂，小區頂部設截水溝，下部設有集水槽和引水槽，引水槽末端是接水池。為了阻止徑流進出小區，設置的圍埂其高25cm,埋深45cm,厚度5cm，上緣向小區外呈60傾斜用混凝土板砌成，內直外斜，圍埂外側設寬為2m的保護帶。集水槽和引水槽的橫斷面采用矩形，集流槽上緣為一水平面，寬10cm，集流槽下沿為擋土墻，接水池設計為長128cm，寬128cm，高1.m,厚為14cm的正方形池，。 圖6.2 標準徑流場6.2.3.4樹干徑流量測裝置a）觀測樹木的

25、選取及數量采用徑階標準木法，調查觀測樣地內所有樹木的胸徑，按胸徑對樹木進行分級（一般 2cm4cm 為一個徑級），從各級樹木中選取 23 株標準木進行樹干徑流觀測。b）觀測設備安裝將直徑為 2.0cm3.0cm 的聚乙烯橡膠環開口向上，呈螺旋形纏繞于標準木樹干下部，纏繞時與水平面成 30 角，纏繞樹干 23 圈，固定后，用密封膠將接縫處封嚴。將導管伸入量水器的進水口，并用密封膠帶將導管固定于進水口，旋緊進水口的螺紋蓋。收集導入量水器的樹干徑流，并進行人工或自動觀測。七、土壤定位觀測的設計為了研究森林生態系統與森林土壤之間的相互機制、森林土壤長期變化過程、環境變化對森林土壤的影響以及森林土壤中碳

26、的動態變化，土壤定位觀測的建立很十分重要的的。要想提高研究的精確性、可靠性，必須要設計出正確的土壤定位觀測站。土壤定位研究主要通過土壤剖面進行研究，所以，設計的核心是設計土壤剖面。表7.1土壤定位觀測的指標森林枯落物厚度mm每年一次蓄積量t/每年一次凋落量t/.a每月一次分解速率t/.a每五年一次土壤物理性質土壤顆粒組成%土壤容重g/cm3土壤孔隙度%土壤入滲率mm/min土壤化學性質Ph每年一次陽離子交換量cmol/每五年一次交換性鈣、鎂cmol/交換性鉀、鈉cmol/有機質含量%a)土壤剖面點的選擇原則1、要有比較穩定的土壤發育條件，即具備有利于該土壤主要特征發育的環境，通常要求小地形平坦

27、和穩定，在一定范圍內土壤剖面具有代表性。2、不宜在路旁、住宅四周、溝附近、糞坑附近等受人為擾動很大而沒有代表性的地方挖掘剖面。b)土壤剖設計選擇具有代表性和典型性的坡脊、坡中、坡地地段分別設置土壤剖面，刨面規格寬0.8m、長1m、深11.5m,土深不足1m時要挖至母巖風化層。將朝陽的一面挖成垂直的坑壁，而與之相對的坑壁挖成每階為3050厘米的階梯狀，以便上下操作。在挖剖面時要注意觀察朝陽面，觀察面上端不準堆土，也不準站人踩踏，以保持土壤的田間自然狀況，挖出的土拋在土坑長邊的兩旁，表土與心土分別堆放，觀察與記載結束后，必須將土坑先心土后表土進行填平。剖面制定好之后，依據剖面表面枯落物聚集和分解特

28、征及剖面顏色、質地、新生體、侵入體等等將其分層，以cm為單位、注明層次符號連續記錄。圖7.1土壤剖面八、森林生物定位研究的設計 8.1森林群落觀測指標喬木森林群落年齡每五年一次森林群落起源森林群落的平均樹高m森林群落的平均胸徑cm森林群落的密度株/公頃森林群落的樹種組成森林群落的動植物種類、數量森林群落的郁閉度森林群落主林層的葉面指數亞喬木平均高m灌木灌木種類灌木株數株/公頃灌木平均高度m灌木平均冠幅cm灌木蓋度%草本平均高m林下植被總蓋度和分層蓋度%標準樣地的建立：選擇具有代表性的植被類型且受人為干擾較少交通又相對方便的地方設置，每塊面積為 1.0 h，采用羅盤儀(DQL - 3)、測繩或皮尺設置標準樣地為正方形 。固定樣地的設計：按照不同森林群落類型的最小取樣面積（表現面積）確定固定樣地大小0.1-20h，每種森林類型設置3個，四角埋設條石標記、 周邊繩圈。用 GPS 確定樣地及被測林木地理位置、海拔高度；破壞性調查不能在該固定樣地內進行；所有的野外試驗設施應處于樣地外。樣方的設計：在標準地、固定樣地內采用羅盤儀(DQL - 3)、測繩和鋼卷尺設置(20