植被叶面积指数与覆盖度定量表征红壤区土壤侵蚀关系的对比研究

图 1 试验区地理位置及土壤侵蚀试验小区示意图
F ig 1 Sketch m ap of th e geograph ic location of th e experi m en t s ite and layout of soil erosion observation p lots
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土
壤
学
报
47 卷
1 2 试验观测与分析方法 自 2007 年 3 月起开始小区观测试验。通过分 析小区附近气象观测台站的自计雨量计数据 , 得到 2007年 95 场 次及 2008 年 84 场次降 雨的降 雨量 h( mm )、 降雨历时 t ( m in ) 等有 关降雨数据。根据 侵蚀性降雨标准 , 将不发生侵蚀的降雨剔除, 计 算月侵蚀性降雨雨量。 每次天然降雨且出现径流后, 分别收集各小区 的径流与泥沙, 并测定径流量、 泥沙含量 , 计算该次 降雨产生的泥沙总量。 2007 年、 2008 年各小区获取 径流泥沙数据分别为 56 组次、 65 组次。径流中泥 沙含量 , 采用过滤法和烘干法测定 。通过汇总次 降雨径流、 泥沙, 计算年径流量与年土壤侵蚀量 , 进 而得到 2 个观测年份的年平均径流系数及土壤侵蚀 模数。 每年春季小区植草后, 尽量选择晴天, 每隔 10d 左右在各小区上、 中、 下坡中心固定位 置定点观测 LA I与 VFC, 三点测量的平均值, 作为该小区 LA I及 VFC 值。其中 , LA I使用 A ccuPAR LP 80仪器 ( Dec agon Dev ices, Inc , USA) 在草下近地面测量; VFC 距 离地面 1 5m 处采用双向 ( 垂直向上、 向下 ) 数码照 相法测量
。
植被的水土保持效益评价, 学者们提出了许多 反映植被特征的 评价指标, 如植被类型、 植物种类 组成 量
[ 8 9]
, 植被冠层密度
[ 10]
, 植物根系密度与根
[ 11 12 ]
等等。还有学 者提出了利用多 种植被指标
构成综合性的评价指标体系 , 评价植被的水土保持
* 国家重点基础研究发展计划 973 项目 ( 2007CB407206 )和中国科学院知识创新工程项目 ( K SCX 1- YW - 09- 02 & 01 ) 资助 通讯作者 , E m ai: l dshyu @ issas ac cn 作者简介 : 孙佳佳 ( 1983! ) , 女 , 硕士研究生 , 主要从事土壤侵蚀与资源环境研究。 E m ai: l hh zx inxiang@ 163 com 收稿日期 : 2009- 10- 15 ; 收到修改稿日期 : 2010- 02 - 02
80cm ∃ 86c m, 一级池建 5 个 V 型分流堰连通二级 池; 相邻小区间隔 5 100 m 不等。各小区土壤均为发 育于花岗岩母质的山地红壤且理化性质相似
[ 3]
。
小区乔木均为马尾松 ( P inus m assoniana ) , 2007 年 3 月通过连根间伐的方法统一整理完成。共设 6 种马尾松林冠覆盖梯度, 郁闭度控制在 0~ 0 5 之间 ( 图 1); 郁闭度由低到高 , 以小区号首位码 1 6 来表 示。每种梯度下设裸露与植草 2 种地表处理, 相当 于纯林和林草 2 种植被覆盖类型。草皆为一年生宽 叶雀稗 ( Paspalurn w ettsteinii ), 每年春季 3 至 4 月间 于小区坡面均 匀撒 播草种 种植 , 草高 度夏 秋可 达 60c m 左右 ; 植草时以林草总覆盖度来确定小区植草 密度。小区末位码为单号表示纯林植被覆盖类型 , 双号则表示林草植被覆盖类型。其中 101 为裸地 , 102 为纯草覆盖, 102 、 202、 302 、 402 、 502 和 602 的最 大植被覆盖度分别控 制在 80 %、 60 %、 45% 、 30 %、 15 %和 5 % 左右 (图 1) 。
6期
孙佳佳等 : 植被叶面积指数与覆盖度定量表征红壤区土壤侵蚀关系的对比研究
