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The Comparison and Dynamic Calibration between the LAI Values of a Larix principis-rupprechtii Plantation Determined by Canopy Scanner and Litter-fall Collection

华北落叶松人工林叶面积指数实测值与冠层分析仪读数值的比较和动态校正



全 文 :林业科学研究 2012,25(2):231 235
ForestResearch
  文章编号:10011498(2012)02023105
华北落叶松人工林叶面积指数实测值与冠层分析仪
读数值的比较和动态校正
郝 佳1,熊 伟1,王彦辉1,于澎涛1,刘延惠1,徐丽宏1,王轶浩1,张晓蓓2
(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京 100091;
2.河北农业大学林学院,河北 保定 071000)
收稿日期:20110821
基金项目:林业公益 研专项(20110400502、200904056、200904005);国家自然科学基金项目(40730631、41071023);“十二五”
国家科技计划课题(2011BAD38B05);中国森林生态系统定位研究网络(CFERN)宁夏六盘山森林生态定位站和国家林业局森林生态环境重
点实验室资助
作者简介:郝 佳,女,在读博士研究生,主要研究方向:森林生态、森林水文.
通讯作者: 研究员,wangyh@caf.ac.cn
关键词:华北落叶松;叶面积指数;LAI2000;调落物收集;校正系数
中图分类号:S791.22 文献标识码:A
TheComparisonandDynamicCalibrationbetweentheLAIValuesofa
LarixprincipisrupprechtiPlantationDeterminedbyCanopy
ScannerandLitterfalColection
HAOJia1,XIONGWei1,WANGYanhui1,YUPengtao1,LIUYanhui1,XULihong1,WANGYihao1,ZHANGXiaobei2
(1.ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing 100091,China;
2.ForestryColege,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding 071000,Hebei,China)
Abstract:InordertotesttheaccuracyoftheusualyusedfixedcalibrationfactorofthecanopyscannerofLAI2000
formeasuringtheleafareaindex(LAI),aLarixprincipisrupprechtiplantationwaschoseninthesmalwatershedof
XiangshuihelocatedattheLiupanMountainsofNingxiaHuiAutonomousRegionofNWChina,theLAIwasmeas
uredinOctober2010,aperiodfromfulcanopytothetotalfalofneedles,byusingboththeLAI2000andliter
falcolectionmethod.Then,acomparisonwasmadebetweentheLAIvaluesdeterminedbytheliterfalcolection
andthatcalculatedbasedonthefiguresreadfromLAI2000andthefixedcalibrationfactor(1.49).Itshowedthat
theaverageofLAImeasurementsofthe2methodswasveryclose,withadiferenceofonly5%.However,thecal
culatedLAIfromLAI2000wasobviouslyhigherthanthetruevaluesdeterminedbyliterfalcolectionwhenthe
canopywasfulofneedles;andobviouslylowerthanthetruevaluewhenthecanopywassparseafterneedlefaling.
ThereasonmaybethatLAI2000takestheprojectionoftwigsasneedles.So,adynamiccalibrationfactorisnee
ded,especialyintheseasonswhentheneedleamountandthepercentageoftwigsprojectionincrownprojection
changequickly.Therefore,astatisticrelationinaquadraticpolynomialformbetweenthe2seriesofLAIdatawas
welfited.ThisrelationcanbeusedforamoreaccurateestimationofLAIbasedonthedatareadfromtheeasily
usedcanopyscannerslikeLAI2000.
