长白山主要植被类型叶面积指数分布研究

长白山主要植被类型叶面积指数分布研究

1叶面积指数的获取及测量叶面积指数（lai）被定义为单位表面上总叶面积的一半。它决定了地球表面植被的生产力，并影响了表面和空气之间的相互作用。叶面积指数是森林生态系统的一个重要结构参数,叶片影响着植被冠层内的许多生物化学过程,在生态过程、大气生态系统的交互作用以及全球变化等研究中都需要叶面积指数的资料。大范围的叶面积指数的获取在以前几乎不可能。遥感技术提供了条件,现在已经能通过遥感手段反演出大范围的叶面积指数。当前基于MODIS的全球的叶面积指数图也已经进入了产品阶段,但是由于地表的不均一性,低、中分辨率的遥感图像反演得到的叶面积指数有很大的不确定性,因此需要对于这些产品的质量和精度进行评估和验证。另外,一些叶面积指数的遥感反演算法还只是在理论研究的阶段,通过这些算法得到的叶面积指数也需要实地的验证,因此实地叶面积指数的测量意义重大。一些直接的叶面积测量方法,例如树木解析法、点接触法等存在着误差较大、毁坏性测量等缺陷。除了直接的叶面积指数测量方法,还有间接的光学测量方法。间接法测量主要是用光学仪器观测辐射透过率,再根据辐射透过率算出叶面积指数。2实验设备和实验原理2.1聚合剂trac的分类对于叶面积指数的光学测量来说,观测仪器有TRAC,LAI-2000,SunfleckCeptometer,植被冠层数字图像仪,Demon等。除了TRAC之外,其他的仪器都假设叶片在空间的分布是随机的,无法计算出集聚指数。本次测量使用的仪器是TRAC,它比其他仪器先进的地方,主要是它不仅能够使用间隙率数据,而且引用了间隙尺度(大小)分布的概念。TRAC是目前唯一可以观测集聚指数(Ω)的仪器。有了集聚指数这个参数,叶面积指数的计算就可以不用假设叶片在空间随机分布,因此可以减小从有效叶面积指数到实际叶面积指数的计算误差。2.2叶面积指数的计算冠层内的辐射透过率主要受到两个因素的影响:叶的角度分布和叶的空间分布。对于TRAC来说,它比其它仪器的先进之处是考虑了叶的空间分布。使用TRAC测量叶面积指数可以分以下步骤:首先是间隙率ρ(θ)的计算,间隙率p(θ)指的是在一个固定的入射角条件下,一束光透过植被冠层而没有被拦截的概率。式中:θ为天顶角;p(θ)为间隙率;Lt为总的叶面积指数(包括树叶部分和树干等非树叶部分);G(θ)为单位叶面积的投影系数;(不同的分布类型有不同的G(θ)值,对于球形分布来说,它的G(θ)等于0.5);Ω为集聚指数(它是一个依赖叶的空间分布的参数,表示树叶的集聚效应)。树叶规则分布时,Ω最大;当树叶丛生分布时,Ω最小;如果不知道Ω的值,得到的是Ω和L的乘积,就是有效叶面积指数Le,见公式(2)。除TRAC以外,其他仪器不能够得到Ω的数值,因此也就只能得到有效的叶面积指数,不能得到实际的叶面积指数。Le的计算:这里的叶面积指数Le包括了树干在内的总的叶面积指数,还需要去除掉树干等非叶因素的影响,因此引进了α的概念,它是树干等非树叶因素对总的叶面积的比率,可以消除树干等影响地面光学测量的非树叶因素。因此实际的叶面积指数公式是:TRAC除了观测冠层的“间隙率”外,还观测其“间隙尺度”分布。间隙率是指在一定天顶角下植被冠层内的间隙百分比,通常是根据辐射透过率得出的,见公式(1)。