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。     

祁连山区青海云杉林冠层叶面积指数的反演方法

叶面积指数(Leaf area index, LAI)是陆地生态系统的一个十分重要的结构参数。随着空间精细化模型的发展和基于过程的分布式模拟技术的应用, 对LAI的区域估算显得越来越重要, 但目前尚缺乏有效的估算手段。该项研究以青海云杉(Picea crassifolia)林为研究对象, 利用LAI-2000冠层分析仪、鱼眼镜头法和经验公式法对林冠层LAI进行了测定, 观测值分别为1.03~3.70、0.48~2.26和2.27~8.20, 显然, 仪器测定值偏低。针对针叶的集聚效应导致仪器测定值偏低的现象, 利用跟踪辐射与冠层结构测量仪(TRAC)测定的青海云杉林聚集系数计算调整系数, 对鱼眼镜头法获取的LAI值进行订正。根据高分辨率的遥感数据反演青海云杉林的植被指数与LAI的关系, 最后获得了较合理的该地区林冠层LAI的空间分布图。     

千烟洲针叶林的比叶面积及叶面积指数

根据实测数据计算了湿地松(Pinus elliotii)、马尾松(P. massoniana) 和杉木(Cunninghamia lanceolata)不同年龄、不同类型叶片的生物量和比叶面积,并结合样地调查数据和相对生长方程计算了中国科学院千烟洲试验站20年生湿地松林、马尾松林、杉木林和针叶混交林的叶面积指数。根据拟合结果,选择如下方程计算3个树种的叶生物量:湿地松W=12.074 1D^{2.151 5}、马尾松W=6.972 7D^{2.197 3}和杉木W=5.261 9D^{2.302 7}。湿地松林的叶生物量(0.822 kg·m^-2)最大,其次为针叶混交林(0.679 kg·m^-2),马尾松林和杉木林相差不大(分别为林0.528和0.572 kg·m^-2)。不同树种、不同年龄、不同类型叶片的比叶面积比较发现,新叶的比叶面积大于老叶,三针一束叶的比叶面积略大于两针一束叶,马尾松的平均半比表面积(8.62 m²·kg^-1)大于湿地松(6.04 m²·kg^-1)和杉木(7.91 m²·kg^-1)。胸径与单木叶片半表面积之间的经验方程为:湿地松LA=0.073D^{2.151 5}、马尾松LA=0.060D^{2.197 3}和杉木LA=0.042D^{2.302 7}。据此计算湿地松林的叶面积指数为5.03,马尾松林和杉木林为4.31,针叶混交林为4.77,该结果比利用CI-110植被冠层数字图像仪测得的结果偏大。     

北京地区油松、侧柏人工林叶面积指数变化规律

叶面积指数(LAI)是群体结构的重要参数,也是衡量林分质量的重要指标。通过光学测量方法和遥感技术等手段测量的大范围LAI需要进一步的地面实测验证。以北京十三陵林场为研究区,利用CI-110植冠分析仪和野外实测的69个油松和侧柏林分LAI为基础,分析了有效叶面积指数(LAIe)与实测叶面积指数(LAIa)的关系。结果表明,油松林的LAIe/LAIa之值在35.52%~36.36%;侧柏林的LAIe/LAIa之值在14.60%~16.72%。由于测定的油松、侧柏林分郁闭度在0.5~0.8,符合生态公益林的经营要求,因此油松、侧柏林的LAI是合适的,可以作为油松、侧柏林林分质量调控的一个重要依据。     

小兴安岭三种林型叶面积指数的估测

利用Winscanopy2006冠层分析仪测定2009年7月初至11月初小兴安岭白桦次生林、谷地云冷杉林、阔叶红松林的有效叶面积指数(LAIe),并将经过木质部分所占比率、冠层水平集聚和簇内集聚校正的11月初LAIe作为真实叶面积指数(LAIt),结合凋落物法测定3种林型的LAIt及其季节动态.结果表明:调查期间,白桦次生林的LAIe在7月达到峰值(2.21),谷地云冷杉林、阔叶红松林的LAIe在8月达到峰值,分别为2.57、2.68.白桦次生林、谷地云冷杉林、阔叶红松林的LAIt均在7月达到峰值,分别为3.44、3.86、6.93;相对于本文探讨的方法,光学仪器所测定的LAIe在最高叶面积指数期分别低估33.1％、32.9％、66.0％;而在整个调查期内,谷地云冷杉林和阔叶红松林LAIe平均低估22.8％和56.5％,白桦次生林平均高估13.2％.     

