長白山主要植被類型葉面積指數(shù)分布研究

長白山主要植被類型葉面積指數(shù)分布研究

1葉面積指數(shù)的獲取及測量葉面積指數(shù)（lai）被定義為單位表面上總?cè)~面積的一半。它決定了地球表面植被的生產(chǎn)力，并影響了表面和空氣之間的相互作用。葉面積指數(shù)是森林生態(tài)系統(tǒng)的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù),葉片影響著植被冠層內(nèi)的許多生物化學(xué)過程,在生態(tài)過程、大氣生態(tài)系統(tǒng)的交互作用以及全球變化等研究中都需要葉面積指數(shù)的資料。大范圍的葉面積指數(shù)的獲取在以前幾乎不可能。遙感技術(shù)提供了條件,現(xiàn)在已經(jīng)能通過遙感手段反演出大范圍的葉面積指數(shù)。當前基于MODIS的全球的葉面積指數(shù)圖也已經(jīng)進入了產(chǎn)品階段,但是由于地表的不均一性,低、中分辨率的遙感圖像反演得到的葉面積指數(shù)有很大的不確定性,因此需要對于這些產(chǎn)品的質(zhì)量和精度進行評估和驗證。另外,一些葉面積指數(shù)的遙感反演算法還只是在理論研究的階段,通過這些算法得到的葉面積指數(shù)也需要實地的驗證,因此實地葉面積指數(shù)的測量意義重大。一些直接的葉面積測量方法,例如樹木解析法、點接觸法等存在著誤差較大、毀壞性測量等缺陷。除了直接的葉面積指數(shù)測量方法,還有間接的光學(xué)測量方法。間接法測量主要是用光學(xué)儀器觀測輻射透過率,再根據(jù)輻射透過率算出葉面積指數(shù)。2實驗設(shè)備和實驗原理2.1聚合劑trac的分類對于葉面積指數(shù)的光學(xué)測量來說,觀測儀器有TRAC,LAI-2000,SunfleckCeptometer,植被冠層數(shù)字圖像儀,Demon等。除了TRAC之外,其他的儀器都假設(shè)葉片在空間的分布是隨機的,無法計算出集聚指數(shù)。本次測量使用的儀器是TRAC,它比其他儀器先進的地方,主要是它不僅能夠使用間隙率數(shù)據(jù),而且引用了間隙尺度(大小)分布的概念。TRAC是目前唯一可以觀測集聚指數(shù)(Ω)的儀器。有了集聚指數(shù)這個參數(shù),葉面積指數(shù)的計算就可以不用假設(shè)葉片在空間隨機分布,因此可以減小從有效葉面積指數(shù)到實際葉面積指數(shù)的計算誤差。2.2葉面積指數(shù)的計算冠層內(nèi)的輻射透過率主要受到兩個因素的影響:葉的角度分布和葉的空間分布。對于TRAC來說,它比其它儀器的先進之處是考慮了葉的空間分布。使用TRAC測量葉面積指數(shù)可以分以下步驟:首先是間隙率ρ(θ)的計算,間隙率p(θ)指的是在一個固定的入射角條件下,一束光透過植被冠層而沒有被攔截的概率。式中:θ為天頂角;p(θ)為間隙率;Lt為總的葉面積指數(shù)(包括樹葉部分和樹干等非樹葉部分);G(θ)為單位葉面積的投影系數(shù);(不同的分布類型有不同的G(θ)值,對于球形分布來說,它的G(θ)等于0.5);Ω為集聚指數(shù)(它是一個依賴葉的空間分布的參數(shù),表示樹葉的集聚效應(yīng))。樹葉規(guī)則分布時,Ω最大;當樹葉叢生分布時,Ω最小;如果不知道Ω的值,得到的是Ω和L的乘積,就是有效葉面積指數(shù)Le,見公式(2)。除TRAC以外,其他儀器不能夠得到Ω的數(shù)值,因此也就只能得到有效的葉面積指數(shù),不能得到實際的葉面積指數(shù)。Le的計算:這里的葉面積指數(shù)Le包括了樹干在內(nèi)的總的葉面積指數(shù),還需要去除掉樹干等非葉因素的影響,因此引進了α的概念,它是樹干等非樹葉因素對總的葉面積的比率,可以消除樹干等影響地面光學(xué)測量的非樹葉因素。因此實際的葉面積指數(shù)公式是:TRAC除了觀測冠層的“間隙率”外,還觀測其“間隙尺度”分布。