而间隙尺度是冠层内每个间隙的实际大小,在相同的间隙率下,它的间隙尺度分布可能是完全不同的。从间隙尺度分布可以得到非随机的叶片分布的信息。主要步骤是,首先计算用间隙率消除方法从总的间隙率中消除非随机的间隙部分,其次用观测到的间隙率与刚才通过非随机间隙去除后得到的间隙率的差值就可以定量地估计出叶片的集聚效应,具体的推导过程见Chen.等。其表达式是:式中:Ωe(θ)为集聚指数;Fm(0)为测量得到的总的冠层间隙率;Fmr(0)为随机部分的冠层间隙率。Fm(0)通过测量的天顶角下面的直接辐射和散射辐射的透过率得到,Fmr(0)可以通过处理一个冠层的间隙尺度累积曲线Fm(λ)得到,间隙尺度累积曲线Fm(λ)是指间隙尺度大于或等于的间隙率累积量。对于Ωe(θ)的计算来说,Fm(λ)可以通过对冠层的直射光透射的测量而精确得到,因此Ωe(θ)的精度就取决于Fmr(0)。因此考虑了集聚效应的叶面积指数公式是:由于叶的集聚效应发生在不同的尺度上,对于针叶树,还存在针叶的集聚效应,但是通过TRAC的观测我们得到的集聚指数是在大于针叶的尺度上的集聚指数Ωe,因此还需要将Ωe转化为总的集聚指数Ω。其中γe是针叶总面积与簇面积的比率,可以通过测量一簇针叶上针叶面积的一半与总的簇表面积的一半的比值来获得,它确定了簇中针叶的空间集聚效应。因此叶面积指数的公式可以化为:公式中的符号同上面的说明。3试验计划和数据处理3.1垂直景观带长白山自然保护区位于中国吉林省东南部,东经127°38′～128°10′,北纬41°42′～42°10,海拔在720m～2691m之间。所辖区域跨越安图、抚松、长白三县市,典型的植被类型——红松阔叶混交林。长白山自然保护区随着海拔高度的变化,从海拔720m～2600m,可划分为层次鲜明、景观各异的4个垂直景观带。海拔在720m～1100m,是红松针叶、阔叶混交林带。海拔在1100m～1700m,是暗针叶林带,主要以红松、云杉、冷杉、落叶松等针叶树为主。海拔在1700m～2000m,是亚高山岳桦林带,是暗针叶林带和高山苔原带的过渡带,乔木以岳桦为主,还有云杉、冷杉、落叶松、东北赤杨等。海拔在2000m以上是高山苔原带。本次实验的采样点主要选在保护区内部,在保护区外面只有少量的几个点。3.2叶面积指数的测量为了达到本次实验的目的及测量的数据之间具有可比性,在每个测量地点都遵循了相同的测量规范。基于本次实验的测量目的以及测量仪器、环境等因素,我们的观测流程见图1。测量点的选取考虑了代表性、垂直地带性、交通条件等因素。叶面积指数的观测都是在直射光充足的条件下进行的。主要的辅助数据包括不同树种的叶的要素宽度,不同针叶树种的针叶总面积与簇面积的比率γe,树干等非树叶因素对总的叶面积的比率α,以及经纬度坐标。阔叶树的要素宽度等于叶面积与投影系数乘积的平方根,针叶树的要素宽度等于簇面积与投影系数乘积的平方根。阔叶树种的要素宽度主要通过测量单片叶的叶面积指数获得,对于单片叶的叶面积的测量采用的仪器是激光叶面积指数仪。对于针叶总面积与簇面积的比率和树干等非叶因素对总叶面积的比率的获取没有通过实地的测量,而是采用前人的测量结果。4结果与分析4.1不同植被类型叶面积指数的变化本次实验一共选取了34个点来做LAI的测量,这些点均匀地分布在长白山的各个垂直地带上,也就是均匀的包括了不同的植被类型。