植被结构指标在南方红壤丘陵区水土保持功能研究中的应用

孙佳佳，王志刚，张平仓，潘晓颖

(长江科学院水土保持研究所，武汉 430010)

1 我国水土流失现状

水土流失是各种生态问题的集中反映，又是导致生态进一步恶化以及贫困加剧的根源。中国水土流失历史久、面积广、程度烈、危害深，举世罕见［1－4］，是我国社会经济持续稳定发展的主要限制因素之一，被称为我国的“头号”环境问题［5］。据环保部发布的《2011年中国环境状况公报》及水利部的《2009年全国水土保持公报》，中国水土流失面积356.92万 km2，占国土总面积的37.2%。目前，对水土流失的控制有许多措施，其中生物措施尤其植被利用更是人们关注的焦点。经过多年的治理，我国人工林面积已接近世界的1/3，居世界首位，而与之相对的是我国现有水土流失面积仍为356.92万km2，与多年前水土流失面积相接近。南方红壤丘陵区是仅次于黄土高原的严重水土流失区域［6－7］，本区森林覆盖率已达50%以上，有的甚至超过70%，但以先锋树种马尾松林为主，其林下土壤裸露程度高，仍会发生中度、甚至强度以上的水土流失，这些人工林难以发挥森林保护水土的作用，林下水土流失问题突出［8－9］。

林下水土流失现象的存在，使得不仅要考虑林地数量，更需重视林地质量。因此，选取恰植被水土保持效益评价精度，具有重要理论与现实意义。然而，我国传统的植被水土保持功能评价，主要以单一指标——植被覆盖度(森林为森林覆盖率)为主［10］。许多研究工作表明，仅以植被覆盖度为评价指标，并不能完全反映各种植被状况的水土保持功能性差异［11－12］。因此，开展植被结构指标在水土保持功能中的应用研究，对水土流失的监测、侵蚀土壤的植被恢复评价、水土保持规划管理和学科发展，具有重要的理论和现实意义。

2 植被结构与水土保持功能效应

植被结构包括水平结构和垂直结构，植被“垂直结构”是指森林立地中的植被结构随高度的变化特征，是影响土壤侵蚀的重要因素［13－14］。周跃［15］等研究了长江上游虎跳峡地区人工云南松林控制土壤侵蚀的作用，该人工云南松纯林只有单层结构，林下植被稀疏，无枯枝落叶层(当地居民采集)，与裸地相比，能降低土壤溅蚀量19.7%，减少土壤侵蚀总量43.19%，但对地表径流无明显作用。邓南荣［16］等在广东省兴宁市石马河小流域(花岗岩区)的研究亦表明，缺乏草本层的乔木林径流量远大于乔灌草混交的森林植被。因此，对水土保持而言，起关键作用的是植物群落的覆盖度。植物群落覆盖度的增加会拦截降雨，降低降雨能量，进而减小降雨侵蚀力。如Casermeiro［17］等人在西班牙马德里对29个自然小区进行了模拟降雨观测，结果表明植被覆盖度虽是主要的减流减蚀因子，然而植被的垂直结构也很重要，尤其具有分层结构的植被群落比单层植被更能保护土壤，减轻水蚀程度。王佑民［18］等对覆盖有苔藓层的较稀密度的马尾松林进行研究时发现，只要保持苔藓层不受扰动，就可以达到较好的减缓地表径流流速的效果。李勇［19］等研究草本植物根系密度、根量及土壤抗冲性的剖面特征时，对不同土层深度根系的减沙效应及提高土壤抗冲性的有效范围进行了分析，结果表明，草类根系可明显提高表层土壤抗冲性。

综上所述，植被结构是影响土壤侵蚀的重要因素，植被各层次是相互联系的统一整体，统一且健康的垂直体系植被更有利于水土保持功能的发挥。因此对水土保持而言，应强调地表覆盖度的提高和合理的植被层次结构。然而从上述已有的研究可以看出，植被结构与水土保持功能效应的研究基本上属于定性的描述，缺乏定量的表示。

3 植被结构指标与评价

南方红壤丘陵区8省(安徽、福建、浙江、江西、湖北、湖南、广东、海南)的森林平均覆盖率超过40%，其中福建、江西还以60%多的森林覆盖率位居全国一、二位，远高于全国平均水平，而该区水土流失状况仍很严重。据测算，由于人为影响，南方8省每年新增水土流失面积总计达2 256 km2［8］。森林面积大并不代表森林质量好，生态功能强。所以，在我国南方，森林覆盖率高的地区并不意味着水土流失就得到控制［8］。随着植被水土保持机理研究的深入，许多学者［20－22］提出了多种综合性的评价指标体系，这些指标体系较全面地反映了植被特性，如植被类型、植物种类组成［23－24］、植被冠层［25］、植物根系密度与根量［26－27］等，但其测量往往较为繁琐，推广使用方面也受到限制。