間隙率是指在一定天頂角下植被冠層內(nèi)的間隙百分比,通常是根據(jù)輻射透過率得出的,見公式(1)。而間隙尺度是冠層內(nèi)每個間隙的實際大小,在相同的間隙率下,它的間隙尺度分布可能是完全不同的。從間隙尺度分布可以得到非隨機的葉片分布的信息。主要步驟是,首先計算用間隙率消除方法從總的間隙率中消除非隨機的間隙部分,其次用觀測到的間隙率與剛才通過非隨機間隙去除后得到的間隙率的差值就可以定量地估計出葉片的集聚效應(yīng),具體的推導(dǎo)過程見Chen.等。其表達式是:式中:Ωe(θ)為集聚指數(shù);Fm(0)為測量得到的總的冠層間隙率;Fmr(0)為隨機部分的冠層間隙率。Fm(0)通過測量的天頂角下面的直接輻射和散射輻射的透過率得到,Fmr(0)可以通過處理一個冠層的間隙尺度累積曲線Fm(λ)得到,間隙尺度累積曲線Fm(λ)是指間隙尺度大于或等于的間隙率累積量。對于Ωe(θ)的計算來說,Fm(λ)可以通過對冠層的直射光透射的測量而精確得到,因此Ωe(θ)的精度就取決于Fmr(0)。因此考慮了集聚效應(yīng)的葉面積指數(shù)公式是:由于葉的集聚效應(yīng)發(fā)生在不同的尺度上,對于針葉樹,還存在針葉的集聚效應(yīng),但是通過TRAC的觀測我們得到的集聚指數(shù)是在大于針葉的尺度上的集聚指數(shù)Ωe,因此還需要將Ωe轉(zhuǎn)化為總的集聚指數(shù)Ω。其中γe是針葉總面積與簇面積的比率,可以通過測量一簇針葉上針葉面積的一半與總的簇表面積的一半的比值來獲得,它確定了簇中針葉的空間集聚效應(yīng)。因此葉面積指數(shù)的公式可以化為:公式中的符號同上面的說明。3試驗計劃和數(shù)據(jù)處理3.1垂直景觀帶長白山自然保護區(qū)位于中國吉林省東南部,東經(jīng)127°38′～128°10′,北緯41°42′～42°10,海拔在720m～2691m之間。所轄區(qū)域跨越安圖、撫松、長白三縣市,典型的植被類型——紅松闊葉混交林。長白山自然保護區(qū)隨著海拔高度的變化,從海拔720m～2600m,可劃分為層次鮮明、景觀各異的4個垂直景觀帶。海拔在720m～1100m,是紅松針葉、闊葉混交林帶。海拔在1100m～1700m,是暗針葉林帶,主要以紅松、云杉、冷杉、落葉松等針葉樹為主。海拔在1700m～2000m,是亞高山岳樺林帶,是暗針葉林帶和高山苔原帶的過渡帶,喬木以岳樺為主,還有云杉、冷杉、落葉松、東北赤楊等。海拔在2000m以上是高山苔原帶。本次實驗的采樣點主要選在保護區(qū)內(nèi)部,在保護區(qū)外面只有少量的幾個點。3.2葉面積指數(shù)的測量為了達到本次實驗的目的及測量的數(shù)據(jù)之間具有可比性,在每個測量地點都遵循了相同的測量規(guī)范。基于本次實驗的測量目的以及測量儀器、環(huán)境等因素,我們的觀測流程見圖1。測量點的選取考慮了代表性、垂直地帶性、交通條件等因素。葉面積指數(shù)的觀測都是在直射光充足的條件下進行的。主要的輔助數(shù)據(jù)包括不同樹種的葉的要素寬度,不同針葉樹種的針葉總面積與簇面積的比率γe,樹干等非樹葉因素對總的葉面積的比率α,以及經(jīng)緯度坐標。闊葉樹的要素寬度等于葉面積與投影系數(shù)乘積的平方根,針葉樹的要素寬度等于簇面積與投影系數(shù)乘積的平方根。闊葉樹種的要素寬度主要通過測量單片葉的葉面積指數(shù)獲得,對于單片葉的葉面積的測量采用的儀器是激光葉面積指數(shù)儀。對于針葉總面積與簇面積的比率和樹干等非葉因素對總?cè)~面積的比率的獲取沒有通過實地的測量,而是采用前人的測量結(jié)果。4結(jié)果與分析4.1不同植被類型葉面積指數(shù)的變化本次實驗一共選取了34個點來做LAI的測量,這些點均勻地分布在長白山的各個垂直地帶上,也就是均勻的包括了不同的植被類型。34個點的主要植被類型有:紅松闊葉林、楊樺林、岳樺林、云冷杉林、紅松純林及各個主要植被類型的過渡類型。