紅壤丘陵區(qū)LAI與土壤侵蝕分布特征的關(guān)系

1、紅壤丘陵區(qū)LAI與土壤侵蝕分布特征的關(guān)系王 庫2，史學(xué)正1，于東升1，田慶久31. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2. 閩江學(xué)院地理科學(xué)系，福建 福州 350108；3. 南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，江蘇 南京 210093摘要：葉面積指數(shù)（LAI）是常用的一個(gè)用于描述植被覆蓋的方面指數(shù)，土壤侵蝕的分布又與植被的覆蓋狀況息息相關(guān)，這就意味著LAI與土壤侵蝕有一定的相關(guān)性，目前有關(guān)這二者的相關(guān)性研究還鮮有文獻(xiàn)報(bào)道?；谶@此，本研究首先利用2000年的遙感影像（TM）解釋出該年度的土壤侵蝕強(qiáng)度圖，再利用該遙感影像通過圖像的代數(shù)運(yùn)算得出該

2、地區(qū)的NDVI柵格圖，通過實(shí)測(cè)該縣不同典型植被條件的LAI值，得出實(shí)測(cè)的LAI與圖像NDVI值之間的函數(shù)關(guān)系式，由圖像的代數(shù)運(yùn)算把NDVI圖轉(zhuǎn)換成LAI圖，即實(shí)現(xiàn)了遙感圖像的實(shí)測(cè)LAI糾正。在GIS軟件的幫助下，通過將LAI柵格圖與土壤侵蝕強(qiáng)度圖的空間疊加分析，得到不同LAI條件下的土壤侵蝕分布。結(jié)果表明，LAI與土壤侵蝕的分布表現(xiàn)為：大致以LAI=2為分界線，當(dāng)LAI2時(shí)，土壤侵蝕的分布隨植被指數(shù)的增加而減少，當(dāng)LAI=2左右時(shí)，土壤侵蝕的面積最大。這種情況對(duì)于輕度、中度及強(qiáng)度土壤侵蝕的影響是類似的，都呈類正態(tài)分布的曲線形式，但在曲線的兩側(cè)土壤侵蝕類型是有本質(zhì)區(qū)別的，在曲線的左側(cè)土壤侵蝕類型

3、的分布是中度和強(qiáng)度為主，而在曲線右側(cè)則以輕度為主。表明LAI這個(gè)指標(biāo)與土壤侵蝕有很好的相關(guān)性，可以用于土壤侵蝕方面的相關(guān)研究工作。關(guān)鍵詞：紅壤丘陵區(qū)；葉面積指數(shù)（LAI）；植被覆蓋度；土壤侵蝕中圖分類號(hào)：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2006）05-1052-04 遙感與GIS技術(shù)發(fā)展的發(fā)展，使得在大區(qū)域尺度上研究土壤侵蝕與植被的關(guān)系成為可能。以往在水土保持研究中，常用到歸一化植被指數(shù)（NDVI）作為地表覆被的指標(biāo)1，這個(gè)指標(biāo)的獲得可通過對(duì)遙感圖像的運(yùn)算直接得到，但由于受衛(wèi)星經(jīng)過時(shí)段和天氣狀況等的影響，很難獲得所需季相、且無云等氣象條件干擾的遙感資料，解譯的NDV

4、I不能很好地代表特定季節(jié)的植被情況。因而若用NDVI單一指標(biāo)來估測(cè)植被蓋度,勢(shì)必丟失大量遙感信息,降低估測(cè)精度2。葉面積指數(shù)（LAI），是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)十分重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，反映的是一個(gè)農(nóng)作物個(gè)體特征和群體特征相關(guān)的綜合指數(shù)，它和植物的蒸騰作用、太陽光的截取、光合作用及地表凈初級(jí)生產(chǎn)力等密切相關(guān)3-4。LAI指數(shù)可以通過對(duì)地表植被的實(shí)測(cè)而得到，大量研究表明，LAI與NDVI之間有很好的相關(guān)性5。根據(jù)這一關(guān)系，可以利用中某一時(shí)段較好的遙感影像，在同一時(shí)期同步對(duì)地表的典型植被進(jìn)行實(shí)測(cè)LAI，通過圖像運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像的NDVI進(jìn)行反演，得到觀測(cè)時(shí)段的LAI的宏觀分布情況。那么通過這種方式得到的

