基于植物群落结构的水土流失植被因子指数研究

刘 金

(朝阳县水土保持局，辽宁 朝阳 122000)

植物群落是预测水土流失的关键性指标，直接影响着水土流失的预测精度，常用的水土流失预测模型如WEPP、USLE、RUSLE模型均是以植被覆盖因子作为重要参数进行预测分析，然而对于植被因子的研究分析往往采用植被盖度指标进行表征[1]。植被盖度的内涵不仅仅是生态学理论的投影盖度，在不同研究区域和研究目标体系中盖度也会存在显著的差异性，如王万忠[2]等在USLE水土流失预测模型中以不同土地利用类型或植被类型为依据对植被盖度进行赋值；王晗生[3]等利用植被防治水土流失的作用原理提出贴近地表层的植被能够较好防治水土流失，并以此界定了贴地表盖度的基本内涵；另外，NDVI、绿度指数等是利用遥感技术影像对植被因子盖度进行提取的参数指标[4]。然而，植被盖度的本质内涵并不随表征方法的改变而改变，其本质仍以植被投影盖度为依据，仅仅是对于不同的领域盖度的针对性有所差异[5]。当前，对于植被盖度的研究成果虽然为水土流失预测分析或植被恢复重建等提供了良好的决策依据和理论支持，但在实际工程应用中仍存在较多的问题，如在红壤区出现较高植被盖度但土壤侵蚀、水土流失严重的现象，并由此说明了水保效益与植被盖度并不存在相关性关系，其原因可能是未考虑植被群落层次结构对投影盖度的作用影响[6]。据此该研究结合植被因子研究现状并利用植被防治水土流失的作用原理，对大凌河流域主要植物群落结构进行分析，通过构建植被因子指数模型揭示了植物群落对治理水土流失的真实作用，以期为构建理想的植被群落与水土流失关系进行精准、合理的预测提供决策依据和理论支持[7-11]。

1 研究区域概况

大凌河流域位于我国辽宁省西部，河流泥沙含量较大，受降雨量和人类活动影响较为显著[12]，泥沙含量约为57kg/m3。流域大小支干纵横切割交错，地表形态破碎，全长约398km，所占面积约为2.35万km2。大凌河流域属于温带季风气候，四季分明，日照丰富、温差大，资料显示9月和10月是该流域的降雨旺季，年降水量约为450～600mm，降雨时间分布不均匀，径流量约为16.67亿m3，属于典型的低山丘陵沟壑区；流域内共有81科562种植物，植被空间分布由南至北依次为油松、辽东栎、针叶阔叶混交林、柠条、草原过渡带等。土质疏松、质地均匀且物理性能较差，抗风力和水力侵蚀性能低，径流模数为35281m3/km2，水土流失严重流失面积占总面积的60%以上，属于我国水土流失重点治理区域[13]。

2 研究方法

2.1 结构化植被因子指数

水土流失治理的关键性技术为植被的恢复重建措施，植被因子作为水保效益评价、预测水土流失的重要指标发挥着决定性作用[14]。然而，植被因子作为盖度进行研究分析时植被盖度受植被结构的作用影响不能进行客观、全面的表征，进而不能很好地反映并揭示在植被盖度相同而植被结构层次不同所引起的水土保持作用存在较大差异的机理，仅仅依靠投影盖度并不能揭示植物群落结构差异所引起的水土流失治理效果的差异[15]。据此，文章依据植被不同垂直层次以及垂直结构特点揭示了其水土保持作用的差异，并据此给出了结构化植被因子内涵，其形式如下：

(1)

