一种旱田土壤动物数字样地及其建设方法

本发明属于土壤动物研究技术领域，具体涉及一种旱田土壤动物数字样地及其建设方法。

背景技术：

在旱田土壤动物研究中，长期固定监测样地的建设及其监测是很重要的平台和手段。目前常采用的是小型或大型的长期固定监测样地，其大小不一，并采用传统的调查方法采集土壤动物样品，诸如土柱法、手拣法、陷阱法、观察法、吸虫器法、电击法等，并定期或不定期开展多次动态的调查和监测。当前土壤动物调查都是在样地内抽取一部分采样点开展调查，即使设置再多的采样点，也无法全方位、无死角的监测整个样地所有空间范围、所有空间尺度内的、所有土壤动物样品。

现有的监测调查往往间隔一段时间，比如间隔几周、几个月等再采集土壤动物样品。之所以有时间的间隔，有以下几个原因，（1）受到野外工作量较大的限制，如果多次动态采样，会带来较大的野外工作量，继而带来繁重的室内鉴定等相关工作量，很多实验室和科研团队无法完成如此繁重的任务，所以便退而求其次采取间隔一定时间采样的策略以减少工足量；（2）采用的传统采样方法多为破坏性（即非环境友好型）取样方法，多次的、频繁的采样会对样地造成极大的破坏，改变样地内土壤环境条件，从而改变土壤动物的生态、活动等行为，在这个背景下进行的动态调查监测可能会采集到受人类干扰的、非真实的、非原位的数据。（3）传统采样方法基本都会造成土壤动物个体的死亡，需要将杀死和定型的标本带回室内进行鉴定和分析，这不利于生物多样性的保护和维持，对于那些稀有或者濒危的土壤动物物种来说，是一种较大的威胁。

还有通过现有方法无法监测得到的珍贵数据资料。比如在现有的调查方法中，喷洒农药之后经过几天再来采集土壤动物样品，只能获得喷洒农药一段时间之后的土壤动物数据，在技术手段上无法监测喷洒农药之后土壤动物的实时的、真实的响应与活动状态。比如喷洒农药之后，哪些土壤动物最先逃跑，哪些土壤动物最后逃跑，哪些土壤动物不逃跑而具有较强的耐受能力，喷洒农药之后有哪些土壤动物、在第几天、什么时间段、什么天气状况下返回样地等数据。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种旱田土壤动物数字样地及其建设方法。

为了达到上述目的，本发明技术方案如下：

一种旱田土壤动物数字样地，包括至少一块能够长期使用的旱田、自动监测设备和电力供应设备，每个旱田之间的距离在200m以上；每个旱田的中心位置设有一个正方形样地，且样地距旱田的边缘设有一定距离，以避免边缘效应；根据所处的地理位置样地四个角分别设置有永久地标或者样地所在旱田的边界设置有栅栏；每个样地内部以基本单位划分出若干方形网格；

所述自动监测设备包括多个高清摄像头、土壤多参数测定仪、温湿度自动监测仪、声音监测记录仪和小型农业气象站；

多个所述高清摄像头分为地下高清摄像头、地表高清摄像头和地上高清摄像头，所述地下高清摄像头在所述样地的地下土壤中某一深度设置或多个深度分别设置，以实时监测地下土壤动物动态；所述地表高清摄像头设置在所述样地的地表上，以实时监测地表土壤动物动态，每个地表高清摄像头对地表的监测范围至少要达到1mí1m，监测地表土壤动物的分辨率要达到1.0cm；所述地上高清摄像头设置在样地的地上在距离地表0.2m-1m的高度上，以实时监测农作物或者杂草上的动物动态，实际设置高度依所监测的农作物种类和高度而定；所述土壤多参数测定仪在所述样地的地下土壤某一深度设置或多个深度分别设置，以实时监测地下土壤温度、湿度、盐分和原位ph值的动态数据，且土壤多参数测定仪靠近对应的地下高清摄像头设置；所述温湿度自动监测仪设置在样地的地表上，以实时监测地表温度和湿度的动态数据，所述声音监测记录仪设置在样地的地表上，样地的地表还设置有至少两台声音监测记录仪，以监测动物声音数据；所述小型农业气象站设置在样地的地上上，以实时监测地上气象因子数据；