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1 材料与方法
1 1 试验区概况 试验区位于福建省长汀县河田镇境内 ( 25∀40 # N, 116∀30# E ) , 属于中亚热带季风气候 , 多年平均降雨 量为 1716mm, 年内降雨分布不均衡 , 雨季为 4 月至 8 月 , 降雨量占全年总降雨量的 80 % 左右, 地貌以低 山丘陵为主, 土壤为花岗 岩风化形成的 山地红壤。 原中亚热带常绿阔叶林已经基本破坏, 现有植被主 要为次生马尾松林。 2007年 2 月, 在河田镇罗地草山岗坡地上建立 12 个土壤 侵蚀试验小区 ( 图 1)。各小区坡度均 为 8∀ , 水平投影面积为 5m ∃ 20 m。小区四周用水泥板与 外部隔开, 水泥板露出地表 20cm, 埋深 20c m; 下坡设 有径流、 泥沙出口以及收集径流和泥沙的径流池, 其 中一、 二 级径流 池大小 一致, 其 内径皆 为 244cm ∃
杨
浩
2
( 1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室 ( 中国科学院南京土壤研究所 ) , 南京 ( 2 南京师范大学地理科学学院 , 南京 ( 3 中国科学院研究生院 , 北京 ( 4 南京晓庄师范学院 , 南京 210046 ) 100039 ) 210012 )
210008)
摘
要
选择较合理的植被指 标 , 对 提高植 被水土 保持效 益评价精 度具有 重要理 论与现 实意 义。本
[ 21 22 ] [ 20] [ 19]
2007 年和 2008 年的 4 月至 8 月期间的侵蚀性降雨 量分别占全年侵蚀性降雨的 91 % 与 85 % , 其中 6 月 是全年降雨最集中的月份 (图 2) 。侵蚀性降雨年际 变化亦较大 , 如 2007 年 6 月侵蚀性降雨量比 2008 年同期多 70 % ; 2007 年 8 月侵蚀性降雨量达 300mm 以上 , 而 2008 年同期无侵蚀性降雨。
图 2 试验区 2007 年和 2008 年侵蚀性自然降雨情况
F ig 2 E ros ive rainfallw ith in the years of 2007 and 2008
。进入冬季, 草 完全枯萎 , 植被基本
2 2 试验区植被指标的年度变化 试验结果表明 , 各小区植被覆盖度 VFC 和叶面 积指数 LA I 的季节变化特点十分相似 , 与植被年生 长的周期性变化规律相吻合。以 202 小区为例 , 每 年春季植草后 , 植被 VFC、 LA I 逐渐提高 ; VFC 在 8 月左右达到峰值, 9 月后开始下降直至 12月 ; LA I在 9月达到最大并逐渐稳定至 12月 ( 图 3)。 由于 VFC 是通过提取相片中绿色像元来计算 , 植被枯萎后对 VFC 的测量影响较大 ; 而 LA I 则 是通过测量太阳光的有效辐 射和植被下部的 有效 辐射 来 计 算 的, 植 被 枯 萎 对 LA I 的 测 量 影 响 较 [ 23] 小 。因而 , 对于相同的植被生长过程 , 两个指标 所反映出的年度变化特征也存在差异 , 峰值出现和 维持并不同步。 2 3 不同植被覆盖类型的产流与产沙 观测结果表明 ( 图 4), 纯林小区 ( 201 、 301 、 401 、 501 、 601) 与裸地对照小区 ( 101) 相比 , 径 流系数并 没有减少。林下无草本覆盖时 , 不同乔木郁闭度下 径流系数变化幅度不大, 表明马尾松纯林植被对地 表径流的影响有限 , 周跃等关于长江上游人工云南 松林对地表径流无明显作用 的研究结果亦证 明了 [ 24] 这点 。
第 47 卷 第 6 期 2010 年 11月
土
壤
学
报
V o l 47, N o 6 N ov , 2010
ACTA PEDOLOG ICA S I N ICA
植被叶面积指数与覆盖度定量表征红壤区土壤 * 侵蚀关系的对比研究
孙佳佳
1, 3
于东升
1, 2, 3
史学正
1, 3
顾祝军
1, 4
张文太
1, 3
[ 67]
