植被結(jié)構(gòu)指標(biāo)在南方紅壤丘陵區(qū)水土保持功能研究中的應(yīng)用

孫佳佳，王志剛，張平倉(cāng)，潘曉穎

(長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010)

1 我國(guó)水土流失現(xiàn)狀

水土流失是各種生態(tài)問題的集中反映，又是導(dǎo)致生態(tài)進(jìn)一步惡化以及貧困加劇的根源。中國(guó)水土流失歷史久、面積廣、程度烈、危害深，舉世罕見［1－4］，是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的主要限制因素之一，被稱為我國(guó)的“頭號(hào)”環(huán)境問題［5］。據(jù)環(huán)保部發(fā)布的《2011年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》及水利部的《2009年全國(guó)水土保持公報(bào)》，中國(guó)水土流失面積356.92萬 km2，占國(guó)土總面積的37.2%。目前，對(duì)水土流失的控制有許多措施，其中生物措施尤其植被利用更是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。經(jīng)過多年的治理，我國(guó)人工林面積已接近世界的1/3，居世界首位，而與之相對(duì)的是我國(guó)現(xiàn)有水土流失面積仍為356.92萬km2，與多年前水土流失面積相接近。南方紅壤丘陵區(qū)是僅次于黃土高原的嚴(yán)重水土流失區(qū)域［6－7］，本區(qū)森林覆蓋率已達(dá)50%以上，有的甚至超過70%，但以先鋒樹種馬尾松林為主，其林下土壤裸露程度高，仍會(huì)發(fā)生中度、甚至強(qiáng)度以上的水土流失，這些人工林難以發(fā)揮森林保護(hù)水土的作用，林下水土流失問題突出［8－9］。

林下水土流失現(xiàn)象的存在，使得不僅要考慮林地?cái)?shù)量，更需重視林地質(zhì)量。因此，選取恰植被水土保持效益評(píng)價(jià)精度，具有重要理論與現(xiàn)實(shí)意義。然而，我國(guó)傳統(tǒng)的植被水土保持功能評(píng)價(jià)，主要以單一指標(biāo)——植被覆蓋度(森林為森林覆蓋率)為主［10］。許多研究工作表明，僅以植被覆蓋度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并不能完全反映各種植被狀況的水土保持功能性差異［11－12］。因此，開展植被結(jié)構(gòu)指標(biāo)在水土保持功能中的應(yīng)用研究，對(duì)水土流失的監(jiān)測(cè)、侵蝕土壤的植被恢復(fù)評(píng)價(jià)、水土保持規(guī)劃管理和學(xué)科發(fā)展，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 植被結(jié)構(gòu)與水土保持功能效應(yīng)

植被結(jié)構(gòu)包括水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)，植被“垂直結(jié)構(gòu)”是指森林立地中的植被結(jié)構(gòu)隨高度的變化特征，是影響土壤侵蝕的重要因素［13－14］。周躍［15］等研究了長(zhǎng)江上游虎跳峽地區(qū)人工云南松林控制土壤侵蝕的作用，該人工云南松純林只有單層結(jié)構(gòu)，林下植被稀疏，無枯枝落葉層(當(dāng)?shù)鼐用癫杉?，與裸地相比，能降低土壤濺蝕量19.7%，減少土壤侵蝕總量43.19%，但對(duì)地表徑流無明顯作用。鄧南榮［16］等在廣東省興寧市石馬河小流域(花崗巖區(qū))的研究亦表明，缺乏草本層的喬木林徑流量遠(yuǎn)大于喬灌草混交的森林植被。因此，對(duì)水土保持而言，起關(guān)鍵作用的是植物群落的覆蓋度。植物群落覆蓋度的增加會(huì)攔截降雨，降低降雨能量，進(jìn)而減小降雨侵蝕力。如Casermeiro［17］等人在西班牙馬德里對(duì)29個(gè)自然小區(qū)進(jìn)行了模擬降雨觀測(cè)，結(jié)果表明植被覆蓋度雖是主要的減流減蝕因子，然而植被的垂直結(jié)構(gòu)也很重要，尤其具有分層結(jié)構(gòu)的植被群落比單層植被更能保護(hù)土壤，減輕水蝕程度。王佑民［18］等對(duì)覆蓋有苔蘚層的較稀密度的馬尾松林進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，只要保持苔蘚層不受擾動(dòng)，就可以達(dá)到較好的減緩地表徑流流速的效果。李勇［19］等研究草本植物根系密度、根量及土壤抗沖性的剖面特征時(shí)，對(duì)不同土層深度根系的減沙效應(yīng)及提高土壤抗沖性的有效范圍進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，草類根系可明顯提高表層土壤抗沖性。

