3类典型温带山地森林的叶面积指数的季节动态: 多种监测方法比较

 叶面积指数(leaf area index, LAI)是定量描述冠层结构的最有效指标之一。鉴于森林冠层三维结构的高度复杂性和异质性, 迄今仍没有形成统一标准的LAI测量方法。该文利用LAI-2000冠层分析仪、CI-110冠层分析仪和半球摄影法(digital hemispherical photograph, DHP), 对北京东灵山地区以蒙古栎(Quercus mongolica)为主的落叶阔叶林、华北落叶松(Larix gmelinii var. principis-rupprechtii)林和油松(Pinus tabuliformis)林的有效叶面积指数(effective leaf area index, LAI_e)进行了动态监测, 探寻其季节变化规律。为准确地估算温带山地主要森林类型的LAI, 对光学仪器测量值进行了去除木质成分、聚集效应等校正, 与基于凋落物收集法的相应实测值进行了比较分析。结果表明: 3种典型森林在生长季期间叶片生长均呈现单峰型; 3种光学仪器测量方法的同期LAI_e数值大小顺序为: LAI-2000冠层分析仪>DHP>CI-110冠层分析仪。光学仪器的直接测量值LAI_e包含了木质成分的贡献, 钝化了季节动态的变化幅度, 这对有明显季节交替的落叶林尤为突出。经校正, LAI-2000冠层分析仪和DHP的测量值与实测值都表现出显著的相关性, 其中LAI-2000冠层分析仪最适于采用基于空隙大小的校正方法, 而基于空隙度和空隙大小的综合算法则是校正DHP的最佳选择。结合经济成本和野外实际操作等因素考虑, DHP具有更大的推广优势, 特别适用于温带山地落叶林。     

利用数字图像估测棉花叶面积指数

叶面积指数是指示棉花长势、产量形成和高产群体调控等信息的重要结构特征参数。本研究的目的在于利用基于冠层图像光照叶片和光照土壤分量的图像透光率估测棉花叶面积指数。通过3年不同种植密度、品种、施氮量和灌水量的田间试验,在棉花不同的生育期用数码相机、LAI-2000冠层仪和线性光量子传感器采集数据并进行破坏性取样测定,分析图像透光率的有效性和建立LAI估测模型,进而对图像方法、LAI-2000和破坏性取样方法进行比较和分析。结果表明：(1)在太阳高度角最大且变化最小的正午时段,数码相机测量的图像透光率与线性光量子传感器测量的冠层透光率较一致且相对稳定。(2)图像透光率能反映除吐絮期以外各时期的冠层透光状况,但是当LAI大于5时图像透光率出现饱和。(3)综合分析2009和2010年数据,建立了图像透光率估测LAI的模型(R2=0.8438, SE=0.5605);利用2007年独立试验资料检验估测模型的性能,模型检验的拟合度较高(R2=0.8767)且预测误差较小(RMSE=0.4305),当LAI＞5时模型的预测能力降低。(4)数字图像、LAI-2000和破坏性取样三种方法测量的LAI值之间均呈现显著的线性相关(R2＞0.85),但是图像透光率的饱和性致使当LAI＞5时明显低估叶面积指数。     

小麦LAI-2000观测值对辐亮度变化的响应

利用LAI-2000植物冠层分析仪和ASD光谱仪,通过固定点拔节期冬小麦叶面积指数(LAI)观测实验和同步光谱辐亮度实验,测量了晴天条件下,固定点冬小麦从中午至傍晚24个不同时刻的LAI值及对应的辐亮度。继之分析了此段时间内测得的定点冬小麦LAI值分别与对应时刻可见光和近红外谱段的天空光辐亮度、总辐亮度和太阳直射辐亮度值之间的相关性。结果表明,无论波长小于490nm的谱段,还是波长大于490 nm的谱段,LAI与天空光辐亮度、总辐亮度和太阳直射辐亮度都呈负相关,相关系数(R2)高达0.8左右;尤其LAI与天空光辐亮度的负相关性最高,这种相关性随着波长的增大而减小。LAI与各谱段天空光辐亮度的相关性特征可为LAI-2000晴天观测的LAI值归一化修正处理提供一种新思路和技术途径,以消除太阳直射光的影响,从而解决LAI-2000只能在晴天观测的局限性,拓展LAI-2000在晴天观测条件下的适用性。     