Keywords:Larixprincipisruprechitee;leafandindex;LAI2000;literfalcolection;calibrationfactor
科业行性
林 业 科 学 研 究 第25卷
  叶面积指数(LAI)是森林生态系统的重要结构
参数,用来反映植物叶量和群体生长特征[1-4],对生
态系统水分和养分循环、地表和大气之间的相互作
用等诸多过程都有重要影响[5-6],广泛应用于植物
生态、植物生理、生态水文以及一些交叉学科的研究
中,也可作为科学培育森林、评价林分质量的定量指
标;此外LAI也通常作为动态植被模型的输入参数。
LAI可直接或间接观测取得[7]。直接观测法有破坏
性抽样法、凋落物收集法[8]等,其优点是测量相对准
确,不足之处是前者对植物有一定破坏性,后者耗时
耗工,而且对高大林木很难做到全部或高强度取样;
间接观测法主要有经验公式法、光学仪器法以及遥
感反演法等,优点是便于大面积非破坏性地连续测
量,不足在于测量时会受到太阳辐射、枝干荫影等的
影响,因此具有一定测量误差,但因其方便简捷而日
益得到普遍应用。目前,主要用冠层分析仪(LAI
2000)地面测定LAI[9-11],它是基于太阳辐射通过林
冠时的衰减比例和冠层叶片随机分布的假设来实现
的[12-14];但是,树叶常是集群分布的,仪器测量值会
有些误差,通常小于实际值[15]。另外,针叶树的针
叶不是随机排列的,而是有方向性的,根据假定的辐
射传输模型进行测量将会高估针叶林树冠的透过
率,许多研究也证实仪器测定值一般偏小[16-17],因
此,需把仪器观测值进行校正,常是借助一个固定的
校正系数[18-19]把仪器观测值转为真实 LAI。通常
LAI2000对针叶林的校正系数为 1.49(仪器说明
书),这个校正系数可能因不同树种的枝叶特性差
异、同一树种树冠的枝叶比例的季节变化等而变化。
在植被叶面积动态变化的过程中,这个固定的校正
系数是否有效,目前还研究很少。华北落叶松
(LarixprincipisruprechitiMayr)是我国北方的主要
造林树种[20],用冠层分析仪测定其 LAI是很多研究
的需要。任何一个树种都应有自身的校正系数,这
是非常必要的[2122];但是目前落叶松(Larixspp.)的
校正系数为1.49(叶面积指数仪使用指南),而且在
任何情况下都没变化。这是否会带来测定误差?校
正系数应怎样变化?都是需解决的问题。本文以六
盘山香水河小流域的华北落叶松人工林为对象,采
用LAI2000和落叶收集2种方法进行树冠LAI的同
步观测,然后利用落叶收集法的 LAI测定值来验证
LAI2000测量值的准确度,并进行 LAI2000校正系
数的修正。
1 研究地点和样地
研究地点位于宁夏六盘山自然保护区(106°
10′—106°30′E,35°14′—35°42′N),海拔 2040
2942m,属温带半湿润气候,年均气温5.9℃,7月
份平均气温16.4℃,1月份平均气温-7.5℃,年均
降水量600 820mm,年潜在蒸发量1214 1426
mm。具体研究地点的香水河小流域面积为 43.74
km2,森林覆盖率达72.9%。华北落叶松作为当地
最重要的针叶用材树种,其人工纯林占小流域面积
的23.62%,造林时间为20世纪70 80年代。
本研究在1块30m×30m的华北落叶松人工
纯林样地进行,树高13 17m,林冠郁闭度0.7,由
单一乔木层构成;林下灌木缺乏,但草本层发育明
显,盖度达70%,形成了以东方草莓(Fragariavesca
Lozinsk)、三穗苔草(CarextristachyaThunb)为优势
种的草本群落。样地特征见表1。
表1 样地特征
面积/
m2
坡向
坡度/
(°)
坡位
土层厚度/
cm
林龄/

郁闭度
密度/
(株·hm-2)
平均树高/

平均胸径/
cm
900 东南 28 下坡 140 25 0.7 1133 15.3 17.5
2 研究方法
2.1 LAI2000仪器测量林分LAI
在2010年9月30日华北落叶松针叶开始凋落
到10月21日全部凋落的22d内,使用冠层分析仪
LAI2000,在每次收集凋落针叶时测定样地林冠层
的LAI,平均3d测1次,共计6次,并在2011年4月
25日华北落叶松叶片未生长前补测了1次未长出
叶的光秃林冠。每次在样地内沿蛇形闭合曲线在
60个随机布置的固定测点测定,测定完后仪器会记
录整个样地的 LAI平均值,作为整个样地林冠 LAI