34个点的主要植被类型有:红松阔叶林、杨桦林、岳桦林、云冷杉林、红松纯林及各个主要植被类型的过渡类型。每个类型取样2个～4个,对于主要植被类型的采样点偏多,过渡带的采样点偏少。具体的植被类型及测量结果见表1。从表1可以看出,在不同地带的植被类型中叶面积指数的分布情况。在小于720m的阔叶混交林地带,叶面积指数变化较小。在720m～1100m之间的针阔混交林带,由于树种的组成非常复杂,因此叶面积指数的变化范围很大。在1100m～1700m的暗针叶林地带,叶面积指数的变化范围也较大。在1700m以上的亚高山岳桦林地带,叶面积指数的变化较小,这个地带的树种基本上都是岳桦纯林。4.2叶面积指数和有效叶面积指数的变化为了将实际叶面积指数和有效叶面积指数进行比较,本文选择了7号样地进行了分析。图2比较了实际的叶面积指数和有效叶面积指数,从图中可以看出实际的叶面积指数随着叶的要素宽度的增加而不断下降,这是由于集聚指数的增加引起的,因为集聚指数与叶的要素宽度正相关。而有效叶面积指数一直保持在4.8左右。因此,如果不考虑叶的集聚效应得到的叶面积指数会明显偏小。4.3叶面积指数、集聚指数下降为了分析叶的要素宽度对叶面积指数的影响,本文选取了7号样地进行了分析(图3)。可以看出,叶面积指数与叶的要素宽度呈明显的负相关,随着叶的要素宽度的增加,叶面积指数不断下降,当叶的要素宽度达到一定的大小(120mm),叶面积指数不再发生变化。还可以看出,随着叶的要素宽度的不断增加,集聚指数也随着增加,当叶的要素宽度等于120mm时,集聚指数不再发生变化。叶面积指数和集聚指数呈明显的负相关,这是因为L=(1-α)*Le*γe/Ωe,综上分析,有效叶面积指数的变化范围很小,因此如果假设α和γe不变的话,实际的叶面积指数主要受到集聚指数的影响,而集聚指数又是由叶的要素宽度所决定的,因此实际的叶面积指数就和叶的要素宽度有明显的负相关。4.4叶面积指数的调查张娜等利用遥感对长白山自然保护区不同的植被类型进行了叶面积指数的反演,根据它们的反演结果,阔叶红松林的年平均叶面积指数最大,约5.606。叶面积指数的大小次序依次是:阔叶红松林、云冷杉林、阔叶林、岳桦林。阔叶红松林叶面积指数在年内的主要变化范围在2～11之间,云冷杉林的叶面积指数的主要变化范围在1.5～6之间,阔叶林的叶面积指数的主要变化范围在1～5.5之间,岳桦林的叶面积指数的主要变化范围在1.5～2.5之间。实际测量叶面积指数的时间在8月份到9月份,叶面积指数的大小依次是:红松阔叶林、云冷杉林、阔叶林、岳桦林,两者的趋势一致。叶面积指数的大小分别是,红松阔叶林约7.7,云冷杉林约6.6,阔叶林约3.9,岳桦林约3.4。5叶面积指数与集聚效应本次实验的测量表明,长白山的叶面积指数跟植被类型有很大的关系,并且不同植被类型叶面积指数的变化范围不同,红松阔叶林变化范围在6～8.5,云冷杉林变化范围在5.5～7.5,阔叶林变化范围在3.5～4.5,岳桦林变化范围在2.5～4。纯林的叶面积指数的变化范围小,混合林的变化范围大。集聚效应对实际叶面积指数的影响很大,在相同的有效叶面积指数下,随着集聚指数的变化,实际叶面积指数变化很大。叶的要素宽度对于实际叶面积指数的影响很大。另外,通过与其他已有的结果比较,两者获得的叶面积指数的大小接近。与其它的光学测量仪器相比,本文所用的测量仪器存在的主要问题是有效叶面积指数