小兴安岭三种林型叶面积指数的估测

利用Winscanopy2006冠层分析仪测定2009年7月初至11月初小兴安岭白桦次生林、谷地云冷杉林、阔叶红松林的有效叶面积指数(LAI_e),并将经过木质部分所占比率、冠层水平集聚和簇内集聚校正的11月初LAI_e作为真实叶面积指数(LAI_t),结合凋落物法测定3种林型的LAI_t及其季节动态.结果表明： 调查期间,白桦次生林的LAI_e在7月达到峰值(2.21),谷地云冷杉林、阔叶红松林的LAI_e在8月达到峰值,分别为2.57、2.68.白桦次生林、谷地云冷杉林、阔叶红松林的LAI_t均在7月达到峰值,分别为3.44、3.86、6.93;相对于本文探讨的方法,光学仪器所测定的LAI_e在最高叶面积指数期分别低估33.1%、32.9%、66.0%;而在整个调查期内,谷地云冷杉林和阔叶红松林LAI_e平均低估22.8%和56.5%,白桦次生林平均高估13.2%.
     

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.     

湿地松林叶面积指数测算

对湿地松（Pinus elliotii）当年生和多年生两针一束、三针一束叶片的长度、宽度、厚度和重量分别进行量测,据此探讨不同类型叶片的叶形和比叶面积差异,并结合样地调查数据对中科院千烟洲试验站湿地松人工林的叶面积指数进行计算。结果表明：湿地松三针一束叶片合拢后横切面基本呈圆形,当年生叶和多年生叶的平均直径分别为1．688mm和1.706mm;两针一束叶片合拢后从统计学上讲横切面不是圆形,而是椭圆形,叶片厚度方向直径大于宽度方向（当年生叶厚度和宽度方向直径分别为1．580ram和1．422mm,多年生叶分别为1．568mm和1.410mm）,但如果把厚度和宽度方向直径的平均值近似成圆柱体直径计算时误差在3％以内;如果只用厚度或宽度方向直径代表平均直径计算结果会有2％。10％的误差;当年生叶和多年生叶、两针一束叶和三针一束叶之间比叶面积差别很大,计算的三种比叶面积（投影比叶面积、圆柱面比叶面积和比表面积）中,当年生叶的比叶面积明显大于多年生叶,三针一束叶片的投影比叶面积和比表面积都大于两针一束叶片,但圆柱面比叶面积恰好相反。湿地松林的叶面积指数若按投影叶面积算为3．61,按圆柱面的外表面算为5．12,按总表面积的一半算为4．52,比利用冠层分析仪测量的结果略大。     

利用数字植物冠层图象分析仪测定南亚热带森林叶面积指数的初步报道

介绍了当今较先进的数字植物冠层图象分析仪的理论基础、实际应用的特点 ,测定了南亚热带丘陵地区 8种森林类型 (包括人工林和自然次生林 )的叶面积指数、太阳直射透过系数等群落冠层特征 ,同时测定一由荒坡草地自然发育而成的灌木草坡群落的叶面积指数。根据测定数据比较分析了不同人工林群落 1 1a发展这些特征的变化 ,并与次生自然林的测定数据进行比较 ,同时还对 1 1a与 1 4a树龄马占相思林林冠变化进行比较分析。     

基于PROSAIL辐射传输模型的毛竹林叶面积旨数遥感反演

采用PROSAIL辐射传输模型建立毛竹林叶面积指数(LAI)-冠层反射率查找表,并结合Landsat TM卫星遥感数据,实现了毛竹林LAI的定量反演.结果表明:PROSAIL模型各输入参数的敏感性由高到低依次为LAI＞叶绿素含量(Cab)＞叶片结构参数(N)＞平均叶倾角(ALA)＞等效水厚度(Cw)＞干物质含量(Cm),并以LAI、Cab两个主要敏感因子用于构建毛竹林LAI-冠层反射率查找表;基于PROSAIL模型的毛竹林LAI遥感反演结果与实测LAI具有很好的一致性,二者相关系数为0.90,均方根误差和相关的均方根误差也较小,分别为0.58和13.0％,但也存在反演LAI平均值高于实际值的问题.     