相比之下，叶面积指数不仅反映了植被的分布密度和生物量信息，且具有测量简易、便于应用的优点。叶面积指数被定义为地表单位面积上总绿叶面积的一半［28］，对阔叶林而言是单侧叶面积，而针叶林则根据叶或小枝的形态用转换系数校正［29］。有研究结果表明，植被叶面积指数与土壤侵蚀量亦有很好的相关性［30］。该指标突破了覆盖率等二维指标的局限性，可以更加准确地反映植被空间构成的合理性和生态效益水平［31－33］。叶面积指数所描述的植被结构包含着植被的覆盖信息。在叶面积指数处于0～20之间时它与植被覆盖度有几乎正比的关系，即随着叶面积指数的增大，植被覆盖度几乎正比增大。当叶面积指数达到一定数量后，叶面积指数再增大，就体现了植被在垂直层次方面的信息——成层现象，即植被的地上垂直层次越复杂植被的叶面积指数越大［34］。王希群［35］对北京地区油松、侧柏人工林的研究发现，使用叶面积指数测量较合适，它可以作为林分质量调控的重要依据。叶面积指数具有明显的区域化变量特征和较好的空间结构性，可用区域化变量理论进行分析研究［36］。

植被指标的地表实测主要在局部区域进行，而更大空间范围的植被结构评价则需要使用遥感技术，它是利用遥感数据进行波段线性和非线性组合形成各种植被指数。植被指数是对地表植被状况的简单、有效和经验的量度［37］，目前已经定义了40多种植被指数，其中，NDVI因其可消除大部分仪器定标、太阳角、地形、云阴影和大气条件有关辐照度的变化，增强了对植被的响应能力，成为使用最广泛［38－39］、效果也较好的一种，也是地表植被覆盖特征宏观检测的重要指标之一［40］。NDVI的含义是［41］:NDVI=(NIR － R)/(NIR+R)，其中 NIR 代表近红外波段，R代表红光波段。Wittich和Hansing的研究成果肯定了NDVI对植被覆盖度的指示作用［42］。NDVI可以指示植物生长状况及植被的空间密度，与植被覆盖度、叶面积指数等密切相关［43］。骆知萌［44］等对江西兴国遥感影像及野外实测叶面积指数的关系研究发现，对于针叶林及林种较单一的地区，NDVI等植被指数与叶面积指数相关性较好，反演的精度也较高。叶面积指数等相对简易的植被指标的发展，有助于推动基于水土保持功能的植被恢复度的研究从定性描述向定量计算的发展。

4 植被水土保持效应评价

植被和降雨的共同作用使流域产沙量随降雨变化出现临界现象［45］，因而亦产生有关临界植被覆盖度的概念，而不同研究的临界植被覆盖度差异较大，多在40% ～60%［46］。余坤勇［47］等研究了福建省富屯溪流域及所属7个县市的现有森林覆盖状况与水土侵蚀状况的关系，确定出基于防止土壤侵蚀为目标的富屯溪流域森林覆盖率为65.5%。

在大区域调查评价植被水土保持效应方面，Rompaey［48］等人引入了 SEDEM 模型(SEdiment DE-livery Mode1)，在RUSLE土壤侵蚀预报模型的基础上加入了泥沙输移的模拟，以模拟不同植被覆盖格局的水土流失效应。Fu和 McCool［49］等将 RUSLE、SEDD(SEdiment Delivery Distributed)和GIS相结合，用于模拟并评价不同植被覆盖情景下的水土流失效应。在我国，在植被水土保持效应方面的研究多以实地调查等的定性评价为主，并已取得研究成果［50－51］;在定量评价研究方面主要基于植被覆盖度等，未能全面描述植被的垂直信息［52］。另外，利用遥感影像大范围分析植被状况的结果，缺少地面观测数据作为依据［53］。因而关于植被水土保持效应的研究有待于进一步的进行。

5 结语

基于以上分析，我国针对植被水土保持效应的评价主要强调林冠覆盖，未能反映林地的垂直层次结构。而植被结构与水土保持功能效应方面的研究，多属于定性描述，缺乏定量表示。南方红壤丘陵区总面积203万km2，占全国土地总面积的21%，是南方面积最大、水土流失最严重的区域，其局部地区曾出现红色沙漠。经过20多年的努力，该区域水土流失程度已逐步减轻，但是作为先锋树种且分布广泛的马尾松林，其林下存在着不同程度的水土流失。

由于存在林下水土流失问题，使得正确评价植被的水土保持功能成为水土保持管理及学科发展的需要。因此，选择适宜的植被指标，以小区试验为依托，并以区域的遥感数据分析为平台，建立科学的基于水土保持功能的植被恢复度评价体系，以求正确的评估区域植被恢复状况，成为今后研究的方向。

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