基于植物群落結(jié)構(gòu)的水土流失植被因子指數(shù)研究

劉 金

(朝陽(yáng)縣水土保持局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

植物群落是預(yù)測(cè)水土流失的關(guān)鍵性指標(biāo)，直接影響著水土流失的預(yù)測(cè)精度，常用的水土流失預(yù)測(cè)模型如WEPP、USLE、RUSLE模型均是以植被覆蓋因子作為重要參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，然而對(duì)于植被因子的研究分析往往采用植被蓋度指標(biāo)進(jìn)行表征[1]。植被蓋度的內(nèi)涵不僅僅是生態(tài)學(xué)理論的投影蓋度，在不同研究區(qū)域和研究目標(biāo)體系中蓋度也會(huì)存在顯著的差異性，如王萬(wàn)忠[2]等在USLE水土流失預(yù)測(cè)模型中以不同土地利用類(lèi)型或植被類(lèi)型為依據(jù)對(duì)植被蓋度進(jìn)行賦值；王晗生[3]等利用植被防治水土流失的作用原理提出貼近地表層的植被能夠較好防治水土流失，并以此界定了貼地表蓋度的基本內(nèi)涵；另外，NDVI、綠度指數(shù)等是利用遙感技術(shù)影像對(duì)植被因子蓋度進(jìn)行提取的參數(shù)指標(biāo)[4]。然而，植被蓋度的本質(zhì)內(nèi)涵并不隨表征方法的改變而改變，其本質(zhì)仍以植被投影蓋度為依據(jù)，僅僅是對(duì)于不同的領(lǐng)域蓋度的針對(duì)性有所差異[5]。當(dāng)前，對(duì)于植被蓋度的研究成果雖然為水土流失預(yù)測(cè)分析或植被恢復(fù)重建等提供了良好的決策依據(jù)和理論支持，但在實(shí)際工程應(yīng)用中仍存在較多的問(wèn)題，如在紅壤區(qū)出現(xiàn)較高植被蓋度但土壤侵蝕、水土流失嚴(yán)重的現(xiàn)象，并由此說(shuō)明了水保效益與植被蓋度并不存在相關(guān)性關(guān)系，其原因可能是未考慮植被群落層次結(jié)構(gòu)對(duì)投影蓋度的作用影響[6]。據(jù)此該研究結(jié)合植被因子研究現(xiàn)狀并利用植被防治水土流失的作用原理，對(duì)大凌河流域主要植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)構(gòu)建植被因子指數(shù)模型揭示了植物群落對(duì)治理水土流失的真實(shí)作用，以期為構(gòu)建理想的植被群落與水土流失關(guān)系進(jìn)行精準(zhǔn)、合理的預(yù)測(cè)提供決策依據(jù)和理論支持[7-11]。

1 研究區(qū)域概況

大凌河流域位于我國(guó)遼寧省西部，河流泥沙含量較大，受降雨量和人類(lèi)活動(dòng)影響較為顯著[12]，泥沙含量約為57kg/m3。流域大小支干縱橫切割交錯(cuò)，地表形態(tài)破碎，全長(zhǎng)約398km，所占面積約為2.35萬(wàn)km2。大凌河流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，資料顯示9月和10月是該流域的降雨旺季，年降水量約為450～600mm，降雨時(shí)間分布不均勻，徑流量約為16.67億m3，屬于典型的低山丘陵溝壑區(qū)；流域內(nèi)共有81科562種植物，植被空間分布由南至北依次為油松、遼東櫟、針葉闊葉混交林、檸條、草原過(guò)渡帶等。土質(zhì)疏松、質(zhì)地均勻且物理性能較差，抗風(fēng)力和水力侵蝕性能低，徑流模數(shù)為35281m3/km2，水土流失嚴(yán)重流失面積占總面積的60%以上，屬于我國(guó)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)域[13]。

2 研究方法

2.1 結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)