广西桉树人工林叶面积指数的估测及其校正

叶面积指数(Leaf area index, LAI)是森林生态系统重要的结构参数,通过遥感技术可反演区域LAI,但其可靠性需要地面准确的实测数据进行验证。选取广西国有高峰林场不同林龄的桉树(Eucalyptus robusta)人工林为对象,以异速生长法(Allometry)为对照,综合利用植物冠层分析仪法(LAI-2200)、跟踪辐射和冠层结构分析仪法(TRAC)、半球摄影法(DHP)以及地基激光雷达法(TLS)等间接法估测样地的LAI,并考虑木质成分以及聚集效应影响,进行相应的校正处理,为地面快速、准确测量桉树人工林LAI提供参考。结果表明：桉树人工林的比叶面积为125.37±13.38 cm~2/g,通过Allometry获得的LAI变化范围在1.65—3.84,平均为2.73,不同林龄间的差异均显著(P<0.05),随着林龄的增加呈现先增加后减少的趋势。在未校正情况下,LAI-2200、TRAC、DHP、TLS估算的LAI存在显著差异(P<0.05)。与对照相比,LAI-2200在幼龄林和过熟林中估算误差最小,TRAC在成熟林中估算误差最小。相对于完全去除法,利用...     

基于光学仪器法测定谷地云冷杉林叶面积指数的季节变化

利用半球摄影法(DHP)和LAI-2000植物冠层分析仪两种光学仪器法(间接法)以及凋落物法(直接法),研究了小兴安岭谷地云冷杉林叶面积指数(LAI)的季节变化,并构建了不同季节直接法与间接法测定的LAI间的相关关系.结果表明: 在整个试验期间,DHP测定的LAI比直接法测定值低估40%～48%, LAI-2000植物冠层分析仪的低估范围为15%～26%;不同时期直接法与DHP和LAI-2000植物冠层分析仪测定的LAI均显著相关, 且均可合并为A、B、C 3类预测模型, 可以分别预测5和11月, 6、9和10月, 7和8月的LAI.本研究结果可为高效、准确地测定针叶林LAI的季节变化提供参考.     

自动曝光对半球摄影法测量叶面积指数及其季节变化的影响

自动曝光是影响半球摄影法(DHP)测量叶面积指数(LAI)精度的重要误差源之一.本研究基于小兴安岭地区的阔叶红松林、白桦次生林、红松人工林和兴安落叶松人工林,利用DHP和LAI-2200植物冠层分析仪分别测量6—9月每个月中旬的LAI,首先比较两种方法测量LAI的差异性,再检验森林类型和测量时期对建立两种方法测定值间的相关关系是否存在显著影响,最后构建适于校正不同森林类型不同时期自动曝光对DHP测量LAI产生误差的经验模型.结果表明: 4种森林类型4个时期内,在自动曝光设置下DHP测量的LAI比LAI-2200测量值低估20%～49%;森林类型对构建两种方法测量LAI值的经验模型不存在显著影响,而测量时期存在显著影响.本研究构建的A、B两种分类经验模型,分别适用于校正4种森林类型在6和9月、7和8月DHP测量的LAI.经分类经验模型校正后,DHP测量4种森林类型4个时期的LAI值提高了45%～79%,测量精度可提高到83%～94%.通过DHP和LAI-2200测量LAI值间的经验模型,可有效校正自动曝光对DHP测量LAI的影响,极大地提高其测量精度,为使用DHP快捷、高效地测量不同森林类型的LAI及其季节动态提供技术支持.     

