黃土高原不同土地利用下分層植被的蓋度差異

　　摘 要:[目的]分析不同土地利用下黃土高原植被的覆蓋狀況,為監(jiān)測該區(qū)植被特別是非綠色植被蓋度的變化提供數(shù)據支持,為遙感估算 FVC在土壤侵蝕預測中的應用提供可靠依據。[方法]研究選擇黃土高原不同土地利用類型下的7塊植被樣地,采用樣帶法進行逐半月的分層植被蓋度調查,分析了fPV 和fNPV在不同類型下以及不同層次結構下的年內變化,為侵蝕過程模型中植被因素的獲取提供參數(shù)。[結果]①沙地、草地、人工檸條林地、人工油松林地、黃陵和秦嶺的天然林地等6個樣地中,植被的年內投影總蓋度變化不大。投影fPV 和其所占投影總蓋度的比例,年內均隨時間先逐漸增加,7—9月達到最大值,其后迅速減小。而投影fNPV 隨時間的變化趨勢與fPV 相反。受耕作制度影響,耕地投影fPV 和fNPV 年內變化劇烈。②7—9月,在黃陵和秦嶺的天然林樣地,投影fPV 占比可達100%,其他4種樣地分別可達60.6%,70.5%,58.8%和84.9%,意味著僅考慮投影fPV ,將忽略占總蓋度39.4%,29.5%,41.2%和15.1%的fNPV的生態(tài)效益。③人工檸條、人工油松林地,黃陵、秦嶺的天然林地等4種具有明顯植被垂直結構的樣地中,喬木層、灌木層和地表層的fPV 與fNPV 的年內變化與投影fPV 與fNPV 的變化趨勢基本一致;4種樣地植被的投影總蓋度與地表層總蓋度的線性關系,其相關性可達0.85(R2)。[結論]該區(qū)非綠色植被的投影蓋度在夏季仍能占總投影蓋度的41%,是不可忽略的地被組成。研究關于不同土地利用下分層植被的調查結果,也可為該區(qū)土壤侵蝕預報模型中的植被因子提供部分數(shù)據支持。

　　關鍵詞:植被投影蓋度;垂直分層蓋度;非綠色植被蓋度;土地利用方式;黃土高原

　　群落的綠色植被(綠葉)和非綠色植被(枝條、枯葉、落葉、作物殘茬等)結構和功能狀況,影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)水、碳等物質循環(huán),也影響著侵蝕營力的動力和能量聚集和耗散[1]。植被是地表侵蝕等過程模型中的關鍵因子[2-5]。植被的水土保持功能是其不同垂直分層結構綜合作用的結果[6]。南方紅壤侵蝕區(qū)的研究表明,與只有兩層結構的喬—草或灌—草型,以及單層結構的喬木型植被相比,有完整的喬—灌—草三層結構的植被,其水土保持效益更優(yōu)[7],林下土壤侵蝕量更小[8]。在黃土高原也有相似的結論,不完整的群落結構往往會加劇水土流失[9-10]。

　　而草被及枯落物等近地表植被,則被認為是決定水土保持效益的關鍵層次[11]。長期以來,在水土保持定量評價方面,大多使用植被覆蓋度(fractionalvegetationcover,FVC)[12]作為重要指標,FVC 一般指包括喬、灌、草和農作物在內所有植被的冠層、枝葉在地面的垂直投影面積占總面積的百分比[13]。樣地尺度上,FVC 的信息一般可以通過傳統(tǒng)的測量方法獲得,按照原理可以分為目視估測法、儀器法、采樣法[14]。

　　目視法簡單快捷但是估測精度較低,采樣法可以分為樣點法、樣帶法,其估算精度高但是工作量大。儀器法主要是利用相機對樣方拍照,再 利 用 監(jiān) 督 分 類 等 軟 件 程 序 獲 得 植 被 蓋度[15]。然而無論哪種方法,被實際應用在野外的植被調查時,通常卻只考慮林地的綠色冠層的郁閉度,關于 貼 地 表 層 的 蓋 度 也 只 關 注 綠 色 草 本 的 覆 蓋度[16]。