暖温带地区3种森林群落叶面积指数和林冠开阔度的季节动态

以辽东栎(Quercus liaotungensis)为主的落叶阔叶林、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林和油松(Pinus tabulaeformis)林是暖温带林区具有代表性的森林群落类型。该研究应用国内外流行的半球图方法,通过对这3种森林群落叶面积指数和林冠开阔度的测定和综合比较,分析了叶面积指数和林冠开阔度的季节动态,揭示了暖温带地区不同类型森林群落叶面积指数和林冠开阔度的特征。研究结果表明,落叶阔叶林(优势种为辽东栎、棘皮桦(Betula dahurica)和五角枫(Acer mono))和华北落叶松林两种落叶森林群落的叶面积指数值均随生长季的到来而呈现增长的趋势,最大值出现在8月;林冠开阔度值随着生长季的到来而下降,最大值出现在11月。落叶阔叶林的叶面积指数和林冠开阔度的季节动态较之华北落叶松林明显。油松是常绿树种,其群落叶面积指数和林冠开阔度的变化程度均不明显,但林冠开阔度的变化趋势也是与叶面积指数的变化趋势相反。通过计算得出叶面积指数和林冠开阔度相关显著,并且呈现指数回归的关系。此研究结果为以遥感途径获取暖温带地区叶面积指数提供了地面校正依据,为研究该地区植被林冠的异质性及其造成的影响,以及进一步对该地区林分、景观和区域尺度上碳、水分和通量等方面的模拟提供了基础数据。     

利用凋落物法和林木因子模拟小兴安岭阔叶红松林叶面积指数

叶面积指数(LAI)是研究森林生态系统生理生态进程中关键的结构参数之一。目前,凋落物法是在非破坏性条件下能直接测定森林生态系统LAI的最有效的方法,然而将凋落叶按树种分类增加了该方法的实施难度。平均优势度模型、林分优势度模型和局域优势度模型基于凋落物法和林木因子(如胸高断面积basal area,BA;坐标)能精确地预测落叶阔叶林的LAI,而这些模型是否适用于针阔混交林仍未进行验证。以小兴安岭阔叶红松林(Pinus koraiensis)为研究对象,先利用凋落物法测定其LAI,依此为参考对3种模型预测LAI的有效性进行验证,并以红松、冷杉(Abies nephrolepis)、紫椴(Tilia amurensis)、五角槭(Acer mono)、枫桦(Betula costata)和裂叶榆(Ulmus laciniata)为例,探讨了基于凋落物法测定的LAI与BA的相关关系。结果表明:平均优势度模型不适于预测针阔混交林的LAI;林分优势度模型预测效果较好,精度达86%;局域优势度模型预测效果最优,精度高于90%。然而,为准确测定阔叶红松林的LAI,应最少选择测定8个主要树种的比叶面积。基于凋落物法测定的6个树种的LAI与其BA均显著相关(P0.01),最小R2为0.67。研究结果可为快速、准确地测定针阔混交林的LAI提供依据,为非破坏性条件下建立树种的LAI与其BA的相关关系提供参考。     

天童国家森林公园常绿阔叶林不同演替阶段群落光环境特征比较

常绿阔叶林是我国中亚热带东部典型植被类型,根据野外踏查和固定样地调查发现,天童国家森林公园内发育着常绿阔叶林一个完整的演替系列,包含着6个不同演替阶段。应用W inScanopy For C anopy A na lys is软件对研究区内不同演替阶段群落冠层进行分析,得到不同群落冠层和林下的光环境特征指标:PPFD(光合光量子通量密度)和相关的冠层结构形态学指标G ap fraction(空隙度)、LA I(叶面积指数)、M LA(平均叶倾角),通过对这些指标的分析比较,得到的基本规律大致是林冠层的光合有效光量子通量密度随演替逐渐降低,林冠下面的光合有效光量子通量密度随着群落演替的进展变化更为明显。马尾松林的林冠空隙度明显高于其他阶段的群落,总的趋势是随群落演替的进展而降低。叶面积指数随演替的进展而呈增加趋势。平均叶倾角随演替的进展先增大而后减小。这些结果反映了常绿阔叶林不同演替阶段群落由于不同树种树冠形态学结构的差异和微环境的不同,形成了特定群落内的特定光环境。     

广东南澳岛不同森林群落的林窗环境对移植树苗生长的影响

在广东南澳岛四个森林群落内移植了大叶相思（Acacia auriculaeformis),尾叶桉（Eucalyptus urophylla)和荷木（Schima superba)三种树苗,通过测定群落内林窗和非林窗生境中的叶面积指数,透光率和幼苗的生长高度,观察林窗环境对移植树苗生长的影响。结果表明：林窗的叶面积指数比非林窗的小;林窗的透光率大于非林窗;各群落的叶面积指数和爱光率有季节性的变化,变化幅度各不同,三种幼苗在林窗内比非林窗的乔木层下生长快;大叶相思和尾叶桉幼苗在林窗内的高度增长量显著大于非林窗下的,荷木虽也存在差异,但不如前两者显著。这些结果反映了不同生态特性的树种对林窗的反应不同。     