利用鱼眼摄像机测量植被叶面积指数动态变化

叶面积指数(LAI)的快速准确测量可以为相关生态过程研究提供关键参数.本研究采用光学鱼眼相机拍摄了黄土高原北部典型植被柠条、沙柳、紫花苜蓿、荒草、大豆和玉米不同生长时期冠层照片,在玉米、大豆和柠条样地固定安装鱼眼摄像机定时拍摄冠层照片,并运用图像处理软件分析获取LAI.结果表明: 鱼眼相机法(DHP)获取的多种植被类型的LAI与LAI-2200测量结果存在显著线性相关关系(R²=0.85,P<0.05),均方根误差为0.256.太阳辐射值直接影响专业软件处理照片时的关键参数,镜头朝下情况下,计算LAI的关键参数——绿色指数随着拍摄照片时太阳辐射强度的增加而增加.但是镜头朝上情况下,亮度参数随着太阳辐射值的增加而减少.通过关键参数的调整,玉米、大豆和柠条样地LAI变化与LAI-2200测量结果一致,很好地反映了这些植物生长期的LAI动态变化,柠条样地镜头朝下测量结果更好.鱼眼摄像机可以用于定位监测LAI动态变化.     

杨树林全生长期LAI遥感估算模型适用性

基于时间序列的植被叶面积指数(LAI)估算方法一直是遥感领域研究的热点,对植被全生长期LAI进行估算以跟踪其生长情况具有重要的实用意义。以此为出发点,以滁州地区杨树林为研究对象,获取多时相环境卫星CCD(简称HJ-CDD)遥感影像,并利用LAI-2000同步测量杨树林叶面积指数(LAI)。使用归一化植被指数(NDVI)分别建立展叶期、花果期、叶面积稳定期和落叶始期的LAI估算模型,通过对比分析得到了全生长期LAI估算模型,并利用实测LAI对估算LAI进行了验证。最后进一步对该模型的适用性进行了验证,结果表明,此模型对于各个时期LAI的估算具有一定的适用性和有效性,可用于全生育期的遥感LAI生成,从而为LAI的动态变化监测提供了一种有效的研究思路和方法途径。     

利用不同分辨率卫星影像的NDVI数据估算叶面积指数(LAI)——以岷江上游为例

短周期的低分辨率遥感数据为大面积估算LAI及季节动态和物候趋势提供了有利工具,但基于高分辨率LAI的遥感估算模型在低分辨率遥感数据上应用有很大的不确定性。研究利用LAI-2000冠层分析仪与跟踪辐射和冠层结构测量仪(TRAC),测定了岷江上游流域范围内490块野外调查样地(50m×50m样方)的LAI数据,结合同期较高精度卫星数据(TM)建立了不同植被类型的LAI-NDVI算法,在经过传感器的相对校正后,将这种算法应用到同期分辨率较低的MODIS数据和SPOT VEGETATION数据上。结果表明,30m分辨率的TM LAI的均值为4.53,250m MODIS LAI的均值为3.55,1000m VGT LAI的均值为4.20,随着栅格分辨率的降低,总体标准差有增加的趋势,并且LAI值也有不同程度的低估,其中MODIS LAI值被低估约22%。但利用TM LAI数据验证MODIS和VGT LAI数据后发现,250m的MODIS数据预测误差在30%左右,1000m的SPOT数据预测误差则高达50%,空间重采样分析表明,栅格分辨率的降低是导致预测误差扩大的主要原因,而这也是岷江流域植被分布破碎化的体现。     

SunScan冠层分析仪在测量大豆叶面积指数中的应用

SunScan冠层分析仪是一种利用间接测量法观测叶面积指数(LAI)的仪器,通过给定反映植被几何特征的椭球体叶倾角分布参数(ELADP),测量透射率获得LAI.于2005、2006年在黑龙江省嫩江县鹤山农场布设大豆试验地,通过比较LI-3100叶面积仪直接测量的LAI和SunSean冠层分析仪间接测量的LAI,得出ELADP率定结果,并验证了SunScan冠层分析仪测量LAI的精度.结果表明:用SunScan测量大豆冠层LAI时,ELADP取值为4.0;设定该参数后,SunSean测量的LAI与LI-3100测量结果一致,二者拟合的线性回归方程显著;随生长季叶面积的变化,SunScan测量误差略有变化;播种后50～85 d,Sun-Scan观测值偏低7.2%,播种96 d以后观测值偏高12.5%,播种后85～96 d与LI-3100观测值十分接近,误差只有2.0%;经过参数率定后的SunScan测量LAI效果较好.     

