呼蘭河流域葉面積指數(shù)的變化特征與估算方法

王 斌，魏永霞，黃金柏，朱世江，張 袁，盧龍彬，曹程鵬

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；4.江蘇中核華緯工程設(shè)計(jì)研究有限公司，南京 210019；5.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

呼蘭河流域葉面積指數(shù)的變化特征與估算方法

王 斌1，魏永霞1，黃金柏2，朱世江3，張 袁4，盧龍彬5，曹程鵬1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；4.江蘇中核華緯工程設(shè)計(jì)研究有限公司，南京 210019；5.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

為分析呼蘭河流域各種覆被葉面積指數(shù)(LAI)變化特征，應(yīng)用1982—2000年的NOAA-AVHRR NDVI月數(shù)據(jù)，采用簡(jiǎn)單生物圈模型(SiB2)反演了呼蘭河流域的LAI，并利用IGBP土地覆被數(shù)據(jù)將反演的LAI數(shù)據(jù)整理為10種覆被的LAI系列。對(duì)10種覆被LAI變化特征的分析結(jié)果表明：呼蘭河流域10種覆被LAI在年內(nèi)各月份間呈單峰變化，與氣溫、降水量等氣象因子的季節(jié)變化規(guī)律相符，在年際間LAI呈波動(dòng)變化，但不存在明顯的增大或減小趨勢(shì)；LAI系列與氣象因子系列的相關(guān)性較強(qiáng)，以平均氣溫、水汽壓、降水量為自變量，以LAI為因變量，建立了可估算各種覆被LAI的回歸方程，為在NDVI數(shù)據(jù)缺失時(shí)段的呼蘭河流域LAI估算提供了一種簡(jiǎn)便方法。

葉面積指數(shù)；NDVI；IGBP土地覆被；呼蘭河流域

0 引 言

葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)的概念或定義較多[1-4]，一般是指單位面積土地上的植物葉片總面積。LAI是描述植物冠層結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，控制著植物光合、碳循環(huán)、蒸散發(fā)、降水截留等多種生物與物理過(guò)程，可為描述植物冠層表面物質(zhì)和能量交換提供結(jié)構(gòu)化的定量信息[5]，在農(nóng)、林等行業(yè)以及植物、生態(tài)、水文等學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛[1-2]。獲取LAI的方法一般分為直接和間接兩類。直接方法相對(duì)成熟和精確，但工作量大，效率低，部分直接方法對(duì)植被和環(huán)境具有破壞性；間接方法可在較短時(shí)間內(nèi)獲取大范圍的LAI，且能減少對(duì)植被和環(huán)境的破壞作用，但一般需要直接方法校正[1-4]。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植物生長(zhǎng)狀態(tài)和植被空間分布密度的最佳指示因子，在利用遙感影像開展區(qū)域植被與大氣相互作用等研究中得到了大量應(yīng)用[5-6]。利用NDVI反演的LAI是推求植被截留量、植被蒸騰量及土壤蒸發(fā)量的重要參數(shù)[7-9]。然而，對(duì)于一個(gè)具體流域，能夠獲取的各種數(shù)據(jù)在時(shí)序上往往不同步，一般情況下氣象和水文資料的系列較長(zhǎng)，而NDVI的系列較短，在缺失NDVI時(shí)難于反演LAI；此外，當(dāng)需要了解某流域典型植被LAI的大小及其季節(jié)變化規(guī)律時(shí)，往往缺少關(guān)于這些植被的LAI數(shù)據(jù)。針對(duì)此問題，以呼蘭河流域?yàn)槔?，?yīng)用NDVI反演了10種覆被的LAI系列，并分析了這些覆被LAI的年內(nèi)與年際變化規(guī)律以及LAI與氣象因子的關(guān)系，提出了基于回歸分析的LAI簡(jiǎn)便估算方法，以期為在呼蘭河流域開展相關(guān)研究提供LAI基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與LAI反演方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

NOAA-AVHRR提供了自1981年7月—2001年9月(1994年9—12月數(shù)據(jù)缺失)的全球8 km分辨率NDVI 數(shù)據(jù)集，采用該數(shù)據(jù)集的1982—2000年數(shù)據(jù)，并將NDVI分辨率轉(zhuǎn)化為1 km，為使NDVI數(shù)據(jù)連續(xù)，利用1993年相應(yīng)月份數(shù)據(jù)代替1994年缺失數(shù)據(jù)，作為反演不同覆被LAI的基礎(chǔ)資料。國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)土地覆被分類系統(tǒng)將全球各大洲土地覆被劃分為17個(gè)類型，分辨率為1 km[10]，本文利用IGBP土地覆被數(shù)據(jù)識(shí)別流域的各種植被。應(yīng)用美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)的1 km 數(shù)據(jù)高程模型(DEM)提取流域NDVI及土地覆被數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)源自流域內(nèi)及周邊的氣象站，下載于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.nmic.cn/home.do) ，主要包括逐日的平均氣溫、水汽壓、相對(duì)濕度、降水量、日照時(shí)數(shù)等。

