水蚀风蚀交错区典型植被叶面积指数动态变化及其对冠层截留量的影响

Abstract

叶面积指数（LAI）的自动准确测量可以为相关生态过程研究提供关键参数。本研究首先采用光学鱼眼相机（DHP）和LAI-2200测量了黄土高原北部典型植被柠条、沙柳、紫花苜蓿、长芒草、大豆和玉米不同生长时期冠层LAI，通过比较两者测量结果去验证光学鱼眼镜头的准确性。其次通过在玉米、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CAN-EYE分析获取LAI动态变化，同期使用LAI-2200、LI-3000A、DHP仪器以每周一次的频率测量LAI，对比校正摄像机数据。最后将鱼眼摄像机法测量LAI应用于灌木冠层截留影响机制的研究，以柠条和沙柳群落为研究对象，通过测量2017-2018年自然生长状态下两样地的降雨再分配模式，明确两种灌木截留量的主控因素。并通过人工控制沙柳样地LAI大小，对比相同气象因素条件下LAI对冠层截留量的影响。主要研究结果如下： （1）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。拍照时的太阳辐射值直接影响专业软件处理照片时的关键参数，镜头朝下时，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；但是镜头朝上时，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，鱼眼摄像机可以用于定位监测LAI动态变化。 （2）利用鱼眼摄像机可获取阔叶作物（玉米和大豆）和旱生灌木（柠条）的每日LAI，它在测量植被LAI的动态方面具有较大的潜力。本研究首次将玉米地生长后期拍摄的鱼眼照片中的衰老部分去掉，降低了光学仪器在测量玉米等阔叶作物生长后期时较大的不确定性（y=0.24x，RMSE=0.79），这与破坏法测量LAI值产生了较好的一致性（y=0.75x，RMSE=0.37）。朝下安装的鱼眼摄像机获取的LAI具有更好的代表性，适合于低矮植被，如大豆、苜蓿和长芒草等；而朝上安装的鱼眼摄像机由于处理照片时分类像素的不确定性较小，更适合较高的植被，如高杆作物（玉米）、灌木和乔木等。使用CAN-EYE软件处理柠条地朝上照片时，通过选择不同的分类像素，可估计木质部分面积指数（WAI）。鱼眼摄像机可以精确、廉价、简单和快速的测量冠层结构变量LAI和CI。应该对该方法进行进一步的评估，特别是对于密集的冠层。 （3）柠条林冠层截留量随降雨量增加而逐渐增加，稳定截留率约为15%。沙柳林冠层截留率相对较低，稳定截留率约为10%。沙柳样地LAI高水平（1.7）时，穿透雨最少，树干茎流居中，截留量最多；LAI中水平（1.3）时，穿透雨居中，树干茎流量最多，截留量最少；LAI低水平（1.0）时，穿透雨最多，树干茎流量最少，截留量居中。这表明沙柳截留量受树干茎流量的影响较大，LAI低水平时树干茎流量最少，进而推断叶片对茎流起积极作用，而相比LAI高水平，LAI中水平时树干茎流量更大，叶片似乎对茎流量又起消极作用。适宜的LAI可减少截留蒸发，增加树干茎流。</p