的仪器读数,在一般情况下,此值乘以经验校正系数
1.49,即为整个样地LAI的仪器观测值。
2.2 落叶收集法测量林分LAI
通过收集样地内华北落叶松针叶凋落期内的时
间点收集落叶,可直接测定一定时期内的落叶量,并
由此反推不同时间的林冠针叶量或叶面积(式3)。
具体做法是,在样地内随机布置60个1m×1m的尼
232
第2期 郝 佳等:华北落叶松人工林叶面积指数实测值与冠层分析仪读数值的比较和动态校正
龙网收集器,地点与仪器测定点紧紧相邻,用以收集
落叶。把每次收集的落叶带回室内称鲜质量,然后在
80℃恒温下烘干后称干质量。用精度为0.02mm的
游标卡尺测量单叶长度(cm),用精度为0.001g的封
闭式天平称取1(几)束针叶的质量(g)。
本文所用的叶面积指的是华北落叶松针叶的总
表面积。1(几)束针叶的总叶面积可以通过体积排
水法测定针叶体积后求取,计算公式[23]为:
A=2l(1+πn)
vn
π槡l (1)
  式(1)中:A为所测整束针叶的总叶面积
(cm2),v为针叶体积(cm3)(用排水法测定),n为所
测整束针叶的单叶数量,l为松针长度(cm)。
则单叶平均叶面积(a)为:
a=An (2)
  在针叶凋落期间每次测定时的林分叶面积指
数为:
LAIi=
a·Ni
S =
a· M总 -∑

j=1
M[ ]j
Ma·S
 (i=1、2…6)
(3)
  式(3)中:Ni为每次收集凋落叶时林冠上生长
的松针总量(个);Mj为每次收集的落叶干质量(g),
M总 为凋落期内收集的所有针叶的总干质量(g);i
为凋落针叶收集的次数;Ma为平均单叶干质量(g);
S为样地面积(cm2);在开始凋落前的林冠 LAI为由
M总 计算的LAI。
3 结果与分析
3.1 华北落叶松的单叶特征
对6次采样进行了分别测定和计算(表2),其
中,单叶长度最长为2.90cm,最短为1.30cm。每次
收集的单叶平均长度分别为2.11、2.00、2.03、2.07、
2.05、2.05cm,差异不大,主要因华北落叶松针叶均为
1年生新叶,总样本(6617个单叶)的平均叶长为2.
04cm。每次收集的单叶面积分别为0.2399、0.237
9、0.2546、0.2580、0.2441、0.2699cm2,总样本(6
617个单叶)的平均单叶面积为0.2467cm2。
利用本文实测的单叶特征及前述公式,由各次
收集的凋落针叶数量、每批单叶特征的平均值计算
真实的LAI。
3.2 2种方法测得的LAI的对比
从表3可以看出:每次收集的落叶 LAI实测值
与LAI2000仪器测量值的差别较明显,在针叶浓密
时仪器测定值偏低,针叶稀少时仪器测定值偏高;然
而,二者的平均值相近。在 2010年针叶凋落期的
LAI实测值与仪器读数的比值也接近常规应用的校
正系数,即本研究所得的平均值校正系数1.42和常
规校正系数1.49很接近。这说明常规校正系数只
能用于估计整个生长季的平均LAI,但会在新叶生长
旺盛的生长季中期、大量凋落前的秋末和针叶萌发
时的初春季节有较大误差。
表2 2010年10月测定的华北落叶松单叶的平均值
测定日期(月日) 批单叶数/个 单叶平均长度/cm 单叶干质量/mg 单叶面积/cm2
1004 851 2.11±0.11 3.04±0.10 0.2399±0.0059
1008 1397 2.00±0.06 3.05±0.15 0.2379±0.0124
1012 1305 2.03±0.06 3.27±0.15 0.2546±0.0136
1015 725 2.07±0.09 3.38±0.22 0.2580±0.0106
1018 1270 2.05±0.06 3.19±0.11 0.2441±0.0115
1021 1069 2.05±0.08 3.40±0.27 0.2699±0.0049
总样本数 6617 2.04±0.08 3.17±0.21 0.2467±0.0116
表3 在2010年基于凋落物收集的实测LAI与LAI2000仪器测定值的对比
项目
时间(年月日)
20101004 20101008 20101012 20101015 20101018 20101021 20110425 2010年平均
落叶收集值 3.14 2.96 2.34 1.42 0.66 0.00 0.00 1.75
仪器读数值 1.79 1.56 1.36 1.17 1.07 0.45 0.49 1.24