5、LAI資料能否也和NDVI一樣，可以作為研究土壤侵蝕的植被指標(biāo)呢？有關(guān)這方面的研究目前還很少有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。另外，由于LAI與植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）密切相關(guān)，若LAI和土壤侵蝕確存在某種相關(guān)性，那么土壤侵蝕與NPP必然存在相關(guān)關(guān)系。目前，在我國大部分地區(qū)的土壤侵蝕數(shù)據(jù)庫均已經(jīng)建成地，若二者存在相關(guān)性，那么我們可直接利用土壤侵蝕數(shù)據(jù)推算出特定地區(qū)的NPP數(shù)據(jù)，可作為大尺度范圍全球變化的研究。出于這個(gè)目的，本文利用土壤侵蝕數(shù)據(jù)及LAI數(shù)據(jù)，來探討不同葉面積指數(shù)下的土壤侵蝕空間分布特征，同時(shí)也為宏觀上研究土壤侵蝕的空間分布尋求有效、易得的植被指標(biāo)。1 研究區(qū)概況興國縣位于中國江西省南部，東經(jīng)1

6、150111551，北緯26032641，面積3214 km2。地貌特征是東、西、北三面地勢(shì)高峻，逐漸向中、南方向降低，構(gòu)成以縣城為中心的地勢(shì)起伏和緩的盆地，海拔從100多米到1200余米。氣候?yàn)閬啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，雨量充沛，年均降雨量為1540 mm，但季節(jié)性分布很不均勻，46月為雨季，降雨集中，多為暴雨，其降雨量占全年的50%以上，秋季干旱。原始植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，但由于人為毀壞，現(xiàn)存很少，絕大多數(shù)已退化成次生林、荒山灌叢，稀疏草被，甚至沒有任何植被的裸地。據(jù)調(diào)查6，興國縣的森林面積1958年為514.8 km2，覆蓋率為16.0%，到1975年森林覆蓋率只有約10%。1982年確

7、定為全國水土流失八個(gè)重點(diǎn)治理區(qū)域之一，隨后大范圍逐步展開了植樹造林，森林得以逐步恢復(fù)，1988年森林覆蓋率達(dá)到42.3%，地表的植被情況在這之后逐年改善。土壤以紅壤為主，還有黃壤、紫色土、水稻土及草甸土等。水土流失主要集中在盆地中心及其邊緣的紫紅色沙頁巖、紅砂巖和花崗巖母質(zhì)的丘陵區(qū)。2 研究方法及數(shù)據(jù)來源 本文主要是采有GIS的方法，通過對(duì)2000年土壤侵蝕的等級(jí)分布圖與同年同時(shí)段的LAI圖進(jìn)行空間疊加分析，結(jié)合常規(guī)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，來研究在不同的LAI水平下，不同等級(jí)土壤侵蝕類型的分布情況。土壤侵蝕強(qiáng)度圖是由TM影像（2000年12月）解譯而來，其方法是在大量土壤侵蝕觀測(cè)小區(qū)資料的基礎(chǔ)上，把土壤侵

8、蝕觀測(cè)小區(qū)所代表的侵蝕類型與遙感影像特征建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，確立不同土壤侵蝕類型的解譯標(biāo)志，然后根據(jù)所建立的解譯標(biāo)志進(jìn)行土壤侵蝕類型解譯，隨后到野外進(jìn)行分區(qū)分類型校驗(yàn)，最后編制成土壤侵蝕圖（圖1）。土壤侵蝕等級(jí)在這次解譯中，分成三個(gè)級(jí)別，即輕度侵蝕、中度侵蝕和強(qiáng)度侵蝕，具體的分類標(biāo)準(zhǔn)同往對(duì)該縣水土流失的調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)一致7。圖1 興國縣2000年的土壤侵蝕分布情況Fig. 1 Distribution of soil erosion at Xingguo in 2000研究表明，歸一化植被指數(shù)（NDVI）在農(nóng)作物生長的中期對(duì)其表現(xiàn)十分敏感，當(dāng)植被覆蓋度在25%80%之間，NDVI隨植被量呈線性增加8。N

9、DVI可以由校正后的TM圖像直接計(jì)算得出9，其公式為：（其中，IR為近紅外波段像素值，R為紅光波段像素值。）LAI是植被組分的面積（單面）與植被所蔭蔽地表面之比。在遙感領(lǐng)域，它可由NDVI來推算。研究表明，NDVI能靈敏地反映葉面積指數(shù)的變化，NDVI與LAI之間有明確的線性關(guān)系10-11。通過興國縣典型植被（包括馬尾松（Pinus massoniana）、油茶（Camellia）、杉木（Cunningghamil lanceolata）林等）LAI的實(shí)地測(cè)定，合GPS定位，得到采樣點(diǎn)的LAI值。通過對(duì)圖像上同樣地點(diǎn)的NDVI與LAI進(jìn)行相關(guān)分析，得到LAI與NDVI的關(guān)系為：LAI = 10