所述电力供应设备包括主要电源设备和备用电源设备，主要电源设备采用太阳能电池板，备用电源设备采用样地附近的农业或工业用电。

进一步的，所述样地的面积为20mí20m，样地的边界与旱田边缘之间的距离至少有10m。

进一步的，所述旱田设置在农田生态站或者距离村庄不远的位置，以便于提供备用电源；同时远离公路、铁路、建筑、池塘、畜禽养殖场所，以减少样地受到的外界干扰。

进一步的，所述旱田能够使用10-20年，进行监测和开展相关调查研究，保证样地获取长期的重要资料。

进一步的，所述自动监测设备还包括风速仪和辐照计，以实时监测地表风速、辐照度的动态数据。

进一步的，所述栅栏由若干竖直设立的栏杆围成正方形，栅栏与样地的边界之间的距离至少有10m，且两根相邻的栏杆之间至少保留0.1m的距离；一来保证样地内正常的通风，不改变样地内气象因子数据，不影响样地内土壤动物的正常活动，二来防止进入其他较大型的动物或者人类，造成对样地的预料之外的破坏。

进一步的，所述格网的基本单位为0.1mí0.1m，面积为20mí20m的样地划分成40000个格网。

进一步的，所述土壤多参数测定仪设置在距离地下高清摄像头在水平方向上小于0.1m的范围内。

本发明提供一种旱田土壤动物数字样地的建设方法，包括以下步骤：

第一步，野外旱田样地的选择：根据实验目的选择一块或多块旱田进行样地建设，保证不同样地之间的距离在200m以上；

第二步，划定旱田样地的数字边界：使用gps或者北斗导航定位技术，在选择的旱田中心位置测量出正方形的样地，在其四个边界插上临时地标，以此精准的划定样地的数字边界；

第三步，在旱田样地的边界设置永久地标或栅栏：如果样地位于农田生态站内，只需在样地的四个角设置永久地标；如果样地位于生态站外而周围并没有设施进行保护，要在该样地之外设置栅栏进行保护；

第四步，测量旱田样地的数字格网：使用gps或者北斗导航定位技术，在已经划定的样地内，以基本单位为单位，将该样地划分成若干个格网；

第五步，在地下土壤中某一深度或多个深度设置高清摄像头，实时监测地下土壤动物动态；

第六步，在地下土壤中某一深度或多个深度设置土壤多参数测定仪，实时监测地下土壤温度、湿度、盐分和原位ph值的动态数据；

第七步，在地表设置高清摄像头，实时监测地表土壤动物动态；

第八步，在地表设置温湿度自动监测仪、风速仪、辐照计，获得地表的温度、湿度、风速、辐照度等气象参数；

第九步，在地上距离地表约0.2m-1m高度设置高清摄像头，实时监测农作物或者杂草上的动物动态；

第十步，在地表设置声音监测记录仪，监测动物声音数据；

第十一步，在地上安装小型农业气象站，实时监测地上气象因子数据；

第十二步，连接并多次检查样地的电力供应设备。

本发明的有益效果：

第一，无需采用传统的挖取土柱、布置陷阱等繁琐的、非环境友好型的方法采集土壤动物样品，能够减少对样地本底土壤环境的破坏，最大限度的保持土壤环境的原样，最大限度的保证采集到原位的、受干扰最小的样品，真正做到了学界正努力探索的环境友好型样品采集方法，这将在极大程度上推动学界旱田土壤动物样品采集的数字化、自动化和智能化；

第二，通过布置摄像头、声音监测记录仪等仪器设备直接进行活体监测，监测旱田土壤动物的数量、移动方向、移动速度、捕食、竞争、交配等最直接、最真实的第一手数据资料，并且不会对土壤动物自身造成干扰、影响，不会造成土壤动物的死亡，有利于保护土壤生物多样性；

第三，能够实时的、不间断的、连续的、24小时的在时间上全天候的获取土壤动物在野外最真实的第一手数据；

第四，能够在多个空间维度上开展立体的调查和监测，能够分别在地下土壤、地表土壤和地上植株上面布置仪器设备，能够监测获取“地下—地表—地上”这三维空间、立体的土壤动物数据；

