黄土高原不同土地利用下分层植被的盖度差异

　　摘 要:[目的]分析不同土地利用下黄土高原植被的覆盖状况,为监测该区植被特别是非绿色植被盖度的变化提供数据支持,为遥感估算 FVC在土壤侵蚀预测中的应用提供可靠依据。[方法]研究选择黄土高原不同土地利用类型下的7块植被样地,采用样带法进行逐半月的分层植被盖度调查,分析了fPV 和fNPV在不同类型下以及不同层次结构下的年内变化,为侵蚀过程模型中植被因素的获取提供参数。[结果]①沙地、草地、人工柠条林地、人工油松林地、黄陵和秦岭的天然林地等6个样地中,植被的年内投影总盖度变化不大。投影fPV 和其所占投影总盖度的比例,年内均随时间先逐渐增加,7—9月达到最大值,其后迅速减小。而投影fNPV 随时间的变化趋势与fPV 相反。受耕作制度影响,耕地投影fPV 和fNPV 年内变化剧烈。②7—9月,在黄陵和秦岭的天然林样地,投影fPV 占比可达100%,其他4种样地分别可达60.6%,70.5%,58.8%和84.9%,意味着仅考虑投影fPV ,将忽略占总盖度39.4%,29.5%,41.2%和15.1%的fNPV的生态效益。③人工柠条、人工油松林地,黄陵、秦岭的天然林地等4种具有明显植被垂直结构的样地中,乔木层、灌木层和地表层的fPV 与fNPV 的年内变化与投影fPV 与fNPV 的变化趋势基本一致;4种样地植被的投影总盖度与地表层总盖度的线性关系,其相关性可达0.85(R2)。[结论]该区非绿色植被的投影盖度在夏季仍能占总投影盖度的41%,是不可忽略的地被组成。研究关于不同土地利用下分层植被的调查结果,也可为该区土壤侵蚀预报模型中的植被因子提供部分数据支持。

　　关键词:植被投影盖度;垂直分层盖度;非绿色植被盖度;土地利用方式;黄土高原

　　群落的绿色植被(绿叶)和非绿色植被(枝条、枯叶、落叶、作物残茬等)结构和功能状况,影响着陆地生态系统水、碳等物质循环,也影响着侵蚀营力的动力和能量聚集和耗散[1]。植被是地表侵蚀等过程模型中的关键因子[2-5]。植被的水土保持功能是其不同垂直分层结构综合作用的结果[6]。南方红壤侵蚀区的研究表明,与只有两层结构的乔—草或灌—草型,以及单层结构的乔木型植被相比,有完整的乔—灌—草三层结构的植被,其水土保持效益更优[7],林下土壤侵蚀量更小[8]。在黄土高原也有相似的结论,不完整的群落结构往往会加剧水土流失[9-10]。

　　而草被及枯落物等近地表植被,则被认为是决定水土保持效益的关键层次[11]。长期以来,在水土保持定量评价方面,大多使用植被覆盖度(fractionalvegetationcover,FVC)[12]作为重要指标,FVC 一般指包括乔、灌、草和农作物在内所有植被的冠层、枝叶在地面的垂直投影面积占总面积的百分比[13]。样地尺度上,FVC 的信息一般可以通过传统的测量方法获得,按照原理可以分为目视估测法、仪器法、采样法[14]。

　　目视法简单快捷但是估测精度较低,采样法可以分为样点法、样带法,其估算精度高但是工作量大。仪器法主要是利用相机对样方拍照,再 利 用 监 督 分 类 等 软 件 程 序 获 得 植 被 盖度[15]。然而无论哪种方法,被实际应用在野外的植被调查时,通常却只考虑林地的绿色冠层的郁闭度,关于 贴 地 表 层 的 盖 度 也 只 关 注 绿 色 草 本 的 覆 盖度[16]。

　　在区域尺度上则需要利用遥感技术,然而区域尺度估算 FVC的研究,大多集中在使用 NDVI产品估算 的 投 影 绿 色 植 被 盖 度 (fractionalphotosyntheticvegetationcover,fPV)[17-19],随着Hyperion等高光谱影像的应用,开始更多的关注非绿色植被盖度(fractionalnon-photosyntheticvegetationcover,fNPV )的估算[20]。然而较高的投影植被盖度并不能代表植被丰富的垂直空间层次和较高的林下盖度。林下盖度估算不足会严重影响到地表侵蚀等过程模型中植被参数的获取及模型精度[21-22]。黄土高原地处半湿润半干旱地区,其地形破碎,植被 稀 疏,降 水 集 中,水 土 流 失 严 重,生 态 功 能 脆弱[23]。