10、.292*NDVI + 0.9032（R=0.7015）利用這一關(guān)系式，通過圖像的代數(shù)運(yùn)算，將TM圖像算出的NDVI圖像轉(zhuǎn)換成LAI圖像，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)遙感圖像解譯的植被指數(shù)的實(shí)測(cè)糾正。3 結(jié)果與討論圖2為通過實(shí)測(cè)校正得到的LAI指數(shù)分布圖，LAI分5個(gè)級(jí)別，由15表示植被由低到高的變化，0表示水域。從圖2可以看出，興國縣的葉面積指數(shù)分布有如下規(guī)律：在山區(qū)，尤其是海拔較高的地區(qū)（500 m），植被指數(shù)都較高，一般在45左右。在低山丘陵區(qū)（300500 m），植被指數(shù)多在23之間，而在丘間谷地，植被指數(shù)均比較低(1)。這是因?yàn)樵诤０屋^高的地方，人類的活動(dòng)相對(duì)較少，使植被能相對(duì)完好保存下來，而在低海

11、拔處，人為活動(dòng)相對(duì)頻繁，植被人為破壞程度相對(duì)較大，使得植被指數(shù)下降。丘間谷地多為旱地或水田，植被較少，因而植被指數(shù)較低。圖2 2000年興國縣葉面積指數(shù)分布圖Fig. 2 LAI map of Xingguo in 2000在GIS下，通過對(duì)LAI柵格圖與土壤侵蝕強(qiáng)度圖進(jìn)行疊加分析，得到不同強(qiáng)度等級(jí)的土壤侵蝕與LAI的關(guān)系如下頁圖3所示?？偟膩碚f，輕度、中度、強(qiáng)度的土壤侵蝕的分布，都與葉面積植被指數(shù)之間存在類正態(tài)分布的曲線的關(guān)系，具體表現(xiàn)為，在低植被指數(shù)（LAI2的情況下，土壤侵蝕分布隨植被指數(shù)的增大而減小。而在植被指數(shù)在2左右的地區(qū)，不同等級(jí)的土壤侵蝕面積均表現(xiàn)出峰值。下面按葉面積指數(shù)分段情

12、況進(jìn)行分別討論。圖3 2000年土壤侵蝕與葉面積指數(shù)（LAI）的關(guān)系Fig. 3 Relationship between soil erosion and LAI in 20003.1 LAI小于1在這個(gè)區(qū)間段，土壤侵蝕的面積是隨LAI增加而增大的，對(duì)于不同強(qiáng)度的土壤侵蝕分布來看，輕度侵蝕的分布面積最小，幾乎為0，中度隨LAI變化的幅度也不大，只有強(qiáng)度侵蝕的分布隨LAI變化的幅度比較明顯。上述這種不同LAI下土壤侵蝕的分布規(guī)律可以從如下的角度加以解釋：葉面積指數(shù)小于1的地方的土地利用多為水體、水田或是休閑地及荒草地12，這些地區(qū)地勢(shì)較為平坦，雖然植被的覆蓋度不大，由于較少具備土壤侵蝕發(fā)生的地

13、形條件，因而表現(xiàn)為輕度侵蝕和中度侵蝕在這一區(qū)域發(fā)生的面積不大，而一旦發(fā)生水土流失，就是比較嚴(yán)重的，因?yàn)樵谶@些區(qū)域植被覆蓋不高，加上如處在地勢(shì)較陡的地帶，就會(huì)極易導(dǎo)致嚴(yán)重土壤侵蝕的發(fā)生。3.2 LAI間于1-2從曲線的變化上來看，三種強(qiáng)度的侵蝕在這個(gè)范圍內(nèi)的變化均隨LAI的增大有迅速的增加，表現(xiàn)為曲線的斜率較大。其中，中度侵蝕的變化最大，其次為強(qiáng)度侵蝕和輕度侵蝕。在興國縣LAI為12之間的地區(qū)，一般都偏于在山體中、下部、坡度較大相對(duì)較大，這樣地區(qū)的土地利用多為園地（果園、竹園、茶園等）、旱地，植被的覆蓋還不足以抵消坡度對(duì)侵蝕的影響，別一方面，這一地帶的土壤多以變質(zhì)巖、紫色土及第四紀(jì)堆積物為主13