第五，能够实现空间全覆盖的调查和监测，比如对于20mí20m的样地来说，如果一个高清摄像头的监测记录范围是2mí2m，那么100个摄像头就能够全覆盖、无死角的监测和获得整个400m²范围内所有土壤动物的活动；

第六，能够同时开展环境因子的同步、实时、智能监测，包括土壤、气象、作物、杂草、其他动物如害虫等的监测；

第七，能够基于此数字样地为平台，对模拟控制实验的过程与效果进行实时监测和评估，获得传统方法无法监测得到的重要数据资料。

附图说明

图1为本发明旱田土壤动物数字样地的局部结构俯视图；

图2为本发明旱田土壤动物数字样地的结构示意图。

图中，1-样地，2-高清摄像头，3-土壤多参数测定仪，4-声音监测记录仪，5-小型农业气象站；

11-网格，12-栅栏，

21-地下高清摄像头，22-地表高清摄像头，23-地上高清摄像头。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

一种旱田土壤动物数字样地，包括一块能够使用10-20年的旱田、自动监测设备和电力供应设备，旱田设置在农田生态站或者距离村庄不远的位置，以便于提供备用电源；同时远离公路、铁路、建筑、池塘、畜禽养殖场所，以减少样地受到的外界干扰，旱田的面积在30mí30m以上。如图1所示，旱田的中心位置设有一个正方形样地1，样地1的面积为20mí20m且样地1距旱田的边缘设有10m，以避免边缘效应。本实施例中样地1位于生态站外而周围并没有设施进行保护，样地1所在旱田的边界设置有栅栏12，栅栏12由若干竖直设立的栏杆围成正方形，栅栏12与样地1的边界之间的距离至少有10m，且两根相邻的栏杆之间至少保留0.1m的距离；一来保证样地内正常的通风，不改变样地的气象环境，不影响样地内土壤动物的正常活动，二来防止进入其他较大型的动物或者人类，造成对样地的预料之外的破坏。样地1内部以基本单位划分出若干方形网格11；格网11的基本单位为0.1mí0.1m，面积为20mí20m的样地划分成40000个格网。

如图2所示，自动监测设备包括多个高清摄像头2、土壤多参数测定仪3、温湿度自动监测仪（未示出）、风速仪（未示出）、辐照计（未示出）、声音监测记录仪4和小型农业气象站5；具体的，

样地1的地下土壤深度0.1m处设置有一个地下高清摄像头21，以实时监测地下土壤动物动态，同时样地1的地下土壤深度0.1m处设置有土壤多参数测定仪3，以实时监测地下土壤温度、湿度、盐分和原位ph值的动态数据，且土壤多参数测定仪3靠近地下高清摄像头21设置，土壤多参数测定仪3设置在距离地下高清摄像头21在水平方向上小于0.10m的范围内；

样地1的地表设置有地表高清摄像头22，以实时监测地表土壤动物动态，同时样地的地表设置有温湿度自动监测仪（未示出）、风速仪（未示出）、辐照计（未示出），以实时监测地表温度、湿度、风速、辐照度的动态数据，20mí20m的样地内均匀设置2-4台声音监测记录仪4，以监测动物声音数据；

样地1的地上在距离地表0.3m的高度上设置有地上高清摄像头23，以实时监测农作物或者杂草上的动物动态，同时样地的地上设置有小型农业气象站5，以实时监测地上气象因子数据；