式中，ai—不同植被层的水土保持作用系数；Ci—各植被层的实际盖度；i—乔木冠层、灌草层、草被层、枯枝落叶层以及生物结皮层。

为充分表征植被结构层的水土保持功效，生物结皮层和枯枝落叶层的水土保持功能受厚度影响程度高于盖度，所以不仅要考虑枯枝落叶层厚度作用而且要考虑植被盖度作用。

2.2 数据采集

对于不同植被层次的盖度利用数字摄影与样本调查相结合的方法进行取样，对于乔木样地、灌木层、枯枝落叶层、草本植被层分别采取10m×10m、5m×5m、1m×1m样方。乔木样方内植株相对位置利用记录纸进行记录，并对其冠幅进行测定；对植株的冠层投影覆盖度利用数码相机从上向下拍照记录植株冠层覆盖度进行测定。采用鱼眼镜头对高度大于50cm的灌木进行拍摄，在对照片盖度提取之前需对灌木记录的照片进行正拍摄纠正；对于高度小于50的灌木其测定方向与草被层相同。采用垂直于地面拍摄记录法对枯枝落叶层、草本植被层的厚度进行记录，可忽略照片中心投影对草被层和乔木层照片盖度的误差影响，该研究对群落的传统盖度同时采用网格法进行测定，以便利用对比分析。

不同植被层次对水保作用系数的影响可利用径流数据进行率定，文章以大凌河流域油松、山杨林为研究对象，参考吴钦孝等对不同处理径流小区在松林、山杨林植被群落的测定结果对不同植被层次水保作用系数进行率定。

2.3 数据处理与分析

不同植被层的盖度计算过程和方法存在较大差异，对于灌木层和乔木层可利用NEVI图像处理软件对影响信息进行分类，并利用分类处理后的统计结果可对植被像元在数码照片上的比例进行计算，乔、灌层的实际盖度可采用下述公式进行计算：

(2)

(3)

直接用照片解译的盖度表示草本群落的盖度；枯枝落叶层的厚度是影响其水土保持作用的关键性因素，其厚度对水土保持效益作用程度明显大于盖度的作用。考虑到枯枝落叶层的生态水文在不同植被类型作用下存在一定差异，文章结合相关研究成果在算求枯枝落叶层盖度时首先确定了在保证能够较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，其盖度计算公式如下：

(4)

结合吴钦孝等研究成果确定山杨林和油松林的理想厚度为3cm，若理想厚度小于林下枯枝落叶层的平均厚度时，其盖度为100%。

各植被覆盖层的水土保持作用系数以及盖度计算结果是计算结构化植被因子指数的前提和必要条件，据此，文章还需要对各覆盖层的水保作用系数进行计算分析。首先，通过野外对土壤侵蚀状况的实地调查并结合大量径流小区观测数据资料确定各个植被层次的相对作用系数，然后利用吴钦孝等有关植被观测数据结果分析了4种不同处理条件下即林地去枯枝落叶层、上层林木、原状油松林及采伐后开垦为农地的油松林产流状况，最后利用不同处理条件下的植被盖度计算结果求得各盖度的相对作用系数，并利用样方群落盖度实测结果可对结构化植被因子指数Cs进行计算。

3 结果与分析

3.1 投影盖度分析

投影盖度随植物群落的垂直结构不同存在显著差异，该研究中对各群落结构不同层次的覆盖度分别采用公式(2)和(3)进行求解，对草被群落和乔灌群落的盖度分别采用传统的网格法和目估法进行测定，结果详见表1。

由表1计算结果可知，灌木层很少出现在油松与刺槐群落中，群落垂直结构的主要组成部分为草被层和乔木林冠层；而对于阔叶乔木林群落的主要组成部分为草被层、林冠层、阔叶和灌木层；植被群落盖度的关键性组成部分为乔木层，乔木层覆盖度直接影响到草被层和灌木的覆盖度，乔木层盖度越小则下部的草被或灌木层的盖度越高；而其他的植被群落中，灌木层对下部的草被层盖度影响较为显著，二者表现出负相关性，即灌木层盖度越大则草被层盖度越小。综上，草被层盖度不仅受到灌木林作用的影响，而且乔木林也会对其造成影响，草被群落盖度通常很难达到灌木林或乔木林下方盖度最大值。由此可知，灌木层和乔木林冠层盖度值构成植被群落盖度的关键性因素，而传统的生态学盖度取决于植被群落结构中盖度较高的那层是群落的总盖度。通常情况下，植被结构中覆盖度较高层的照片投影盖度往往会低于群落盖度，然而二者并未存在必然的关联性，不能直接进行大小比较。据此，文章针对结构中各层次结构的盖度的差异充分考虑了植被结构中重叠部分盖度信息对水土流失防治作用，该方法能够更加准确、可靠地反映植被结构层次的水土保持作用。