仪器计算值 2.67 2.33 2.03 1.75 1.60 0.67 0.73 1.84
收集值/读数值 1.75 1.89 1.72 1.21 0.61 0.00 0.00 1.42
  注:落叶收集值是直接用落叶收集法测得的叶面积指数;仪器读数值是仪器直接测定的叶面积指数;仪器计算值是仪器读数值乘以校正系
数(1.49)的结果;收集值/读数值是落叶收集值与仪器读数值的比,相当于动态校正系数。
332
林 业 科 学 研 究 第25卷
  为了比较2种测量方法所得结果的差异及确定
二者之间的关系,将2种方法取得的 LAI进行绘图
比较。从图1可以看出:对于线性拟合关系,其常数
项并不等于或接近于0,回归系数也不接近于1,说
明无针叶或叶量较低时仪器测定值受到了枝干投影
的影响,说明常规校正方法存在不足,需要改进。
图1 LAI2000仪器的叶面积指数(LAI)计算值(仪器读
数值×1.49)与落叶收集法测定的LAI的关系
从图 1中还可以看出:二者具有非线性关系。
为利于由仪器读数值(未乘1.49之前)直接计算真
实的 LAI值,将仪器读数值和落叶收集法实测值进
行二次多项式回归(图2),可由此关系式进行生长
季内一直变化着的LAI的动态估计。
图2 LAI2000仪器测定的LAI读数值(未乘以1.49)与
落叶收集法测定的LAI的关系
4 结论与讨论
叶面积指数测定仪的测定值与真实值存在误
差,这是个普遍现象。李轩然等[24]的研究表明,由
于容易受到枝条等因素的影响,仪器测量的叶面积
指数值通常较实际值偏小。刘立鑫等[25]在帽儿山
天然次生林区测定叶面积指数时发现,仪器测定的
精度比直接测定法低 25% 40%;同时,张继祥
等[26]认为随着LAI的增加,仪器间接测量值与直接
测量值的差别逐渐增大;杜春雨等[27]建立了同时包
括多个树种的LAI仪器测定值和直接测定值的一元
回归模型(常数项为0),有效地校正了 LAI2000仪
器测量值的误差。
本文对华北落叶松林的研究表明,由于是落叶
树种,存在树冠叶量的剧烈变化,所以林冠 LAI的
LAI2000仪器的测定值和基于凋落针叶收集法的同
步实际值也存在很大差别。在从针叶完整到完全凋
落的秋末落叶期内,仪器测定值与真实值的平均值
接近,相差仅5%;但LAI2000仪器的计算值在针叶
茂盛和不完整时与实际值存在明显偏差。在针叶浓
密时,仪器计算值偏低0.5左右,在针叶稀少时偏高
0.7 0.9。在生长季初期(4月中旬)针叶长出前
及秋末完全凋落后(10月下旬),实际LAI为0,而仪
器计算值分别为0.67和0.73,即在这2个无针叶时
期,仪器将枝条投影判定为针叶,从而导致了仪器计
算值偏高。在树冠的针叶较多的日期,仪器假设叶
片在空间的分布是随机的,并没有考虑树叶的集聚
效应,但针叶树的针叶不是随机排列的,而是有方向
性的,叶面积指数仪是根据假定的辐射传输模型进
行测量,其结果将会高估针叶林树冠的透过率,所以
得到的仪器读数值要比LAI的实际值小。
由于LAI2000仪器把树冠枝条的投影也作为
针叶的投影,所以造成两种方法测定结果的不一致。
在树冠叶量变化不大时,枝条等非针叶因素所占比
重是基本稳定的,所以利用1个固定的校正系数是
可行的。在常规的树冠叶面积指数的 LAI2000仪
器测定方法中,需将仪器读数值乘以1个固定的校
正值(1.49);值得注意的是,这种简单的校正方法
只能用于估计整个生长季的 LAI平均值,而不能用
于估计整个生长季的LAI动态变化。在针叶开始萌
发至长满的阶段和明显凋落的阶段,林冠的组成和
枝条投影所占比例都快速和显著地变化,这会使仪
器测定值和实际值的差别增大。在需测定研究整个
生长季的LAI变化时,必须对仪器读数值在不同的
生长季阶段进行动态校正。
在继续利用非常方便操作的 LAI2000一类仪
器观测计算华北落叶松林 LAI的季节变化时,可利
用本文给出的仪器读数值和LAI实测值的拟合关系
式,进行生长季内林冠 LAI的动态校正,从而提高
LAI的估计精度。
本研究的历时较短,仅在秋末华北落叶松林针
432
第2期 郝 佳等:华北落叶松人工林叶面积指数实测值与冠层分析仪读数值的比较和动态校正
叶凋落期进行了测定,而且收集样地落叶时受到落
叶分布不均的影响;所以本研究的价值更多地是对
树冠LAI估算方法的改进。如何更准确地确定整个
生长季的动态校正系数,还需长期和大量样地的测
定研究。
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