鼎湖山森林群落的总生产力

本文根据鼎湖山季风常绿阔叶林和针阔叶混交林的垂直结构和成层现象,应用红外线CO_2气体分析等方法,分层测定了主要植物33种57株的光合速率,研究了两个群落的总初级生产力。结果表明:季风常绿阔叶林的总生产力(吨干物质·公顷~(-1),年~(-1))为146.695,针阔叶混交林为128.5597,前者比后者高,但后者叶面积指数适度,林内透光良好,树干生长粗壮,因而经济效益较高。     

Leaf litterfall,leaf area index,and radiation transmittance in cypress wetlands and slash pine plantations in north-central Florida

The seasonal dynamics of leaf litterfall and leaf area index (LAI, all-sided basis), light penetration and the vertical distribution of surface area index, and the feasibility of estimating LAI from radiation transmittance were studied from April 1993 to March 1994 in the canopies of three cypress (Taxodium ascendens) wetlands and their surrounding slash pine (Pinus elliottii) uplands in Florida flatwoods. Annual leaf litterfall ranged from 324 to 359 g m^–2 in the wetlands, which was very close to the average for 11 sites throughout Florida of 340±26 g m^–2. The seasonal pattern of the normalized LAI obtained for the dominant tree species in the ecosystems could be used to construct the seasonal dynamics of LAI at the ecosystem scale. The vertical distribution of surface area index in the wetlands was significantly different from that in the surrounding pine uplands. The maximum LAI of cypress wetlands in this area was about 8 m² m^–2, which was higher than the maximum of slash pine plantations of 6 m² m^–2. Cypress leaves were strongly erectophile in space. Results showed that the LAI-2000 canopy analyzer could generally be used to estimate forest LAI, whether the forest canopy was closed or not, if an overall clumping index of 2.00 was applied. However, as LAI decreased, the relative error contained in the radiation-based LAI estimates increased. This indicated that foliage clumping at the stand scale was more important than that at the tree or branch scale.     

基于多角度植被指数的马尾松林LAI反演方法

CHRIS/PROBA是目前具有最高空间分辨率（17 m×17 m）的星载多角度高光谱数据,该款数据在反演植被垂直结构参数,如树高、叶面积指数（leaf area index,LAI）等方面具有重要的应用前景。基于四尺度几何光学模型得到马尾松（Pinus massoniana Lamb.）冠层的归一化差分植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）各向异性分布规律,利用CHRIS红光特征波段和近红外特征波段构建一种新型多角度植被指数（normalized hotspot-dark-spot difference vegetation index,NHDVI）,并将其应用于CHRIS数据对马尾松林的LAI遥感估算上。结果显示：（1）相比归一化差分植被指数（NDVI）与土壤调节植被指数（soil adjusted vegetation index,SAVI）而言,NHDVI能很好地融合光谱信息与角度信息,与地面实测LAI的决定系数达到0.7278;（2）利用NHDVI-LAI统计回归模型方法来反演LAI值,将得到的LAI值与地面实测值进行相关性分析,结果拟合优度达到0.8272,均方根误差RMSE为0.1232。与传统植被指数相比,包含角度信息的多角度植被指数对LAI的反演在精度上有较大提升,同时比基于辐射传输模型的反演方法更简易、实用。     

基于不同空间尺度遥感影像估算森林叶面积指数的差异

地面测量点对遥感像元的代表性如何,怎样获取像元的相对真值,多大的空间分辨率可以真实地反映森林区域的叶面积指数(LAI),这些都是定量遥感中的重要问题.本研究计算LAI-2200和TRAC两种冠层分析仪测量的空间范围,并结合GF-2(4.1 m)、Sentinel-2(10 m)、Landsat-8(30 m)3种不同空间分辨率遥感影像,找到各尺度下像元的相对真值,在保持真值观测面积和遥感获取面积一致的条件下,基于一元指数和多元回归模型,对比分析不同空间分辨率影像对估算森林LAI的影响,并对3种影像模型进行30和100 m尺度下的检验以及各自数据集的空间代表性评价,比较得出最适合表达研究区域森林LAI的尺度.结果表明:对于森林来说,高分辨率并不一定能充分反映森林LAI.基于3种分辨率影像的统计模型都能很好地估测森林LAI,其中,基于Sentinel-2的反演精度最高,基于GF-2的反演精度最低.30和100 m尺度下的检验结果表明,基于GF-2反演模型高估了森林LAI,基于Landsat-8的反演模型低估了森林LAI,基于Sentinel-2分辨率的统计模型可以很好地估测研究区域森林LAI.