郁闭度

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什么是郁闭度[1]

  郁闭度是指森林中乔木树冠彼此相接,遮蔽地面的程度。亦即单位面积上立木树冠投影面积之和与该面积之比值。用十分数表示,如完全覆盖地面,即为1,依次为0.9、0.8、0.7、0.6……等。

郁闭度的分类[1]

  郁闭度有水平郁闭度和垂直郁闭度之分。

  水平郁闭度是指一个林层的郁闭度,同龄纯林或单层林常构成水平郁闭度。

  垂直郁闭度是指二个及二个以上林层在垂直方向上产生的郁闭度,它只存在于复层林中。郁闭度常作为控制抚育采伐强度和择伐、间伐强度的指标,也是区分有林地疏林地、未成林造林地的主要指标。

郁闭度的层次[2]

  • 当林分郁闭度为1.0~0.9时,为高度郁闭;
  • 当林分郁闭度为0.8~0.7时为中度郁闭;
  • 当林分郁闭度为0.6~0.5时为弱度郁闭;
  • 当林分郁闭度为0.4~0.3时为极弱度郁闭;
  • 当林分郁闭度为<0.2时为疏林。

郁闭度的测量[3]

  郁闭度是森林资源调查的一个重要因子,同时也是立地划分、林分类型划分、小班区划和林分质量评价等方面的主要指标,在森林公益效能研究与评价中有着广泛的应用。准确地调查郁闭度,对提高森林调查质量和精度,具有重要意义。林业生产实践与探索研究中,受调查人员技能、经验、调查方法等方面的影响,林分郁闭度调查和测量精度存有一定的误差。赵形堂等(1995)对树冠投影法、系统样点抬头观测法和郁闭度测定器法进行了比较试验,结果表明:郁闭度测定器法测量精度最高,其测定相对误差为±3%,不同人员观测的变动系数在3%以下,测量效率是系统样点抬头观测法的4倍。近年来,关于郁闭度测定方法的探讨主要在径节与冠幅数学模型、遥感判读、数字图像法等方面。李德民(1996)通过建立径阶冠幅面积曲线方程,估算了油松人工林郁闭度。杜文峰(1999)结合多年森林调查工作体会,就提高郁闭度调查精度,提出了提高调查人员素质、重视郁闭度调查、加快调查方法研究和综合运用等建议。李崇贵(2001)根据最小二乘估计(LS)及岭估计(R)原理,利用平均残差平方和准则,在分析LS估计存在缺陷的基础上,提出采用岭估计建立郁闭度估测方程,具有较高的预报精度。谭炳香(2006)通过对两种光谱特征空间降维方式的高光谱数据森林郁闭度估测进行了实验和比较,推荐采用PCA-W33法来估测森林郁闭度。刘大伟(2006)以大兴安岭常青林场陆地卫星影像为例进行缨帽变换(Tasseled Cap),将变换后的湿度因子与森林郁闭度进行回归分析,通过回归方法建立线性方程,对遥感图像进行反演以获取林分郁闭度。杜晓明(2008)则采用偏最小二乘回归方法估测林分郁闭度。孙雪文(2005)通过用数码相机垂直向上摄影,获取林冠数字图像,通过Arc ViewGIS的图像自动重分类、概化和图形自动面积计算功能,换算出图片中林冠层面积与整个图片中面积之比的方法,准确测定林分郁闭度。此外,还有大量采用冠层分析仪获取林冠全天空图像估计林分郁闭度的应用研究(朱教君,2005;陈继东,2007)。

  一、目测法

  目测法是有经验的调查人员通过目测或者采用百步抬头看的方式预估郁闭度的方法,是最为简便、常用的方法。测量人员通过在小班或样地内走动,直接估计郁闭度,直接目测法一般与百步抬头法结合应用。百步抬头法是指在百步内,通过在每步垂直仰望树冠,记录看到树冠的步数,就得到林分的郁闭度(白云庆,1987;孟宪宇,1996;Bunnell,1990;Vales,1988;Jennings,1999)。由于受主观因素影响较大,具有相同调查经验的不同调查员目测值也有可能存在误差,同时也受地形、地貌、下层植被的影响。由于人体颈部构造与人眼视觉的影响,观测者很难垂直抬头观测,并且抬头所看到的不是一个点而是一个区域,无论怎样努力保持窄的视角,抬头望法都有较大的面积与较宽的视角,观测中具有很大的主观性,会产生较大的量测偏差(Bunnell,1990)。在进行目测调查前需对调查员进行指定训练,目测精度满足要求时方可开展调查,且目测法仅能满足郁闭度十分法表示的精度。