　　1999年黄土高原实施“退耕还林还草”工程后,基于遥感产品的投影fPV 明显增加[24],然而对植被群落垂直分层盖度,尤其地表层盖度数量变化分析还很不足。以实地调查为基础,定量掌握黄土高原生态脆弱地区不同植被的垂直分层盖度特征,对认识遥感投影植被盖度的水土保持意义、土壤侵蚀量的模型估算,评估水土流失治理工程的效果均有重要的意义。该区的主要土地覆被类型包括耕地(38%)、森林(16%),草地(37%),灌木林(1%),裸地(4%)[25],本研究选择了黄土高原不同土地利用下的7块样地作为研究对象,逐半月/逐月调查了其植被的垂直分层盖度,分析了不同土地利用下以及不同结构层次下的植被的绿色盖度和非绿色盖度的年内变化,及其与投影盖度间的关系。研究真实反映该区植被的覆盖状况,将为监测该区植被特别是非绿色植被盖度的变化提供数据支持,为遥感估算 FVC 在土壤侵蚀预测中的应用提供可靠依据。

　　1 研究区概况和调查方法

　　1.1 研究区和调查样地研究

　　区位于中国黄土高原(100°52'—114°33'E,33°41'—41°16'N),面积约6.24×105 km2。该区属于大陆性季风气候,年平均气温9~12 ℃,年平均降雨量440mm(100~800mm),呈现从东南向西北递减趋势。地势西北高、东南低,海拔72~4885m。相应的,从东南向西北植被、土壤表现出明显的地带性特征。该区典型地貌类型主要包括黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区,约占黄土高原面积的70%[25]。本研究借助 GoogleEarth工具,广泛调查了黄土高原植被分布特征,根据植被带划分规律,从南至北选择了7块2km×2km 大小的均质样地,代表不同的土地利用类型,进行定点逐月观测试验。

　　1.2 植被覆盖度调查

　　本研究采用样带法[27],于2019年全年逐半月野外调查样地中植被绿色、非绿色植被和裸地的盖度。受天气与路程影响,实地测量与计划时间可能有3~5d的时间差。具 体 调 查 中,使 用 3 个 100 m 长 的 皮尺,从样方中心点出发,使其交叉呈星形布设,对于平行播种的农业作物样地,在确定中心点后,使用2个100m 长的皮尺,使其交叉并与田垄呈45°角。沿着横断面每隔一米,记录不同植被层次的盖度类型。黄土高原林区的垂直结构比较清晰,实际操作中,按照地表层、灌木层和乔木层的植被覆盖情况进行调查和记录。其中乔木层定义为高度>2m 的乔木,中间灌木层定义为高度<2m 的小灌木,本研究中的油松幼龄林树高基本都小于2m,因此将其乔木层归在灌木层去分析。

　　在地表层,记录了地表所有能看见的 成分,包括草本植 被 绿 叶、绿 色 结 皮 等 (PV),枯 枝、枯叶、干叶等(NPV),黑色结皮、裸土、岩石、土壤物理结皮等(BS)。中间灌木层,记录内容包括灌木层绿叶(PV)、灌木层枝条和枯叶等(NPV)。乔木层则记录乔木层绿叶(PV)、乔木层枝条和枯叶(NPV)。分地表层、中间灌木层和乔木层,按 PV,NPV 和 BS这3类地物进行计数,分别除以总数(300或200),计算出样方内每个层次的fPV,fNPV 和fBS。再按照上层优先,其次中层的原则,逐点统计出植被重叠后的投影植被盖度。共得到61组有效的分层盖度和垂直投影盖度数据。

　　2 结果与分析

　　2.1 典型样地投影盖度年内变化

　　显示了7种样地中投影绿色(fPV)和非绿色植被(fNPV)覆盖度以及投影总盖度(fPV +fNPV)在年内的变化情况。总体来看,在6种自然样地(除耕地)中,投影fPV均基本随着时间变化逐渐增加,不同样地的fPV 达到年内峰值的时间略有差别,但 是 集 中 在7—9月,之后迅速下降,在11月初基本达到4月的水平。fNPV与fPV的年内变化趋势相反,在春夏逐渐降低,9月之后逐渐增加。自然群落的fBS在年内略呈下降态势,对应的投影总盖度呈增加趋势,但是均不明显,之后不再做详细描述。