　　在區(qū)域尺度上則需要利用遙感技術,然而區(qū)域尺度估算 FVC的研究,大多集中在使用 NDVI產品估算 的 投 影 綠 色 植 被 蓋 度 (fractionalphotosyntheticvegetationcover,fPV)[17-19],隨著Hyperion等高光譜影像的應用,開始更多的關注非綠色植被蓋度(fractionalnon-photosyntheticvegetationcover,fNPV )的估算[20]。然而較高的投影植被蓋度并不能代表植被豐富的垂直空間層次和較高的林下蓋度。林下蓋度估算不足會嚴重影響到地表侵蝕等過程模型中植被參數(shù)的獲取及模型精度[21-22]。黃土高原地處半濕潤半干旱地區(qū),其地形破碎,植被 稀 疏,降 水 集 中,水 土 流 失 嚴 重,生 態(tài) 功 能 脆弱[23]。

　　1999年黃土高原實施“退耕還林還草”工程后,基于遙感產品的投影fPV 明顯增加[24],然而對植被群落垂直分層蓋度,尤其地表層蓋度數(shù)量變化分析還很不足。以實地調查為基礎,定量掌握黃土高原生態(tài)脆弱地區(qū)不同植被的垂直分層蓋度特征,對認識遙感投影植被蓋度的水土保持意義、土壤侵蝕量的模型估算,評估水土流失治理工程的效果均有重要的意義。該區(qū)的主要土地覆被類型包括耕地(38%)、森林(16%),草地(37%),灌木林(1%),裸地(4%)[25],本研究選擇了黃土高原不同土地利用下的7塊樣地作為研究對象,逐半月/逐月調查了其植被的垂直分層蓋度,分析了不同土地利用下以及不同結構層次下的植被的綠色蓋度和非綠色蓋度的年內變化,及其與投影蓋度間的關系。研究真實反映該區(qū)植被的覆蓋狀況,將為監(jiān)測該區(qū)植被特別是非綠色植被蓋度的變化提供數(shù)據支持,為遙感估算 FVC 在土壤侵蝕預測中的應用提供可靠依據。

　　1 研究區(qū)概況和調查方法

　　1.1 研究區(qū)和調查樣地研究

　　區(qū)位于中國黃土高原(100°52'—114°33'E,33°41'—41°16'N),面積約6.24×105 km2。該區(qū)屬于大陸性季風氣候,年平均氣溫9~12 ℃,年平均降雨量440mm(100~800mm),呈現(xiàn)從東南向西北遞減趨勢。地勢西北高、東南低,海拔72~4885m。相應的,從東南向西北植被、土壤表現(xiàn)出明顯的地帶性特征。該區(qū)典型地貌類型主要包括黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高塬溝壑區(qū),約占黃土高原面積的70%[25]。本研究借助 GoogleEarth工具,廣泛調查了黃土高原植被分布特征,根據植被帶劃分規(guī)律,從南至北選擇了7塊2km×2km 大小的均質樣地,代表不同的土地利用類型,進行定點逐月觀測試驗。

　　1.2 植被覆蓋度調查

　　本研究采用樣帶法[27],于2019年全年逐半月野外調查樣地中植被綠色、非綠色植被和裸地的蓋度。受天氣與路程影響,實地測量與計劃時間可能有3~5d的時間差。具 體 調 查 中,使 用 3 個 100 m 長 的 皮尺,從樣方中心點出發(fā),使其交叉呈星形布設,對于平行播種的農業(yè)作物樣地,在確定中心點后,使用2個100m 長的皮尺,使其交叉并與田壟呈45°角。沿著橫斷面每隔一米,記錄不同植被層次的蓋度類型。黃土高原林區(qū)的垂直結構比較清晰,實際操作中,按照地表層、灌木層和喬木層的植被覆蓋情況進行調查和記錄。其中喬木層定義為高度>2m 的喬木,中間灌木層定義為高度<2m 的小灌木,本研究中的油松幼齡林樹高基本都小于2m,因此將其喬木層歸在灌木層去分析。