  二、绘图法

  调查时将林木定位后,从几个固定方位测量每株树冠边缘到树干的水平距离,绘制树冠投影,计算树冠投影总面积与林地面积的比值得到郁闭度。树冠投影法是一种调查郁闭度较为准确的方法,常用于科学研究或需较准确测定郁闭度。标准地绘树冠投影图,难度很大,且费工费时,且树冠的投影大小也是依靠人眼来判断,也存在主观性,此外,林分中树冠重叠使投影难以判断,不能考虑到树冠内的空隙影响(赵形堂,1995)。

  三、统计法

  采用系统抽样方法,在样地内设置样点或样线,通过统计所布设样点或样线中被林冠遮蔽的样点或样线所占总样点或样线总长的份额计算郁闭度(白云庆,1987;孟宪宇,1996)。

  样点法估算林分郁闭度方法简单、快速实用,在林分郁闭度调查中被广泛应用,其计算公式见式1。一般情况下系统抽样会出现严重的偏差,特别是对规则分布的人工林,随机抽样要优于系统抽样(Joansson,1985)。系统或团状抽样中,样点间距要大于林中主要空间特征(如树冠、空隙、林中空地)的大小(Jennings,1999)。为减少样点数量以提高效率,可通过线截抽样(1ine transect sampling)的方法来进行样点设置。在林业调查中,常常在样地两条对角线上设置样点进行调查。样点数依精度要求根据样点所代表的面积而定,少的可为4个点,多的达250个点(赵彤堂,1995;Rautiainen,2005)。

  郁闭度=被树冠遮盖的样点数/样点总数(1)

  样线法既可用于调查林冠郁闭度,也可用来调查灌草盖度。在样地内设置样线,通过统计所布设样线上冠幅总长度所占样线总长度的份额计算郁闭度,计算公式见式2。根据样地大小与调查精度来设置样线长度数量,样线可根据样地的大小与形状设计为直线、三角形矩形圆形(Stumpf,1993)。通常在矩形样地中,样线按对角线布设。在圆形样地中,以中心为起点,从正北方向开始按方位角0°,120°,240°布设3条样线(Fiala,2006)。

  郁闭度=树冠遮蔽样线总长/样线总长度(2)

  样线法考虑的是整个树冠,而没有考虑到树冠内的空隙对郁闭度的影响,被认为是估计郁闭度最可靠的方法之一(Fiala,2006)。

  四、仪器观测法

  (一)观测管法

  观测管是一个顶端安装了十字丝的管状仪器,用于缩小抬头看法目视范围,提高观测的准确度。有的观测管还安装了水准气泡与45°的反光镜,将水平视角转换成垂直视角,以降低观测者的劳动强度,提高工作舒适度。相似的仪器还有垂直管(vertical tube)和平衡环瞄准器(gimbal sight)等(Jennings,1999;Fiala,2006;Joansson,1985)。

  观测管法调查郁闭度简便、快捷,但对精确调查需要的样点数存在着较大争议,Ganey和Block认为调查样地内20个样点就能满足要求(Ganey,1994),Jennings则认为至少要100个样点,而Rautiainen认为要得到相对稳定的结果需要250个左右的样点(Rautiainen,2005)。

  (二)Moosehorn法

  Moosehorn是一种改进的郁闭度观测仪器,由于其外形与狩猎驼鹿的一种工具相似而得名(Garrison,1949;Brown,2000)。在透明屏上布设均匀分布的网格,通过透明屏能够显示出林冠,并能计数出遮蔽林冠的点数。仪器上安置了水准气泡以使仪器保持垂直,有的仪器安装了45°反光镜,提供水平观测视角,提高操作者的舒适度,降低劳动强度。

  通过观测管得到的是垂直样点,而Moosehorn则是有一定视角的林冠区域,但由于视角的原因,用Moosehorn测定的郁闭度要比通过照片测得的郁闭度低10%左右(Jennings,1999),测定结果比球面密度计的标准差小、一致性好(Cotton,1999)。

  (三)球面密度计法

  球面密度计(spherical densiometer)是一种价格便宜、设计简单、便于携带、受环境限制少的郁闭度测定仪器。最早由Lemmon于1956年提出,其应用比Moosehom还要广泛(Jennings,1999)。球面密度计主体为球形镜面,镜面上刻有24个格网,能够反射较大的天空范围。调查者根据每个格网上均匀分布的4个点计数树冠的影子遮蔽的点数,计算出郁闭度(Jennings,1999;Englund,2000;Vales,1988)。在测定时,使仪器在腰高位置保持水平,并要距离身体足够远,以避免头部在仪器上成像(Englund,2000)。