基于MOD09产品的水稻叶面积指数和叶绿素含量的遥感估算模型

基于中分辨率成像光谱仪MODIS (moderate resolution imaging spectroradiometer)反射率产品MOD09的同步野外实测水稻叶面积指数（LAI）和叶绿素含量（Chltot）相关数据,探寻用MOD09产品提取的植被指数(VIs)与水稻LAI和Chltot之间的相关性以及估算模型. 结果表明,MOD09计算的VI数值比MODIS前3个波段数值偏大,归一化植被指数NDVI (normalized difference vegetation index) 值普遍比增强性植被指数EVI(enhanced vegetation index) 值大. 通过4种不同植被指数与LAI相关性的比较,得出EVI与LAI的相关关系在水稻各个生育期优于其它植被指数,基于MOD09-EVI建立水稻LAI的遥感估算模型,经实际地面同步数据检验, 模型精度较高. 因而, MOD09-EVI较适用于水稻叶面积指数的实时遥感监测. MOD09红波段与Chltot之间的相关性在水稻前中期达到显著,并且优于其它植被指数,基于MOD09红波段建立了水稻前中期Chltot的估算模型并进行了精度检验. 除水稻孕穗期叶绿素含量估算模型的相关系数和F值通过了显著性检验外, 其余生育期估算模型都没有通过显著性检验.     

基于移动终端的稻田飞虱调查方法

【目的】建立一种基于移动终端的稻田飞虱调查方法,以减轻测报人员劳动强度,提高稻田飞虱调查的客观性,实现稻飞虱调查结果可追溯。【方法】利用Android相机、可伸缩手持杆和装载控制相机APP的Android手机研制了稻田飞虱图像采集仪。在Android开发环境下,利用socket通信和视频编码等技术,实现Android相机的视频采集与编码模块、视频传输模块和相机命令控制模块等。利用Android NDK开发和Java web等技术,实现手机端的视频预览模块、手机控制模块、图像上传模块等。相机实时拍摄的视频将压缩成H.264格式,通过RTSP/RTP协议控制其传输至手机端。手机端通过解压缩,实现实时预览相机所拍摄的视频,并控制相机拍摄水稻茎基部飞虱图像,同时将图像传输到手机端。稻飞虱识别算法部署在云服务器上。手机端可选择稻飞虱图像上传至云服务器,云服务器运行稻飞虱自动识别算法,结果返回至手机端。【结果】基于移动终端的稻田飞虱调查方法利用手机可以实时预览相机拍摄的水稻茎基部飞虱画面,控制相机拍照。云服务器上稻飞虱自动识别算法对图像中的飞虱平均检测率为86.9%,虚警率为11.2%;对稻飞虱各虫态平均检测率为81.7%,虚警率为16.6%。【结论】基于移动终端的稻田飞虱调查方法可以便捷地采集到水稻茎基部飞虱图像,实现稻田飞虱不同虫态的识别与计数。该方法可大大减轻测报人员的劳动量,避免稻飞虱田间调查的主观性,实现稻飞虱田间调查的可追溯。     