水土流失治理的關(guān)鍵性技術(shù)為植被的恢復(fù)重建措施，植被因子作為水保效益評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)水土流失的重要指標(biāo)發(fā)揮著決定性作用[14]。然而，植被因子作為蓋度進(jìn)行研究分析時(shí)植被蓋度受植被結(jié)構(gòu)的作用影響不能進(jìn)行客觀、全面的表征，進(jìn)而不能很好地反映并揭示在植被蓋度相同而植被結(jié)構(gòu)層次不同所引起的水土保持作用存在較大差異的機(jī)理，僅僅依靠投影蓋度并不能揭示植物群落結(jié)構(gòu)差異所引起的水土流失治理效果的差異[15]。據(jù)此，文章依據(jù)植被不同垂直層次以及垂直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)揭示了其水土保持作用的差異，并據(jù)此給出了結(jié)構(gòu)化植被因子內(nèi)涵，其形式如下：

(1)

式中，ai—不同植被層的水土保持作用系數(shù)；Ci—各植被層的實(shí)際蓋度；i—喬木冠層、灌草層、草被層、枯枝落葉層以及生物結(jié)皮層。

為充分表征植被結(jié)構(gòu)層的水土保持功效，生物結(jié)皮層和枯枝落葉層的水土保持功能受厚度影響程度高于蓋度，所以不僅要考慮枯枝落葉層厚度作用而且要考慮植被蓋度作用。

2.2 數(shù)據(jù)采集

對(duì)于不同植被層次的蓋度利用數(shù)字?jǐn)z影與樣本調(diào)查相結(jié)合的方法進(jìn)行取樣，對(duì)于喬木樣地、灌木層、枯枝落葉層、草本植被層分別采取10m×10m、5m×5m、1m×1m樣方。喬木樣方內(nèi)植株相對(duì)位置利用記錄紙進(jìn)行記錄，并對(duì)其冠幅進(jìn)行測(cè)定；對(duì)植株的冠層投影覆蓋度利用數(shù)碼相機(jī)從上向下拍照記錄植株冠層覆蓋度進(jìn)行測(cè)定。采用魚(yú)眼鏡頭對(duì)高度大于50cm的灌木進(jìn)行拍攝，在對(duì)照片蓋度提取之前需對(duì)灌木記錄的照片進(jìn)行正拍攝糾正；對(duì)于高度小于50的灌木其測(cè)定方向與草被層相同。采用垂直于地面拍攝記錄法對(duì)枯枝落葉層、草本植被層的厚度進(jìn)行記錄，可忽略照片中心投影對(duì)草被層和喬木層照片蓋度的誤差影響，該研究對(duì)群落的傳統(tǒng)蓋度同時(shí)采用網(wǎng)格法進(jìn)行測(cè)定，以便利用對(duì)比分析。

不同植被層次對(duì)水保作用系數(shù)的影響可利用徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，文章以大凌河流域油松、山楊林為研究對(duì)象，參考吳欽孝等對(duì)不同處理徑流小區(qū)在松林、山楊林植被群落的測(cè)定結(jié)果對(duì)不同植被層次水保作用系數(shù)進(jìn)行率定。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

不同植被層的蓋度計(jì)算過(guò)程和方法存在較大差異，對(duì)于灌木層和喬木層可利用NEVI圖像處理軟件對(duì)影響信息進(jìn)行分類(lèi)，并利用分類(lèi)處理后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可對(duì)植被像元在數(shù)碼照片上的比例進(jìn)行計(jì)算，喬、灌層的實(shí)際蓋度可采用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(3)

直接用照片解譯的蓋度表示草本群落的蓋度；枯枝落葉層的厚度是影響其水土保持作用的關(guān)鍵性因素，其厚度對(duì)水土保持效益作用程度明顯大于蓋度的作用?？紤]到枯枝落葉層的生態(tài)水文在不同植被類(lèi)型作用下存在一定差異，文章結(jié)合相關(guān)研究成果在算求枯枝落葉層蓋度時(shí)首先確定了在保證能夠較好地防治水土流失所需要的各枯落物最小厚度即理想厚度，其蓋度計(jì)算公式如下：