面积指数来表征和评价植被的水土保持效益, 很值 得深入研究和探讨。 叶面积指数 ( L eaf A Байду номын сангаасea Index, LA I) 为地表单位 面积上总绿叶面积的 1 / 2 数校正
[ 18] [ 17]
, 对阔叶林而言是单侧
叶面积, 而针叶林则根据叶或小枝的形态用转换系 。它不仅反映了植被的结构, 分布密度和 生物量信息, 且地面测量方法较为方便、 快速, 其大 范围数据还可借 助遥感手段来获 取。本研究 通过 试验小区观测 , 研究和比较了 VFC 与 LA I 定量表征 植被水土保持效益的可靠性 , 为以 LA I为指标建立 土壤侵蚀与植被水土保持效 益评估新方法提 供科 学依据。
我国南方红壤侵蚀区经过多年治理和保护 , 森 林覆盖率达 50 % 以上 , 有些地区超过 70 % , 植被覆 盖度甚至达到 90%
[ 1]
效益
[ 13 15 ]
。这些指标在学者们 各自的研究工 作中
得到很好的应用, 并 取得了丰硕的研 究成果, 但其 测量较为繁琐, 大范 围获取数据也较 为困难, 在应 用上受到限制。有研究结果表明 , 植被叶面积指数 与土壤侵蚀量有很好的相关性
[ 21]
没有变化, 停止测量 LA I及 VFC; 在次年春季种草后 重新开始测量。 2007 年、 2008 年 2a 各小区分别获 得 23组次、 24组次 LA I及 VFC 有效测量数据。 小区植被指标观 测与次降雨径流 和泥沙观测 不同步 , 且相邻两次降雨的植被覆盖状况变化不明 显 , 很难以次降雨的观测 资料独立进行 统计分析 , 只能基于月份、 季度或年度的时间尺度开展观测数 据的统计与分析工作。该区域 4~ 8月份的雨季 , 不 但土壤侵蚀发生 频率高、 强 度大, 而且 植被生长旺 盛、 植被覆盖状况变化快 , 各小区的观 测资料也很 完整。因此 , 本文利用了各小区雨季的 LA I 、 VFC 及 土壤侵蚀模数 2a 平均值进行相关统计分析。统计 与分析工作 , 均 借助 SPSS13 0 ( SPSS Inc Ch icago, I L, USA) 软件完成。
研究基于福建省长汀县河田镇 12 个土壤侵蚀 试验小 区 2007 年和 2008 年 2a的 降雨、 径流、 泥沙 数据及各 小 区的植被叶面积指数 ( LA I) 、 植被覆盖 度 ( VFC ) 资 料 , 利用对 比与 统计分 析方 法 , 研究 了 2 种 植被 覆盖类 型 ( 纯马尾松林、 马尾松林草 ) 和不同覆盖度 ( 80 % 、60% 、 45% 、 30% 、 15% 和 5 % ) 的红 壤水土流 失特点 , 探讨 了 LA I与 VFC 定量表征水土流 失关系的稳定性和可靠性。结果表明 , 与裸地小 区比较 , 马尾松 纯林覆盖一 定程 度上降低了土壤侵蚀模数 , 对径流的减少 作用并不明 显 ; 而 马尾松 林草覆 盖可显 著减少 25 % 左右的 径流 , 土 壤侵蚀模数减少也在 90% 以上 , 林草结合的植 被覆盖结 构具有 更强的水 土保持 功能。以 LA I表 征 2 种植 被 覆盖类型的土壤侵蚀模数 , 均能达到显著 水平 ( p < 0 05); 而以 V FC 来表征土壤侵蚀模数 , 仅马尾松林草 覆盖 类型达到了显著水平。选择 LA I表征土壤侵蚀模数来评价植被水土保持效 益 , 将更为稳定和可靠。 关键词 中图分类号 叶面积指数 ; 植被覆盖度 ; 植被指标 ; 土壤侵蚀与水土保持 S152 72 文献标识码 A
[ 16]
。但即使是高植被覆盖的地
区 , 林下土壤裸露程度高, 仍会发生中度、 甚至强度 以上的 水 土 流 失 , 林 下 水 土 流 失 的 问 题 十 分 突 出
[ 2 3]
, 那么能否利用叶
。研究工作表明, 仅以植被覆盖度 ( V egetat io n
[ 4 5]
fractional coverage , VFC )为评价指标 , 并不能完全反 映各种植 被状 况的 水土 保持功 能 性差 异 。显 然 , 以植被覆盖度来表征水 土流失状况 , 反映植被 水土保持效益, 已不能满足水土流失监测的精度要 求。选择更为合适的 植被指标来表征 水土流失状 况 , 评价植被的水土保持功能是非常有必要的