1.2 葉面積指數(shù)反演方法

采用簡(jiǎn)單生物圈模型(SiB2)反演LAI的計(jì)算公式見式(1)～式(3)[11-12]。對(duì)于分布在流域內(nèi)不同地點(diǎn)的某類土地覆被，取同年同月各柵格LAI的平均值作為該覆被LAI的月份值。

(1)

FPAR=FPARmin+

(2)

(3)

式中SR為簡(jiǎn)單植被指數(shù)；FPAR為光合有效輻射比率；FPARmin為最小光合有效輻射比率，取0.001；FPARmax為最大光合有效輻射比率，取0.950；Fc l為叢生植被比例；SRmin為5%NDVI對(duì)應(yīng)的SR值，取0.039；SRmax為98%NDVI對(duì)應(yīng)的SR值；LAImax為植被充分生長(zhǎng)時(shí)的最大LAI；Fc l、NDVI98%、LAImax參考文獻(xiàn)[9]確定。

2 呼蘭河流域概況

呼蘭河水系位于黑龍江省中部，是松花江左岸支流，發(fā)源于小興安嶺西麓，西南流向，先后有諾敏河、通肯河兩大支流匯入，在與通肯河交匯后改向南流，至哈爾濱市呼蘭區(qū)流入松花江。呼蘭河蘭西站以上集水區(qū)(以下稱“呼蘭河流域”)面積為27 736 km2。經(jīng)提取后流域共有12種IGBP土地覆被見圖1，其中面積最大的為混交林和耕地，分別占流域面積的39.50%和39.00%；其次為有林草地、落葉闊葉林和落葉針葉林，分別占流域面積的17.08%、1.77%和1.48%；其余7種土地覆被分布較少，其面積和僅占流域面積的1.17%。在呼蘭河流域，雖然應(yīng)用NDVI數(shù)據(jù)能夠反演出“城市與建筑用地”及“水體”的LAI，但考慮到LAI的實(shí)際意義只分析其他10種覆被的LAI。在呼蘭河流域內(nèi)及其周邊，可從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)的氣象站為鐵力、綏化、海倫、明水，為與月份LAI數(shù)據(jù)匹配，將下載的氣象數(shù)據(jù)日值統(tǒng)計(jì)為月份值，并采用泰森多邊形法(Thiessen polygon method)將4個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)整理為流域平均數(shù)據(jù)。

圖1 呼蘭河流域IGBP土地覆被空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of IGBP land cover in Hulan River basin

3 結(jié)果與分析

3.1 呼蘭河流域LAI年內(nèi)變化

呼蘭河流域10種覆被LAI多年平均值見圖2，氣溫和降水量的多年平均值見圖3。由圖2和圖3可見，各種覆被的LAI在年內(nèi)均呈單峰變化，與氣溫、降水的季節(jié)變化規(guī)律相一致。4—6月正值黑龍江省春季，隨著氣溫回升和降水量增大，植被開始復(fù)蘇或萌發(fā)，LAI呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；夏季7、8月是黑龍江省一年中降水量最大、氣溫最高的時(shí)期，植被生長(zhǎng)最旺盛，LAI也達(dá)到了一年中的最大值；進(jìn)入9、10月的秋季后，氣溫降低，降水量減小，植被開始落葉或死亡，LAI也隨之遞減；進(jìn)入冬季后，在11月至次年3月，多年生植被處于休眠期，一年生植被已死亡，LAI維持在較低水平。

圖2 呼蘭河流域10種覆被LAI的年內(nèi)變化過(guò)程Fig.2 Monthly variation of 10 land covers in Hulan River basin

圖3 呼蘭河流域氣溫與降水量的年內(nèi)變化過(guò)程Fig.3 Monthly variation of temperature and precipitation in Hulan River basin

在黑龍江省冬季，除常綠針葉林外，其他植被或休眠或死亡，因此，黑龍江省大部分覆被在冬季的LAI趨近于0，應(yīng)用NDVI反演的呼蘭河流域植被LAI平均值見圖2，與實(shí)際情況會(huì)存在一些偏差。

3.2 呼蘭河流域LAI年際變化

呼蘭河流域10種覆被LAI年均值變化過(guò)程見圖4。1982—2000年，10種覆被LAI在不同年份間雖呈波動(dòng)變化，但總體并無(wú)明顯增大或減小趨勢(shì)；相對(duì)而言，落葉針葉林、有林草地、稀樹草地、草地的LAI年際間變化平緩，其他覆被LAI年際間變化較大。同時(shí)，各種覆被LAI在多個(gè)年份變化同步，如在1986年、1992年、1998年均呈現(xiàn)減小現(xiàn)象，在1984年、1993年均呈現(xiàn)增大現(xiàn)象，但在大多數(shù)年份內(nèi)不同覆被LAI變化不同步，如1983年、1990年等。分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的可能原因是由于不同年份的土壤含水率和氣象因子(降水、氣溫、水汽壓、日照等)等環(huán)境因子不同，加之各種植被對(duì)這些環(huán)境變化的響應(yīng)也不相同，致使同種植被的長(zhǎng)勢(shì)存在年份差異，也造成了不同覆被LAI在相同年份存在不同步變化的現(xiàn)象。