  球面密度计方便携带、结实耐用,是单点测量可应用的最好方法,但是量测准确度并不高。通过三角架支撑,使仪器保持水平可提高准确度,但会大大降低操作便利性。凹形球面密度计由于反射的天空范围较少,比凸形球面密度计的准确度要低(Jennings,1999)。显示在球面上的树干是否记录也对测定结果有影响(Ganey,1994)。球面密度计的视角较大,与视角较小的仪器如Moosehorn相比,往往过高地估计了郁闭度(Bunnell,1990;Cook,1995),但由于观测的林冠面积大,精度也相应提高(Bunnell,1990)。

  (四)郁闭度测定器

  郁闭度测定器是根据球冠镜聚影原理设计,由聚影镜、计点盘和底盘3部分组成。计点盘上绘有16个方格和2套彩色点,100个黄色点用于测定郁闲度百分数,10个红色点用于测定十分法郁闭度。实际测定时,将测定器水平持于胸前,观测点周围的树冠影像聚于计点盘上,计数树冠影像所遮蔽点数,即为郁闭度测定值。

  郁闭度测定器计测简捷、携带方便,减少了郁闭度调查中主观因素的影响(赵彤堂,1995)。但在实践生产和科学研究中,由于多方面因素没有在森林资源调查中得到普及应用(杜文峰,1999)。

  (五)冠层分析仪法

  冠层分析仪主要用来测定叶面积指数,也可测定其他相关的林冠特征。冠层分析仪如IAI-2000、WinSCANOPY-2006等,主要由光合有效辐射探头和数据处理系统组成(LI-COR,1992)。冠层分析仪在测定林冠郁闭度的相关研究中已有较多应用(Rautiainen,2005;Machado,1999;Comeau,1998;刘建,2005)。该法对天空条件要求比较严格,要求在均匀的阴天或早晚进行,要避免阳光直射,变幻的阴天由于天空不稳定要应用带一定角度的镜盖。该类仪器昂贵且不便携带,因受应用约束条件较多,不适用于大范围的森林郁闭度测定。

  五、数字图像法

  数字图像处理技术和计算机视觉技术以及相关软件的发展,出现了通过获取林冠图像影像测定林分郁闭度的应用研究,也可用于测定林内光照环境与林冠开阔度。全天空照片广泛应用于农业与林业气象、植物生态的光管理研究中(Herbert,1987)。对于普通像片一般通过网点板计数天空与林冠的比例来估算林分郁闭度,也可经过扫描,采用林冠影像和天空影像的像素比例计算郁闭度,数码相片则可直接用于分析计算,冠层分析仪就应用了该原理和技术。Englund等认为不同的阈值会补偿拍摄时的天空条件,操作者的判断会影响后继的分析,并会产生误差(Englund,2000)。目前可用于林冠图像处理的软件有Photoshop,CanopOnProgram,Hemi-pho,LIAforWin32,ArvViewGIS,Win-phot,Solarcalc等(Englund,2000;孙雪文,2005;Valverde,1997)。通过数码照片测定林分郁闭度,外业工作简便快捷,并可提高调查的精度,但是内业照片处理较为复杂,且林冠影像质量受天气的影响较大。

  六、遥感图像判读法

  在航片上,通过树冠密度尺(crown density scale)(Jennings,1999)或微细网点板进行郁闭度判读(李裕国,1995)。也可根据树冠影像颗粒的疏密程度和垂直能见度,用目估法判读郁闭度(游先祥,2003)。用卫星图像进行郁闭度调查,以地面调查解译为基础,利用与郁闭度相关性高的波段或变量,建立多元回归模型来估测郁闭度(李崇贵,2001;谭炳香,2006)。多光谱数据经线性或非线性组合构成能反映绿色植物生长状况及分布特征的指数。根据植物的波谱反射曲线,绿色植物对可见光和近红外谱段截然不同的吸收和反射特性是植被监测的物理基础,可用于构造植被指数(李崇贵,2001)。通过航空像片或高分辨率的卫星图像进行判读,实现了大面积的郁闭度调查。但该方法对操作人员的技能素质要求较高,且卫星图像购买成本较高,一般在科学研究领域应用较多,成本费用和技术支撑两个方面限制了该方法在生产实践中的推广普及。