每個類型取樣2個～4個,對于主要植被類型的采樣點偏多,過渡帶的采樣點偏少。具體的植被類型及測量結(jié)果見表1。從表1可以看出,在不同地帶的植被類型中葉面積指數(shù)的分布情況。在小于720m的闊葉混交林地帶,葉面積指數(shù)變化較小。在720m～1100m之間的針闊混交林帶,由于樹種的組成非常復(fù)雜,因此葉面積指數(shù)的變化范圍很大。在1100m～1700m的暗針葉林地帶,葉面積指數(shù)的變化范圍也較大。在1700m以上的亞高山岳樺林地帶,葉面積指數(shù)的變化較小,這個地帶的樹種基本上都是岳樺純林。4.2葉面積指數(shù)和有效葉面積指數(shù)的變化為了將實際葉面積指數(shù)和有效葉面積指數(shù)進行比較,本文選擇了7號樣地進行了分析。圖2比較了實際的葉面積指數(shù)和有效葉面積指數(shù),從圖中可以看出實際的葉面積指數(shù)隨著葉的要素寬度的增加而不斷下降,這是由于集聚指數(shù)的增加引起的,因為集聚指數(shù)與葉的要素寬度正相關(guān)。而有效葉面積指數(shù)一直保持在4.8左右。因此,如果不考慮葉的集聚效應(yīng)得到的葉面積指數(shù)會明顯偏小。4.3葉面積指數(shù)、集聚指數(shù)下降為了分析葉的要素寬度對葉面積指數(shù)的影響,本文選取了7號樣地進行了分析(圖3)?？梢钥闯?葉面積指數(shù)與葉的要素寬度呈明顯的負相關(guān),隨著葉的要素寬度的增加,葉面積指數(shù)不斷下降,當葉的要素寬度達到一定的大小(120mm),葉面積指數(shù)不再發(fā)生變化。還可以看出,隨著葉的要素寬度的不斷增加,集聚指數(shù)也隨著增加,當葉的要素寬度等于120mm時,集聚指數(shù)不再發(fā)生變化。葉面積指數(shù)和集聚指數(shù)呈明顯的負相關(guān),這是因為L=(1-α)*Le*γe/Ωe,綜上分析,有效葉面積指數(shù)的變化范圍很小,因此如果假設(shè)α和γe不變的話,實際的葉面積指數(shù)主要受到集聚指數(shù)的影響,而集聚指數(shù)又是由葉的要素寬度所決定的,因此實際的葉面積指數(shù)就和葉的要素寬度有明顯的負相關(guān)。4.4葉面積指數(shù)的調(diào)查張娜等利用遙感對長白山自然保護區(qū)不同的植被類型進行了葉面積指數(shù)的反演,根據(jù)它們的反演結(jié)果,闊葉紅松林的年平均葉面積指數(shù)最大,約5.606。葉面積指數(shù)的大小次序依次是:闊葉紅松林、云冷杉林、闊葉林、岳樺林。闊葉紅松林葉面積指數(shù)在年內(nèi)的主要變化范圍在2～11之間,云冷杉林的葉面積指數(shù)的主要變化范圍在1.5～6之間,闊葉林的葉面積指數(shù)的主要變化范圍在1～5.5之間,岳樺林的葉面積指數(shù)的主要變化范圍在1.5～2.5之間。實際測量葉面積指數(shù)的時間在8月份到9月份,葉面積指數(shù)的大小依次是:紅松闊葉林、云冷杉林、闊葉林、岳樺林,兩者的趨勢一致。葉面積指數(shù)的大小分別是,紅松闊葉林約7.7,云冷杉林約6.6,闊葉林約3.9,岳樺林約3.4。5葉面積指數(shù)與集聚效應(yīng)本次實驗的測量表明,長白山的葉面積指數(shù)跟植被類型有很大的關(guān)系,并且不同植被類型葉面積指數(shù)的變化范圍不同,紅松闊葉林變化范圍在6～8.5,云冷杉林變化范圍在5.5～7.5,闊葉林變化范圍在3.5～4.5,岳樺林變化范圍在2.5～4。純林的葉面積指數(shù)的變化范圍小,混合林的變化范圍大。集聚效應(yīng)對實際葉面積指數(shù)的影響很大,在相同的有效葉面積指數(shù)下,隨著集聚指數(shù)的變化,實際葉面積指數(shù)變化很大。葉的要素寬度對于實際葉面積指數(shù)的影響很大。另外,通過與其他已有的結(jié)果比較,兩者獲得的葉面積指數(shù)的大小接近。與其它的光學(xué)測量儀器相比,本文所用的測量儀器存在的主要問題是有效葉面積指數(shù)