　　2.2 典型样地不同层次盖度年内变化

　　本研究中,人工柠条林地、人工油松林地、黄陵天然林地、秦岭天然林地等4种样地中,均存在明显的植被分层。研究将重点分析这4种样地的不同层次的fPV和fNPV 在年内的变化情况。黄土高原的天然油松群落很少有灌木层出现,本研究中的油松也属于幼龄林,树高在2m 左右,因此将其乔木层归为灌木层分析。但是对于黄陵和秦岭的天然林地,作为阔叶乔木林,其乔木层、灌木层和草被层都是群落的重要组成部分。但乔木层的覆盖明显影响着林下的灌木层盖度,天 然 林 地 的 灌 木 层 盖 度 较 柠 条 灌 木 层 盖度小。

　　3 讨 论

　　3.1 两种统计方法对投影盖度统计的结果

　　对比实地调查投影植被盖度时,有不同的统计方法。本文基于对投影盖度中上、中、下层的优先等级,通过逐点核对得到每个样方的投影盖度。而 Guerschman等[28]在澳大利亚稀树草原使用样带法进行调查投影盖度时,基于不同植被层次各自的植被盖度,考虑各层次优先度和所占比例,统计出了植被样方的投影盖度。该方法比较灵活且简化了逐点核对的工作量。采用比例法计算出了样地的投影盖度,与本研究中使用的逐点 核 对 法 的 结 果 进 行 了 对 比。对 于fPV和fNPV,两种方法统计的投影盖度,均显著线性相关,R2 都达到了0.99。

　　在区域土壤侵蚀动态监测的实际应用中,常见的水土流失预测模型,如 在 USEL,RUSLE 和 WEPP等模型[3-5]中,均是以植被覆盖于管理C 因子作为参数量化植被在侵蚀防治中的作用,C 因子也往往采用植被盖度进行表征[38]。仅仅从垂直维度上反映植被状况,就会忽略植被结构上的差异,所以较高的植被盖度并不代表良好的水土保持效益。

　　黄健熙等[39]研究表明,若仅以投影覆盖度作为 C 因子指标纳入区域侵蚀量的计算,会导致土壤侵蚀评价结果出现较大误差。刘宝元的 CSLE[2]模型中考虑到了植被结构,采用除林冠以外的所有植被的林下盖度 GD(乔木林下的盖度,取值范围为0~1)作为重要因子,能够全面反映乔、灌、草等不同覆盖层对土壤的保持能力。目前 GD的获取方法是按实地调查或者经验取值,本研究的数据积累将为这部分参数提供重要的数据参考。即人工柠条林地,GD为0.95,人工油松林地,GD为0.88,天然林地,GD为0.99。

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　　4 结 论

　　本研究基于2019年逐半月/月对黄土高原7种样地垂直结构盖度的观测数据,分析了不同样地中绿色(fPV)和非绿色植被(fNPV)投影盖度以及不同样地中乔木层、灌木层、地表层盖度年内变化。

　　(1)除耕地外,其它不同土地利用类型下植被的投影fPV随时间变化有一致性,都是先逐渐增加,在7—9月达到最大值随后减小,投影fNPV 随时间的变化趋势与fPV相反。而耕地的fPV和fNPV年内变化剧烈,因此在区域监测时应重点关注耕地植被盖度的提取季节。

　　(2)干旱半干旱区样地中的非绿色植被的投影盖度在夏季仍可占总投影盖度的15 -41%,应该作为该区不可忽略的主要地被组成。(3)具有垂直结构的典型 林 地 中,不 同 层 次 的fPV和fNPV随时间的变化趋势,与其投影fPV 和fNPV一致,地表层总盖度与投影总盖度也存在显著的线性相关性,可为未来建立遥感监测的投影盖度与地表盖度的关系提供参考。研究结果可为监测该区fPV 和fNPV 的变化提供数据和方法支持,为黄土高原土壤侵蚀预报模型中的植被因子提供参考。

　　[ 参 考 文 献 ]

　　[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,郑粉莉.坡面水蚀预报模型研究[J].水土保持学报,2004,18(1):66-69.

　　[6] 吴钦孝,赵鸿雁,韩冰.黄土高原森林枯枝落叶层保持水土的有效性[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2001,29(5):95-98.

　　作者：吕 渡1,2,张晓萍1,3,刘宝元3,何 亮3,贺 洁3

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