电力供应设备包括主要电源设备和备用电源设备，主要电源设备采用太阳能电池板，备用电源设备采用样地附近的农业或工业用电。

一种旱田土壤动物数字样地建设方法，包括以下步骤：

第一步，野外旱田样地的选择；具体的，

根据实验目的选择一块或多块旱田进行样地建设，保证不同样地之间的距离在200m以上。本实施例以20mí20m的旱田土壤动物数字样地为例，对选择旱田的要求如下：

（1）样地为正方形，为了避免边缘效应，面积在30mí30m以上，

（2）设置在农田生态站或者距离村庄不远的位置，便于提供后备电源，用于仪器设备的自动监测，

（3）远离公路、铁路、建筑、池塘、畜禽养殖场所等生境，减少样地受到的外界干扰，

（4）该样地能够进行10-20年的监测和开展相关调查研究，保证样地获取长期的重要资料；

第二步，划定旱田样地的数字边界；具体的，

使用gps或者北斗导航定位技术，在选择的旱田中心位置测量出20mí20m的样地，在其四个边界插上临时地标，比如pvc管，以此精准的划定样地的数字边界；

第三步，在旱田样地的边界设置永久地标或栅栏；具体的，

（1）如果样地位于农田生态站内，则无需在外围设置铁栅栏，只需在样地的四个角设置永久地标，比如带标记和说明的水泥桩；

（2）如果样地位于生态站外而周围并没有设施进行保护，那么要在该样地之外设置栅栏进行保护，栅栏围成的正方形至少为30mí30m。栅栏的栏杆之间留出足够的宽度，两根栏杆之间至少保留0.1m的距离，一来保证样地内正常的通风，不改变样地的气象环境，不影响样地内土壤动物的正常活动，二来防止进入其他较大型的动物或者人类，造成对样地的预料之外的破坏；

第四步，测量旱田样地的数字格网；具体的，

具体的，使用gps或者北斗导航定位技术，在已经划定的样地内，以0.1mí0.1m为单位，将该样地划分成40000个格网。这些0.1mí0.1m数字小样地的边界线和交叉点，误差控制在3-4cm之内；本实施例将以这些数字小样地为基本单位，辅助开展后续智能化计算土壤动物的活动行为，比如移动方向、移动角度、移动速度等；

第五步，在地下土壤中设置高清摄像头，实时监测地下土壤动物动态；具体的，

在地下土壤某一深度或多个深度设置高清摄像头，比如在距离地面以下0.1m处设置高清摄像头，或者在距离地面以下0.05m、0.1m、0.15m、0.2m处等分别设置摄像头；

第六步，在地下设置土壤多参数测定仪等，实时监测地下土壤温度、湿度、盐分和原位ph值的动态数据；具体的，

在地下土壤某一深度或多个深度设置土壤多参数测定仪等仪器设备，设置的位置临近第五步高清摄像头的位置，但是不要紧挨着，距离高清摄像头的位置在水平方向要小于0.05m，以此来自动监测获得对土壤动物有重要影响的土壤温度、湿度、盐分和原位ph值的动态数据等；

第七步，在地表设置高清摄像头，实时监测地表土壤动物动态；具体的，

在地表设置高清摄像头，每个摄像头对地表的监测范围至少要达到1mím，监测地表土壤动物的分辨率要达到1.0cm。需要注意的是，受到风的影响摄像头会晃动、图像会抖动从而影响拍摄质量，所以地表设置高清摄像头需要保证其稳固性，需要定制专门的地表摄像头设置架，将架子打入土壤至少0.5m深度，将其设置在垄沟位置，以减少对农业正常活动的影响；

第八步，在地表设置近地表自动监测仪器；具体的，

在地表设置温湿度自动监测仪，也能够设置风速仪、辐照计等监测设备，获得地表的温度、湿度、风速、辐照度等气象参数；

第九步，在地上设置高清摄像头，实时监测农作物或者杂草上的动物动态；具体的，

在距离地表约0.2m-1m高度设置高清摄像头，实际高度依所监测的农作物种类、高度而定。用来监测作物、杂草上的节肢动物、害虫、益虫等农业昆虫，同时能够监测农作物和杂草的生长速度、叶面积、高度、颜色等重要数据；

第十步，在地表设置声音监测记录仪，监测动物声音数据；具体的，

在近地表设置声音监测记录仪，20mí20m的样地内均匀设置2-4台，用于昼夜监测获取鸟类、兽类、昆虫等动物的叫声数据；

第十一步，在地上安装小型农业气象站，实时监测地上气象因子数据；具体的，

在地上设置标准的小型农田气象站，20mí20m的样地内适当设置1台即可，实时监测样地近地表的大气温度、湿度、气压、风速、风向、辐照度等参数；

第十二步，连接并多次检查样地的电力供应设备；具体的，

样地需要足够的、安全的、持久的、稳定的电力供应。旱田土壤动物数字样地的电源主要来自太阳能电池板，其备用电源为附近村庄的农业或工业用电。