　　在地表層,記錄了地表所有能看見的 成分,包括草本植 被 綠 葉、綠 色 結 皮 等 (PV),枯 枝、枯葉、干葉等(NPV),黑色結皮、裸土、巖石、土壤物理結皮等(BS)。中間灌木層,記錄內容包括灌木層綠葉(PV)、灌木層枝條和枯葉等(NPV)。喬木層則記錄喬木層綠葉(PV)、喬木層枝條和枯葉(NPV)。分地表層、中間灌木層和喬木層,按 PV,NPV 和 BS這3類地物進行計數(shù),分別除以總數(shù)(300或200),計算出樣方內每個層次的fPV,fNPV 和fBS。再按照上層優(yōu)先,其次中層的原則,逐點統(tǒng)計出植被重疊后的投影植被蓋度。共得到61組有效的分層蓋度和垂直投影蓋度數(shù)據。

　　2 結果與分析

　　2.1 典型樣地投影蓋度年內變化

　　顯示了7種樣地中投影綠色(fPV)和非綠色植被(fNPV)覆蓋度以及投影總蓋度(fPV +fNPV)在年內的變化情況�？傮w來看,在6種自然樣地(除耕地)中,投影fPV均基本隨著時間變化逐漸增加,不同樣地的fPV 達到年內峰值的時間略有差別,但 是 集 中 在7—9月,之后迅速下降,在11月初基本達到4月的水平。fNPV與fPV的年內變化趨勢相反,在春夏逐漸降低,9月之后逐漸增加。自然群落的fBS在年內略呈下降態(tài)勢,對應的投影總蓋度呈增加趨勢,但是均不明顯,之后不再做詳細描述。

　　2.2 典型樣地不同層次蓋度年內變化

　　本研究中,人工檸條林地、人工油松林地、黃陵天然林地、秦嶺天然林地等4種樣地中,均存在明顯的植被分層。研究將重點分析這4種樣地的不同層次的fPV和fNPV 在年內的變化情況。黃土高原的天然油松群落很少有灌木層出現(xiàn),本研究中的油松也屬于幼齡林,樹高在2m 左右,因此將其喬木層歸為灌木層分析。但是對于黃陵和秦嶺的天然林地,作為闊葉喬木林,其喬木層、灌木層和草被層都是群落的重要組成部分。但喬木層的覆蓋明顯影響著林下的灌木層蓋度,天 然 林 地 的 灌 木 層 蓋 度 較 檸 條 灌 木 層 蓋度小。

　　3 討 論

　　3.1 兩種統(tǒng)計方法對投影蓋度統(tǒng)計的結果

　　對比實地調查投影植被蓋度時,有不同的統(tǒng)計方法。本文基于對投影蓋度中上、中、下層的優(yōu)先等級,通過逐點核對得到每個樣方的投影蓋度。而 Guerschman等[28]在澳大利亞稀樹草原使用樣帶法進行調查投影蓋度時,基于不同植被層次各自的植被蓋度,考慮各層次優(yōu)先度和所占比例,統(tǒng)計出了植被樣方的投影蓋度。該方法比較靈活且簡化了逐點核對的工作量。采用比例法計算出了樣地的投影蓋度,與本研究中使用的逐點 核 對 法 的 結 果 進 行 了 對 比。對 于fPV和fNPV,兩種方法統(tǒng)計的投影蓋度,均顯著線性相關,R2 都達到了0.99。