  七、理论计算法

  理论计算法主要是通过大量的调查数据,建立林分中各径阶胸径与冠幅的数学关系,求算林分郁闭度。对人工林,根据造林规格和树冠半径从理论上计算林分郁闭度,理论计算法受立地条件、林龄、密度以及主观因素影响较小。李德民(1996)通过建立径阶冠幅面积曲线方程,估算了油松人工林林分郁闭度。熊奎山(1999)提出根据造林规格和树冠半径长度计算相应的理论郁闭度值。Fiala(2006)利用单木模型FVS(Forest Vegetation Simula-tor)和树冠半径公式计算单株树冠面积,再进行合计得到郁闭度的估计值,但通过与地面测定方法检验发现,模型估计方法一致性低、变动性大。理论计算法对调查人员和计算人员的技能素质要求较高,作为一种方法的研究探讨具有一定的科学意义,但在生产实践中难以推广。

郁闭度的应用[4]

  1.在森林资源统计上,根据郁闭度指标划分地类。郁闭度0.1—0.19为疏林地,0.2( 含O.2) 以上为有林地。

  2.在抚育间伐上,根据郁闭度指标确定间伐的起始期和采伐强度。当林分郁闭度达0.9左右时,就可以进行首次间伐;在一般情况下,每次抚育间伐降低郁闭度不能超过0.2,并且保留木分布均匀,间伐后郁闭度要在0.5—0.6以上。

  3.在林分改造上,郁闭度指标可以确定改造对象和改造措施。如《森林采伐更新规程》将郁闭度0.3的林分列为改造对象;对于郁闭度0.3—0.4的林分可根据实际情况采取全面改造法或林冠下造林改造法等;对于郁闭度0.5—O.7的林分可根据情况采取群团改造法或抚育补植改造法等。

  4.在主伐更新上,根据郁闭度指标可以确定主伐更新方式和控制采伐量。对于间伐,预备伐采伐后郁闭度就应降到0.6—0.7,如果林分平均郁闭度为0.5—O.6,则不应进行预备伐;受光伐伐后郁闭度保持在0.2—O.4之间。对于择伐,经营择伐伐后郁闭度保留0.5以上;采育择伐伐后林分郁闭度保留0.4以上;粗放择伐伐后郁闭度通常保留在0.5以上。

  5.在封山育林上,根据郁闭度指标确定封育对象。对郁闭度为0.4—0.6以上。树种组成完全符合育林要求,并且分布均匀,生长良好的林分可以进行封育。

  6.在幼林修枝上,郁闭度指标可以作为确定修枝时间和强度的依据。如杨树造林后。一般情况下,除及时修去竞争枝外,待林分郁闭度达O.6以上时可进行第一次修枝,冠高比保留0.6左右,此后每隔一定时同进行一次修枝,每次以只修去一轮生枝为宜。如果林分郁闭度过大时,修枝强度也可以加大。以保持林内良好的卫生环境。对于杉木、落叶松,在幼林郁闭前一般不宜修枝,只是在林分充分郁闭,林冠下部出现枯枝时才开始修枝。

  7.在林农间种上,根据郁闭度指标可以确定间种年限和间作物种类。如间种农作物,一般林分郁闭度达到0.6时就应停止间种,如间种药材,间种年限可以延长,间种人参,要求林分郁闭度在0.6 —O.8之间。

  8.在林业有害生物防治上,根据部闭度指标可以确定农药使用方法和使用剂量。如林业有害生物发生面积大,被害林木集中成片,林分郁闭度在0.5以上,可考虑利用烟剂防治或飞机防治。

  9 .在森林防火上,在林内计划火烧,郁闭度指标是选择适宜火烧林必不可少的重要条件。一般在天然次生林和人工针叶纯林内计划火烧,要求林分郁闭度在O.6 以上。且没有大片空地。

  10.在母树林经营上.确定适宜的郁闭度指标可以提高种子质量和产量。据桦南其石头河林场调查。长白落叶松母树林郁闭度0.6的种子产量是郁期度0.8的4.7倍,种子发芽率提高15%。选作母树林的林分,郁闭度一般以0.5—O.6为宜,若林龄较小。也可在O.7 ,但林龄大的林分,郁闭度必须小些。

参考文献

  1. 1.0 1.1 乔高才让主编,牛继荣,华永祥副主编,政协天祝藏族自治县委员会编.经济类 天祝百科知识.,2007.06.
  2. 江西省人民代表大会环境与资源保护委员会编.第一章 生态学基础知识 江西生态 第六卷 生态知识手册.江西出版集团,2007.12.
  3. 祁有祥,赵廷宁,杨建英著.第四章 椿分郁闭度数字图像测量方法研究 若干生态参数数字图像测量方法的研究.中国林业出版社,2011.04.
  4. 相福,包桂和.浅谈郁闭度指标在森林经营中的应用[J].南北桥,2009,(第1期).
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