(4)

結(jié)合吳欽孝等研究成果確定山楊林和油松林的理想厚度為3cm，若理想厚度小于林下枯枝落葉層的平均厚度時(shí)，其蓋度為100%。

各植被覆蓋層的水土保持作用系數(shù)以及蓋度計(jì)算結(jié)果是計(jì)算結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)的前提和必要條件，據(jù)此，文章還需要對(duì)各覆蓋層的水保作用系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。首先，通過(guò)野外對(duì)土壤侵蝕狀況的實(shí)地調(diào)查并結(jié)合大量徑流小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)資料確定各個(gè)植被層次的相對(duì)作用系數(shù)，然后利用吳欽孝等有關(guān)植被觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析了4種不同處理?xiàng)l件下即林地去枯枝落葉層、上層林木、原狀油松林及采伐后開(kāi)墾為農(nóng)地的油松林產(chǎn)流狀況，最后利用不同處理?xiàng)l件下的植被蓋度計(jì)算結(jié)果求得各蓋度的相對(duì)作用系數(shù)，并利用樣方群落蓋度實(shí)測(cè)結(jié)果可對(duì)結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)Cs進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 投影蓋度分析

投影蓋度隨植物群落的垂直結(jié)構(gòu)不同存在顯著差異，該研究中對(duì)各群落結(jié)構(gòu)不同層次的覆蓋度分別采用公式(2)和(3)進(jìn)行求解，對(duì)草被群落和喬灌群落的蓋度分別采用傳統(tǒng)的網(wǎng)格法和目估法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

由表1計(jì)算結(jié)果可知，灌木層很少出現(xiàn)在油松與刺槐群落中，群落垂直結(jié)構(gòu)的主要組成部分為草被層和喬木林冠層；而對(duì)于闊葉喬木林群落的主要組成部分為草被層、林冠層、闊葉和灌木層；植被群落蓋度的關(guān)鍵性組成部分為喬木層，喬木層覆蓋度直接影響到草被層和灌木的覆蓋度，喬木層蓋度越小則下部的草被或灌木層的蓋度越高；而其他的植被群落中，灌木層對(duì)下部的草被層蓋度影響較為顯著，二者表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，即灌木層蓋度越大則草被層蓋度越小。綜上，草被層蓋度不僅受到灌木林作用的影響，而且喬木林也會(huì)對(duì)其造成影響，草被群落蓋度通常很難達(dá)到灌木林或喬木林下方蓋度最大值。由此可知，灌木層和喬木林冠層蓋度值構(gòu)成植被群落蓋度的關(guān)鍵性因素，而傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)蓋度取決于植被群落結(jié)構(gòu)中蓋度較高的那層是群落的總蓋度。通常情況下，植被結(jié)構(gòu)中覆蓋度較高層的照片投影蓋度往往會(huì)低于群落蓋度，然而二者并未存在必然的關(guān)聯(lián)性，不能直接進(jìn)行大小比較。據(jù)此，文章針對(duì)結(jié)構(gòu)中各層次結(jié)構(gòu)的蓋度的差異充分考慮了植被結(jié)構(gòu)中重疊部分蓋度信息對(duì)水土流失防治作用，該方法能夠更加準(zhǔn)確、可靠地反映植被結(jié)構(gòu)層次的水土保持作用。