綜上所述，植被結(jié)構(gòu)是影響土壤侵蝕的重要因素，植被各層次是相互聯(lián)系的統(tǒng)一整體，統(tǒng)一且健康的垂直體系植被更有利于水土保持功能的發(fā)揮。因此對(duì)水土保持而言，應(yīng)強(qiáng)調(diào)地表覆蓋度的提高和合理的植被層次結(jié)構(gòu)。然而從上述已有的研究可以看出，植被結(jié)構(gòu)與水土保持功能效應(yīng)的研究基本上屬于定性的描述，缺乏定量的表示。

3 植被結(jié)構(gòu)指標(biāo)與評(píng)價(jià)

南方紅壤丘陵區(qū)8省(安徽、福建、浙江、江西、湖北、湖南、廣東、海南)的森林平均覆蓋率超過40%，其中福建、江西還以60%多的森林覆蓋率位居全國(guó)一、二位，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平，而該區(qū)水土流失狀況仍很嚴(yán)重。據(jù)測(cè)算，由于人為影響，南方8省每年新增水土流失面積總計(jì)達(dá)2 256 km2［8］。森林面積大并不代表森林質(zhì)量好，生態(tài)功能強(qiáng)。所以，在我國(guó)南方，森林覆蓋率高的地區(qū)并不意味著水土流失就得到控制［8］。隨著植被水土保持機(jī)理研究的深入，許多學(xué)者［20－22］提出了多種綜合性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，這些指標(biāo)體系較全面地反映了植被特性，如植被類型、植物種類組成［23－24］、植被冠層［25］、植物根系密度與根量［26－27］等，但其測(cè)量往往較為繁瑣，推廣使用方面也受到限制。

相比之下，葉面積指數(shù)不僅反映了植被的分布密度和生物量信息，且具有測(cè)量簡(jiǎn)易、便于應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。葉面積指數(shù)被定義為地表單位面積上總綠葉面積的一半［28］，對(duì)闊葉林而言是單側(cè)葉面積，而針葉林則根據(jù)葉或小枝的形態(tài)用轉(zhuǎn)換系數(shù)校正［29］。有研究結(jié)果表明，植被葉面積指數(shù)與土壤侵蝕量亦有很好的相關(guān)性［30］。該指標(biāo)突破了覆蓋率等二維指標(biāo)的局限性，可以更加準(zhǔn)確地反映植被空間構(gòu)成的合理性和生態(tài)效益水平［31－33］。葉面積指數(shù)所描述的植被結(jié)構(gòu)包含著植被的覆蓋信息。在葉面積指數(shù)處于0～20之間時(shí)它與植被覆蓋度有幾乎正比的關(guān)系，即隨著葉面積指數(shù)的增大，植被覆蓋度幾乎正比增大。當(dāng)葉面積指數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，葉面積指數(shù)再增大，就體現(xiàn)了植被在垂直層次方面的信息——成層現(xiàn)象，即植被的地上垂直層次越復(fù)雜植被的葉面積指數(shù)越大［34］。王希群［35］對(duì)北京地區(qū)油松、側(cè)柏人工林的研究發(fā)現(xiàn)，使用葉面積指數(shù)測(cè)量較合適，它可以作為林分質(zhì)量調(diào)控的重要依據(jù)。葉面積指數(shù)具有明顯的區(qū)域化變量特征和較好的空間結(jié)構(gòu)性，可用區(qū)域化變量理論進(jìn)行分析研究［36］。