　　在區(qū)域土壤侵蝕動態(tài)監(jiān)測的實際應用中,常見的水土流失預測模型,如 在 USEL,RUSLE 和 WEPP等模型[3-5]中,均是以植被覆蓋于管理C 因子作為參數(shù)量化植被在侵蝕防治中的作用,C 因子也往往采用植被蓋度進行表征[38]。僅僅從垂直維度上反映植被狀況,就會忽略植被結構上的差異,所以較高的植被蓋度并不代表良好的水土保持效益。

　　黃健熙等[39]研究表明,若僅以投影覆蓋度作為 C 因子指標納入區(qū)域侵蝕量的計算,會導致土壤侵蝕評價結果出現(xiàn)較大誤差。劉寶元的 CSLE[2]模型中考慮到了植被結構,采用除林冠以外的所有植被的林下蓋度 GD(喬木林下的蓋度,取值范圍為0~1)作為重要因子,能夠全面反映喬、灌、草等不同覆蓋層對土壤的保持能力。目前 GD的獲取方法是按實地調查或者經驗取值,本研究的數(shù)據積累將為這部分參數(shù)提供重要的數(shù)據參考。即人工檸條林地,GD為0.95,人工油松林地,GD為0.88,天然林地,GD為0.99。

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　　4 結 論

　　本研究基于2019年逐半月/月對黃土高原7種樣地垂直結構蓋度的觀測數(shù)據,分析了不同樣地中綠色(fPV)和非綠色植被(fNPV)投影蓋度以及不同樣地中喬木層、灌木層、地表層蓋度年內變化。

　　(1)除耕地外,其它不同土地利用類型下植被的投影fPV隨時間變化有一致性,都是先逐漸增加,在7—9月達到最大值隨后減小,投影fNPV 隨時間的變化趨勢與fPV相反。而耕地的fPV和fNPV年內變化劇烈,因此在區(qū)域監(jiān)測時應重點關注耕地植被蓋度的提取季節(jié)。

　　(2)干旱半干旱區(qū)樣地中的非綠色植被的投影蓋度在夏季仍可占總投影蓋度的15 -41%,應該作為該區(qū)不可忽略的主要地被組成。(3)具有垂直結構的典型 林 地 中,不 同 層 次 的fPV和fNPV隨時間的變化趨勢,與其投影fPV 和fNPV一致,地表層總蓋度與投影總蓋度也存在顯著的線性相關性,可為未來建立遙感監(jiān)測的投影蓋度與地表蓋度的關系提供參考。研究結果可為監(jiān)測該區(qū)fPV 和fNPV 的變化提供數(shù)據和方法支持,為黃土高原土壤侵蝕預報模型中的植被因子提供參考。

　　[ 參 考 文 獻 ]

　　[1] ParmesanC,YoheG.Agloballycoherentfingerprintofclimatechangeimpactsacrossnaturalsystems[J].Nature,2003,421(6918):37-42.

　　[2] LiuBaoyuan,ZhangKeli,XieYun.Anempiricalsoillossequation[C]∥.ProceedingsoftheProc12thISCOConference,2002.

　　[3] RenardK,FosterGR,WeesiesG,etal.Predictingsoilerosionbywater:Aguidetoconservationplanningwiththe Revised UniversalSoilLoss Equation (RUSLE)[M].UnitedStatesGovernmentPrinting,1997.

　　[4] WischmeierW H,SmithDD.Predictingrainfallerosionlosses:aguidetoconservationplanning [M].DepartmentofAgriculture,ScienceandEducationAdministration,Washington,D.C.,USA,1978.

　　[5] 江忠善,鄭粉莉.坡面水蝕預報模型研究[J].水土保持學報,2004,18(1):66-69.

　　[6] 吳欽孝,趙鴻雁,韓冰.黃土高原森林枯枝落葉層保持水土的有效性[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2001,29(5):95-98.

　　作者：呂 渡1,2,張曉萍1,3,劉寶元3,何 亮3,賀 潔3

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