不同大气校正方法对森林叶面积指数遥感估算影响的比较

利用TM原始图像以及经过6S模型和基于影像自身的Gilabert模型大气校正后的地面绝对反射率图像,分别计算了褒河流域阔叶林和针阔混交林2种林型的5类光谱植被指数(SR、NDVI、MNDVI、ARVI和RSR),并建立各林型森林叶面积指数与同时相的各个植被指数的相关关系。结果表明,2种大气校正模型均显著提高了各植被指数与森林叶面积指数的相关关系,除了对森林叶面积指数与植被指数SR和NDVI的相关关系影响不显著外,对森林叶面积指数与植被指数MNDVI、ARVI和RSR相关关系的影响均非常显著。说明不同大气校正模型对叶面积指数的遥感估算结果有较大影响。因此,在利用遥感数据进行定量分析、信息提取和生态遥感应用时,不仅要进行大气校正,而且还要慎重选择大气校正模型和植被指数。     

秸秆还田下氮肥运筹对水稻各生育期土壤微生物群落结构的影响

运用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)和Biolog方法,研究了秸秆不还田不施肥(CK)、秸秆还田+尿素1(N分配:麦收后∶水稻移栽前∶分蘖期∶孕穗期=0∶6∶2∶2,T₁)、秸秆还田+尿素2(N分配:麦收后∶水稻移栽前∶分蘖期∶孕穗期=3∶3∶2∶2,T₂)、秸秆还田+沼液+尿素(N分配:麦收后∶水稻移栽前∶分蘖期∶孕穗期=3(沼液)∶3(2沼液+1尿素)∶2(尿素)∶2(尿素),T₃) 4种氮肥运筹方式对水稻各生育期(分蘖期、孕穗期、成熟期)土壤微生物群落结构的影响。结果表明: 1)T₃处理显著提高了各生育期土壤中的有效氮含量,其中成熟期有效氮含量显著高于分蘖期和孕穗期;T₁～T₃处理的有效磷和速效钾含量在各生育期均高于CK,且分蘖期的含量高于孕穗期和成熟期;稻田各生育期与各处理的交互作用对土壤有效氮、有效磷、速效钾含量均有显著影响;2)T₃能提高稻田土壤中微生物碳源代谢强度,碳水化合物、氨基酸、聚合物、羧酸是稻田土壤微生物利用的主要碳源,稻田各生育期与各处理的交互作用对微生物利用碳水化合物和羧酸的能力有显著影响;3)T₂、T₃能显著提高土壤微生物生物量;T₂处理真菌/细菌比较高,以真菌为主导,更有利于稻田土壤生态系统的稳定。表明秸秆还田同步施用氮肥(尿素或沼液)能提高土壤微生物活性,改善土壤环境。     

光谱植被指数与水稻叶面积指数相关性的研究

 综合分析比较了几种常见光谱植被指数与水稻（Oryza sativa）叶面积指数的相关性及其预测力。结果表明,植被指数的预测力在水稻营养生长旺盛期间最好。植被指数的预测力主要依赖于叶面积指数(LAI)的整体变化范围。因此,综合不同生育时期和氮肥处理的试验资料,光谱植被指数能准确地预测LAI的变化。LAI与各植被指数均呈曲线相关,与比值植被指数(RVI)、再归一化植被指数(RDVI)和R810/R560显著幂相关,与归一化植被指数(NDVI)、垂直植被指数(PVI)、差值植被指数(DVI)、土壤调整植被指数(SAVI)和转换型土壤调整指数(TSAVI)显著指数相关。其中,近红外与绿光波段的比值R810/R560的预测力最佳。用不同移栽秧龄、不同密度、不同水分和氮肥处理的数据对R810/R560的表现进行了检验,结果表明估算精度平均为91.22%,估计的均方差根(RMSE)平均为0.480　5,平均相对误差为-0.013。表明宽波段光谱植被指数可以准确地用来监测水稻叶面积指数。     

高光谱植被指数与水稻叶面积指数的定量关系

基于不同水稻品种、施氮水平和不同生育期下的大田试验,确立了水稻叶面积指数（LAI）与冠层光谱特征参数的定量关系.结果表明：水稻叶面积指数与部分高光谱植被指数存在良好的相关性,其中原始光谱组成的2波段差值指数（DI）形式相关性最好,其次为比值（RI）和归一化（NI）植被指数.相关最好的原始光谱植被指数是由近红外波段组成的差值指数DI(854,760),相关最好的一阶导数光谱植被指数是红光和近红外光组成的导数差值指数DI(D₆₇₆, D₇₇₈),但总体上导数光谱指数不如原始光谱指数与LAI关系密切.独立试验数据检验结果表明,以差值指数DI(854,760)为变量建立的水稻LAI监测模型具有较好的表现,可用于水稻LAI的估测.     