表1 植被群落的生态学盖度计算结果 单位：%

3.2 水土保持作用系数分析

结合相关文献资料对油松林的实际盖度分布状况描述，原状山杨林和油松林的郁闭度均为0.6，枯枝落叶层厚度和林下灌草盖度分别为2～3cm和30%。由于草被层与矮小灌木较难分开，故该研究采用草本层代表林下灌木与草被层。枯枝阔叶林和原状油松林的减流率利用植被层径流现状进行计算，分别为58.26%和87.57%，而冠层减流率可采用上层林木初期径流观测结果进行计算为1.68%，同理可求得其他各层次减流占比。植被结构层中各层次盖度的权重应结合群落具体覆盖状况进行计算，结果详见表2。

表2 植被群落结构化植被因子权重系数计算结果

油松林和山杨林的结构化植被因子指数可分别采用下式进行表述：

Cs=0.0160x1+0.605x3+0.386x4

(5)

Cs=0.0604x1+0.827x3+0.115x4

(6)

3.3 植被因子指数分析

根据不同层次的植物盖度值和作用系数计算结果，并利用文中所述公式(5)和(6)可进行大凌河流域山杨林和油松林结构化植被因子指数计算，计算结果详见表3。

由表3计算结果对比分析油松林1和2可知，二者的传统群落盖度计算结果相差不大，而结构化因子指数确存在显著差异，其原因可能是枯枝落叶层覆盖状况的不同而引起的计算结果的差异；对比分析油松林3，4，5和1，2，6因子指数可知，油松群落结构化植被因子指数与油松林草被覆盖度密切相关，草被覆盖度是影响Cs的关键性因素，其原因为草被层明显大于枯枝落叶从和林冠层的作用系数；假定山杨1和油松7群落的盖度相同，但二者的Cs计算结果存在较大差异，其原因为山杨和油松群落各结构层次的水保性能存在一定的差异。山杨3因具有较高的植被盖度，故其Cs值明显大于山杨群落4。对比分析山杨3，5和2，4可知，植被群落垂直层次间的合理搭配是获取理想Cs并提高植被群落水土保持效益的关键。采用一维的生态学盖度对植被水土流失作用进行描述是片面的、不充分的，植被群落各垂直结构层次均可对水土流失治理发挥效用，而各层之间效用大小、作用机理不同，不可采用综合盖度进行替代。Cs作为理想植被可避免传统的生态学盖度的不足和缺陷，可对植被盖度各垂直层次的水土保持作用进行综合的表征，其分析结果更加精准、可靠，具有较好的实际意义和应用价值。

4 结论

(1)采用一维的生态学盖度对植被水土流失作用进行描述是片面的、不充分的，植被群落各垂直结构层次均可对水土流失治理发挥效用，而各层之间效用大小、作用机理不同，不可采用综合盖度进行替代。

(2)Cs作为理想植被可避免传统的生态学盖度的不足和缺陷，可对植被盖度各垂直层次的水土保持作用进行综合的表征，其分析结果更加精准、可靠，具有较好的实际意义和应用价值。

(3)进一步建立结构化植被因子指数与植被保水保土作用的关系，并将其应用于土壤侵蚀预测模型与植被抗侵蚀功能快速评价中，是研究的最终目的。研究所构建的模型只是对植被结构各层次的综合作用的初步探讨和考虑，对层次结构仅仅是简单的叠加，而对各层次之间的耦合作用对水土流失控制的作用影响还有待更深一步的探讨研究。