表1 植被群落的生態(tài)學(xué)蓋度計(jì)算結(jié)果 單位：%

3.2 水土保持作用系數(shù)分析

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)油松林的實(shí)際蓋度分布狀況描述，原狀山楊林和油松林的郁閉度均為0.6，枯枝落葉層厚度和林下灌草蓋度分別為2～3cm和30%。由于草被層與矮小灌木較難分開(kāi)，故該研究采用草本層代表林下灌木與草被層?？葜﹂熑~林和原狀油松林的減流率利用植被層徑流現(xiàn)狀進(jìn)行計(jì)算，分別為58.26%和87.57%，而冠層減流率可采用上層林木初期徑流觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算為1.68%，同理可求得其他各層次減流占比。植被結(jié)構(gòu)層中各層次蓋度的權(quán)重應(yīng)結(jié)合群落具體覆蓋狀況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 植被群落結(jié)構(gòu)化植被因子權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果

油松林和山楊林的結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)可分別采用下式進(jìn)行表述：

Cs=0.0160x1+0.605x3+0.386x4

(5)

Cs=0.0604x1+0.827x3+0.115x4

(6)

3.3 植被因子指數(shù)分析

根據(jù)不同層次的植物蓋度值和作用系數(shù)計(jì)算結(jié)果，并利用文中所述公式(5)和(6)可進(jìn)行大凌河流域山楊林和油松林結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

由表3計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析油松林1和2可知，二者的傳統(tǒng)群落蓋度計(jì)算結(jié)果相差不大，而結(jié)構(gòu)化因子指數(shù)確存在顯著差異，其原因可能是枯枝落葉層覆蓋狀況的不同而引起的計(jì)算結(jié)果的差異；對(duì)比分析油松林3，4，5和1，2，6因子指數(shù)可知，油松群落結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)與油松林草被覆蓋度密切相關(guān)，草被覆蓋度是影響Cs的關(guān)鍵性因素，其原因?yàn)椴荼粚用黠@大于枯枝落葉從和林冠層的作用系數(shù)；假定山楊1和油松7群落的蓋度相同，但二者的Cs計(jì)算結(jié)果存在較大差異，其原因?yàn)樯綏詈陀退扇郝涓鹘Y(jié)構(gòu)層次的水保性能存在一定的差異。山楊3因具有較高的植被蓋度，故其Cs值明顯大于山楊群落4。對(duì)比分析山楊3，5和2，4可知，植被群落垂直層次間的合理搭配是獲取理想Cs并提高植被群落水土保持效益的關(guān)鍵。采用一維的生態(tài)學(xué)蓋度對(duì)植被水土流失作用進(jìn)行描述是片面的、不充分的，植被群落各垂直結(jié)構(gòu)層次均可對(duì)水土流失治理發(fā)揮效用，而各層之間效用大小、作用機(jī)理不同，不可采用綜合蓋度進(jìn)行替代。Cs作為理想植被可避免傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)蓋度的不足和缺陷，可對(duì)植被蓋度各垂直層次的水土保持作用進(jìn)行綜合的表征，其分析結(jié)果更加精準(zhǔn)、可靠，具有較好的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)采用一維的生態(tài)學(xué)蓋度對(duì)植被水土流失作用進(jìn)行描述是片面的、不充分的，植被群落各垂直結(jié)構(gòu)層次均可對(duì)水土流失治理發(fā)揮效用，而各層之間效用大小、作用機(jī)理不同，不可采用綜合蓋度進(jìn)行替代。

(2)Cs作為理想植被可避免傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)蓋度的不足和缺陷，可對(duì)植被蓋度各垂直層次的水土保持作用進(jìn)行綜合的表征，其分析結(jié)果更加精準(zhǔn)、可靠，具有較好的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

(3)進(jìn)一步建立結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)與植被保水保土作用的關(guān)系，并將其應(yīng)用于土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型與植被抗侵蝕功能快速評(píng)價(jià)中，是研究的最終目的。研究所構(gòu)建的模型只是對(duì)植被結(jié)構(gòu)各層次的綜合作用的初步探討和考慮，對(duì)層次結(jié)構(gòu)僅僅是簡(jiǎn)單的疊加，而對(duì)各層次之間的耦合作用對(duì)水土流失控制的作用影響還有待更深一步的探討研究。