植被指標(biāo)的地表實(shí)測(cè)主要在局部區(qū)域進(jìn)行，而更大空間范圍的植被結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)則需要使用遙感技術(shù)，它是利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行波段線性和非線性組合形成各種植被指數(shù)。植被指數(shù)是對(duì)地表植被狀況的簡(jiǎn)單、有效和經(jīng)驗(yàn)的量度［37］，目前已經(jīng)定義了40多種植被指數(shù)，其中，NDVI因其可消除大部分儀器定標(biāo)、太陽角、地形、云陰影和大氣條件有關(guān)輻照度的變化，增強(qiáng)了對(duì)植被的響應(yīng)能力，成為使用最廣泛［38－39］、效果也較好的一種，也是地表植被覆蓋特征宏觀檢測(cè)的重要指標(biāo)之一［40］。NDVI的含義是［41］:NDVI=(NIR － R)/(NIR+R)，其中 NIR 代表近紅外波段，R代表紅光波段。Wittich和Hansing的研究成果肯定了NDVI對(duì)植被覆蓋度的指示作用［42］。NDVI可以指示植物生長(zhǎng)狀況及植被的空間密度，與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)等密切相關(guān)［43］。駱知萌［44］等對(duì)江西興國(guó)遙感影像及野外實(shí)測(cè)葉面積指數(shù)的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于針葉林及林種較單一的地區(qū)，NDVI等植被指數(shù)與葉面積指數(shù)相關(guān)性較好，反演的精度也較高。葉面積指數(shù)等相對(duì)簡(jiǎn)易的植被指標(biāo)的發(fā)展，有助于推動(dòng)基于水土保持功能的植被恢復(fù)度的研究從定性描述向定量計(jì)算的發(fā)展。

4 植被水土保持效應(yīng)評(píng)價(jià)

植被和降雨的共同作用使流域產(chǎn)沙量隨降雨變化出現(xiàn)臨界現(xiàn)象［45］，因而亦產(chǎn)生有關(guān)臨界植被覆蓋度的概念，而不同研究的臨界植被覆蓋度差異較大，多在40% ～60%［46］。余坤勇［47］等研究了福建省富屯溪流域及所屬7個(gè)縣市的現(xiàn)有森林覆蓋狀況與水土侵蝕狀況的關(guān)系，確定出基于防止土壤侵蝕為目標(biāo)的富屯溪流域森林覆蓋率為65.5%。

在大區(qū)域調(diào)查評(píng)價(jià)植被水土保持效應(yīng)方面，Rompaey［48］等人引入了 SEDEM 模型(SEdiment DE-livery Mode1)，在RUSLE土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)上加入了泥沙輸移的模擬，以模擬不同植被覆蓋格局的水土流失效應(yīng)。Fu和 McCool［49］等將 RUSLE、SEDD(SEdiment Delivery Distributed)和GIS相結(jié)合，用于模擬并評(píng)價(jià)不同植被覆蓋情景下的水土流失效應(yīng)。在我國(guó)，在植被水土保持效應(yīng)方面的研究多以實(shí)地調(diào)查等的定性評(píng)價(jià)為主，并已取得研究成果［50－51］;在定量評(píng)價(jià)研究方面主要基于植被覆蓋度等，未能全面描述植被的垂直信息［52］。另外，利用遙感影像大范圍分析植被狀況的結(jié)果，缺少地面觀測(cè)數(shù)據(jù)作為依據(jù)［53］。因而關(guān)于植被水土保持效應(yīng)的研究有待于進(jìn)一步的進(jìn)行。

5 結(jié)語

基于以上分析，我國(guó)針對(duì)植被水土保持效應(yīng)的評(píng)價(jià)主要強(qiáng)調(diào)林冠覆蓋，未能反映林地的垂直層次結(jié)構(gòu)。而植被結(jié)構(gòu)與水土保持功能效應(yīng)方面的研究，多屬于定性描述，缺乏定量表示。南方紅壤丘陵區(qū)總面積203萬km2，占全國(guó)土地總面積的21%，是南方面積最大、水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域，其局部地區(qū)曾出現(xiàn)紅色沙漠。經(jīng)過20多年的努力，該區(qū)域水土流失程度已逐步減輕，但是作為先鋒樹種且分布廣泛的馬尾松林，其林下存在著不同程度的水土流失。

由于存在林下水土流失問題，使得正確評(píng)價(jià)植被的水土保持功能成為水土保持管理及學(xué)科發(fā)展的需要。因此，選擇適宜的植被指標(biāo)，以小區(qū)試驗(yàn)為依托，并以區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)分析為平臺(tái)，建立科學(xué)的基于水土保持功能的植被恢復(fù)度評(píng)價(jià)體系，以求正確的評(píng)估區(qū)域植被恢復(fù)狀況，成為今后研究的方向。

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