14、，其土壤的結(jié)構(gòu)也較為疏松，在暴雨季節(jié)極易發(fā)生土壤侵蝕。因而雖呈現(xiàn)為LAI值相對(duì)提高，但侵蝕卻是發(fā)生比較嚴(yán)重。3.3 LAI間于23在這個(gè)區(qū)間段，除了輕度侵蝕以外，中度及強(qiáng)度侵蝕的分布變化較快，表現(xiàn)為在這個(gè)區(qū)間曲線的斜率變化較陡，說明在葉面積指數(shù)在大于2以后，隨植被覆蓋率的進(jìn)一步增加，土壤侵蝕的分布顯著下降。在興國縣，LAI在2或3的地區(qū)，多處于山體的中上部位，在歷史上來看，這些地區(qū)多為嚴(yán)重水土流失的多發(fā)地帶，由于植被的大面積破壞，到處是荒山禿嶺的景觀，而后來國家采取的水土保持工程，大面積人工次生林的建設(shè)使這一地區(qū)的植被覆蓋度有較大程度的增加，而有效地控制了嚴(yán)重水土流失的發(fā)生14。這說明，地表的

15、植被覆蓋率是在達(dá)到一定程度時(shí)才會(huì)對(duì)土壤侵蝕起抑制作用的，植被的覆蓋度只有達(dá)到這個(gè)臨界值時(shí)才能起水土流失控制的主導(dǎo)作用。地表植被覆蓋如果達(dá)不到這個(gè)值，就會(huì)出現(xiàn)“遠(yuǎn)看綠油油，近看水土流”的現(xiàn)象。從這一點(diǎn)來看，山區(qū)的水土保持工作，抓植被的地面覆蓋達(dá)標(biāo)建設(shè)是防治水土流失的重要環(huán)節(jié)。3.4 LAI大于3在LAI大于3以后的情況下，不同強(qiáng)度的土壤侵的分布隨植被覆蓋的增加進(jìn)一步減少，尤其是強(qiáng)度侵蝕，在LAI大于3以后其分布的面積僅為其總分布面積的2.2%，而當(dāng)LAI的值大于4以后，各種強(qiáng)度的土壤侵蝕的分布面積都相對(duì)較少，各類土壤侵蝕占總侵蝕面積的3.5%，在這3.5%的土壤侵蝕中，侵蝕類型主要以輕度為主，占

16、58.6%。這在曲線的分布上，雖與LAI1的情形是對(duì)稱的，但侵蝕類型則有本質(zhì)的不同，前者的土壤侵蝕類型的分布是中度和強(qiáng)度為主，而后者則以輕度為主，說明，植被是控制土壤侵蝕發(fā)生的積極因素，要有效地控制水土流失，一定要加強(qiáng)林草等植被的保護(hù)和建設(shè)。4 結(jié)論從以上的分析來看，在興國縣土壤侵蝕分布與LAI的關(guān)系表現(xiàn)為：LAI=2時(shí)，可以認(rèn)為是侵蝕分布的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)LAI2時(shí)，土壤侵蝕的分布隨植被指數(shù)的增加而減少，當(dāng)LAI=2左右時(shí)，土壤侵蝕的面積最大。表現(xiàn)為曲線近似拋物線的分布，但在曲線的兩側(cè)土壤侵蝕類型是有本質(zhì)區(qū)別的，在曲線的左側(cè)土壤侵蝕類型的分布是中度和強(qiáng)度為主，而在曲線右側(cè)則以輕度為主。這種土壤

17、侵蝕在不同植被指數(shù)下的分布原因，主要是由于，土壤侵蝕的發(fā)生在很大程度上取決于植被狀況的好壞，但植被并不是唯一的控制因素，土壤侵蝕還取決于地形、母質(zhì)、土地利用等其它因素，因而，確切地講，用植被地面覆蓋指數(shù)這個(gè)指標(biāo)來衡量水土流失才是確切可靠的。而水土流失的有效控制，除提高地表植被覆蓋外，還需要綜合協(xié)調(diào)其它因素，因地制宜地采取相應(yīng)的有效手段。參考文獻(xiàn)：1 胡良軍, 邵明安. 論水土流失研究中的植被覆蓋度量指標(biāo)J. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2001,16(1):40-43.HU Liangjun, SHAO Mingan. Vegetation Coverage Index in Soil and Wate

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30、rage, while, soil erosion have a close relation with vegetation coverage. From this case, some relationship between LAI and soil erosion should be existed. But related article about this relation is little at present. Based on the idea, soil erosion intensity map was produced from interpreting the r

31、emote sensing image (TM) in Xingguo County in 2000 year, which was also use to calculate NDVI map through algebra operation by itself. Field investigations were carried out to determine the LAI value in different vegetation types. By using the linear relationship between LAI and NDVI, LAI distribution map was gotten through image calculation. By th