圖4 呼蘭河流域10種覆被LAI年際變化過(guò)程Fig.4 Interannual variation of 10 land covers in Hulan River basin

由圖4可見，不同覆被LAI年值大小存在差別：常綠針葉林、耕地與自然植被鑲嵌體、落葉闊葉林、混交林的LAI較大，介于1.7～3.0；耕地、永久濕地、落葉針葉林的LAI處于中等水平，介于0.7～1.8；有林草地、稀疏草地、草地LAI較小，均在0.6以下。

3.3 呼蘭河流域LAI與氣象因子的關(guān)系

由前述分析可見，呼蘭河流域各種覆被LAI存在年內(nèi)及年份變化，在NDVI缺失的時(shí)段(如1981年7月以前)，采用某年數(shù)據(jù)或多年平均數(shù)據(jù)代替的方法誤差較大，因此，需要探索適宜的LAI估算方法。一般情況下，氣象數(shù)據(jù)相對(duì)容易獲取且系列較長(zhǎng)，1982—2000年呼蘭河流域10種覆被LAI與氣象因子的月份值相關(guān)性分析結(jié)果見表1。

由表1可見，10種覆被的LAI與同期的氣象因子均呈正相關(guān)關(guān)系，LAI與平均氣溫、水汽壓、降水量的相關(guān)系數(shù)較大。經(jīng)檢驗(yàn)，LAI與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)在0.05水平上顯著，與平均氣溫、水汽壓、降水量、日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)在0.01水平上顯著。為估算NDVI缺失時(shí)段的LAI，本文采用式(4)建立LAI與平均氣溫、水汽壓、降水量的回歸方程，所得回歸系數(shù)見表2。由表2可見，10種覆被LAI回歸方程的判定系數(shù)R2較高，除耕地外均超過(guò)了0.82，經(jīng)過(guò)F檢驗(yàn)，所有回歸方程均通過(guò)了0.01的檢驗(yàn)水平。因此，在NDVI缺失時(shí)段，可用式(4)及表2的方程回歸系數(shù)估算LAI。

(4)

式中T為月平均氣溫，℃；ea為月水汽壓，kPa；P為月降水量，mm；a、b、c、d為回歸系數(shù)。

表1 呼蘭河流域10種覆被LAI與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

表2 呼蘭河流域10種覆被LAI與氣象因子的回歸系數(shù)

4 結(jié) 論

1)應(yīng)用NDVI數(shù)據(jù)可以反演區(qū)域LAI，利用DEM和IGBP土地覆被數(shù)據(jù)可以識(shí)別流域內(nèi)不同覆被的LAI；呼蘭河流域10種覆被的LAI在年內(nèi)各月呈現(xiàn)單峰變化，在不同年份間存在波動(dòng)變化，但總體并不存在明顯增大或減小趨勢(shì)。

2)呼蘭河流域10種覆被LAI與多種氣象因子存在較強(qiáng)的相關(guān)性，以月尺度的平均氣溫、水汽壓、

降水量為自變量、不同覆被的月LAI為因變量建立的回歸方程判定系數(shù)較高；在NDVI缺失時(shí)段，這些回歸方程可用于估算10種覆被的月LAI。

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Estimation and analysis of leaf area index in Hulan River basin

WANG Bin1，WEI Yong-Xia1，HUANG Jin-Bai2，ZHU Shi-Jiang3，ZHANG Yuan4，LU Long-Bin5，CAO Cheng-Peng1

(1. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China;2. School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu,China;3. College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei,China;4.Jiangsu China Nuclear Industry Huawei Engineering Design and Research Co Ltd, Nanjing 210019, China;5. College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Industry, Beijing 100124, China)

The objective was to analyze the variation characteristics of leaf area index (LAI) of various covers in the Hulan River basin. LAI in the Hulan River basin was reversed monthly by the simple biosphere model (SiB2) using monthly data of NOAA-AVHRR NDVI during 1982—2000, and the achieved LAI data was processed to the LAI series for the vegetation covers of 10 kinds by using the IGBP land cover data. The variation characteristics of LAI for the 10 kinds of vegetation covers were analyzed, and the results indicated that monthly LAI represented a single peak in every year which matched up to the seasonal variation of temperature, precipitation and other meteorological factors; LAI showed yearly fluctuation but no clear increasing or decreasing trend; and LAI series manifested a strong correlation with the series of meteorological factors. A regression equation was established for estimating LAI of the various vegetation covers by using mean temperature, vapor pressure, and precipitation as the independent variables and LAI as a dependent variable. A simple method for estimating LAI was therefore proposed in the period of lacking of NDVI data for the Hulan River basin.

leaf area index; normalized difference vegetation index(NDVI); IGBP land cover; Hulan River basin

10.13524/j.2095-008x.2015.04.054

2015-06-28；

2015-07-31

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531024)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51009026)；農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(2015002)

王 斌(1976-)，男，黑龍江樺南人，副教授，博士，研究方向：水文過(guò)程模擬、農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與技術(shù)等，E-mail: wangbin@neau.edu.cn。

TP79

A

2095-008X(2015)04-0001-05