基于遥感图像不同辐射校正水平的植被覆盖度估算模型

选用南京市SPOT 5 HRG图像的地物反射率(PAC)、表观反射率(TOA)和灰度值（DN）影像,提取了4种植被指数（VI）,即归一化植被指数（NDVI）、转换植被指数（TVI）、土壤调节植被指数（SAVI）和修正的土壤调节植被指数（MSAVI）,与地面实测的植被覆盖度进行了回归分析,并建立了36个VI-VFC关系模型.结果表明：在所有模型中,基于PAC级影像提取的NDVI和TVI的3次多项式模型最优;其次为基于DN级影像提取的SAVI和MSAVI的3次多项式模型,在VFC>0.8时其精度略高于前两种模型.这4个模型在植被中等密集区域（VFC＝0.4～0.8）的精度高于植被稀疏区域（VFC=0～0.4）.所建模型可通过中间模型的联结,进行推广使用.在基于VI-VFC关系建模过程中,基于遥感影像不同辐射校正水平提取植被指数,有利于充分挖掘遥感影像信息,进而提高VFC估算的精度.     

稻田土壤氧化态有机碳组分变化及其与甲烷排放的关联性

稻田土壤有机碳是甲烷排放的关键底物之一,不同研究者由于采取的有机碳研究方法不同而得出稻田甲烷排放与土壤有机碳关系的结论不一.为明确影响稻田甲烷排放的土壤有机碳组分,设计了稻田施用不同外源有机碳(稻草还田、鸡粪和猪粪)的田间试验,对稻田甲烷排放和土壤有机碳组分的动态变化及其关联性进行监测和分析.结果表明,猪粪处理的甲烷排放与化肥处理无显著差异,而鸡粪和稻草2个处理的甲烷排放分别比化肥增加1.67倍(P＜0.05),2.69倍(P＜0.05);甲烷排放量与土壤易氧化有机碳含量显示相同顺序:稻草＞鸡粪＞猪粪＞化肥;通径分析表明,土壤易氧化有机碳组分1(被33 mmol/L KMnO4氧化的有机碳)与甲烷排放直接相关,其他有机碳组分仅通过组分1间接作用于水稻生育后期甲烷排放,且排放量较低.由此推断,易氧化有机碳组分1是甲烷排放的主要底物,通过有效措施降低肥源中易氧化态有机碳组分1是减排甲烷的关键技术之一.     

水稻食叶类害虫等量损害系统与复合防治指标

稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis.medinalis Guenèe中华稻蝗Oxya chinensis(Thunberg)稻苞虫Parnara guttatus (Bremer et Grey)是江苏地区水稻的主要食叶类害虫,取食水稻叶片,导致光合叶面积减少.剪叶模拟试验表明,水稻不同生育阶段叶面积损失率与产量损失率呈线性相关.其回归方程分蘖期、孕穗期、腊熟期分别为 D(I_t)=72.50759I_t^1.15906、D(I_t)=141.61737I_t^1.08002、D(I_t)=25.12434I_t^1.00569.在叶面积损失率相同的情况下,产量损失率孕穗期>分蘖期>腊熟期.试验通过三种害虫的各龄取食量,不同生育阶段水稻叶面积及为害与损失率之间的关系,建立了不同生育阶段的经济允许损害水平(EIL_t).并根据各种害虫的相对潜在取食量,计算了校正等量损害系数,为制订复合防治指标提供了依据.实践证明:以等量损害为单位的复合防治指标有较大的实用价值,生态效益、经济效益、社会效益明显.