浙江省林下植被蓋度時空變化研究

鄭 城，程 嵐，牛俊文，戚德輝，陳 靜

(1.浙江省水資源水電管理中心(省水土保持監測中心)，浙江 杭州 310000；2.浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司，浙江 杭州 310000)

水土保持作為生態文明的重要組成部分，對生態安全、防洪安全、飲水安全和糧食安全等有著重要的影響[1- 2]，是國土整治和江河治理的根本，是國民經濟和社會發展的基礎[3]。水土流失調查和動態監測是開展水土流失預防和治理的基礎工作，是實施水土保持目標責任制考核、獎懲與生態環境責任追究的重要手段和支撐，同時也為編制水土保持規劃提供科學依據。

為規范和加強水土流失動態監測工作，統一技術方法和技術標準，保證監測成果質量，2018年水利部組織編制印發了《區域水土流失動態監測技術規定(試行)》[4]。該技術規定明確指出：在水力侵蝕區，區域水土流失計算采用中國土壤流失方程CSLE模型：

A=R·K·LS·B·E·T

(1)

式中，A—每年單位面積上的土壤侵蝕量，t/(hm2·a)；R—降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K—土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS—坡長坡度因子，無量綱；B—植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E—工程措施因子，無量綱；T—耕作措施因子，無量綱。

由CSLE模型公式可以看出，變量中存在植被覆蓋與生物措施因子B。按照技術規定要求，果園、其它園地、有林地和其它林地的植被蓋度與生物措施B因子的公式中包含了一個參數，即喬木林的林下植被蓋度，包括除喬木林冠層以外的所有植被(灌木、草本和枯落物)構成的林下蓋度。其取值的大小很大程度上影響到計算出的B因子值的大小，進而影響到每年單位面積上土壤侵蝕量A的計算值。

利用24期的降雨權重，結合園地、林地和草地計算植被覆蓋與生物措施因子B公式如下：

(2)

式中，WRi—前面計算的第i個半月降雨侵蝕力占全年侵蝕力比例，取值范圍為0～1；SLRi—第i個半月園地、林地和草地的土壤流失比例，無量綱，取值范圍為0～1，計算公式為：

茶園和灌木林地SLRi計算公式：

(3)

果園、其它園地、有林地和其它林地SLRi計算公式：

SLRi=0.44468×e(-3.20096×GD)-

0.04099×e(FVC-FVC×GD)+0.025

草地SLRi計算公式：

(4)

式中，FVC—基于NDVI計算的植被覆蓋度，取值范圍為0～1；在果園、其它園地、有林地和其它林地SLRi計算公式中需要GD值，即喬木林的林下蓋度，取值范圍為0～1，包括除喬木林冠層以外的所有植被(灌木、草本和枯落物)構成的林下蓋度。

林下植被是森林生態系統的重要組成部分，在維持系統穩定、遏制土壤侵蝕、防止水土流失等方面發揮著重要作用[5- 6]。秦富倉等[6]在小流域中研究表明，林草植被對涵養水源、保持水土具有重要作用。楊青等[7]研究表明，在降雨一定的前提下，植被是影響坡面產沙量的關鍵因素。潘成忠等[8]通過室內模擬不同蓋度草地坡面產沙過程試驗得出，減沙效益隨著蓋度增大而增大；植被蓋度是減少水土流失的主要因素，蓋度的變化對地表徑流和土壤流失具有重要影響[9]。更有研究認為，林下植被蓋度的改變對土壤徑流與侵蝕的影響強于樹冠覆蓋變化的影響[10]。

然而目前水利部提供的林下植被蓋度曲線數據只有個別監測點的林下蓋度數據，包含浙江省在內的部分省份缺失數據，其余省份監測點也極少，只有一兩個監測點，不具代表性。因此，亟需開展浙江省水土流失動態監測林下植被蓋度調查工作，確定適用于浙江省水土流失動態監測的林下植被蓋度值。該項工作的開展有助于彌補浙江省水土流失動態監測的林下植被蓋度值的空白，對于全省區域水土流失動態監測及全省水土流失遙感普查工作的開展具有重要意義。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

浙江省位于我國東南沿海，長江三角洲南部，陸域面積10.18萬km2。氣候類型屬于亞熱帶季風氣候，冬夏季風交替，溫度適中，年平均氣溫15.6～18.3℃，年平均日照時數1710～2100h，無霜期241～351d；雨量充沛，年平均降水量1092～2029mm，降水季節分布不均，夏季最多，冬季最少[11]。地形上有“七山一水兩分田”之稱，西南高，東北低，山地多，平原少，海岸線曲折，島嶼眾多，山地丘陵占總面積的70.4%，平原盆地占總面積的23.2%，河流和湖泊占6.4%。土壤以紅壤、水稻土、黃壤為主。植被類型主要有亞熱帶針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、落葉闊葉混交林、竹林、灌草叢、水生植物群落，以及栽培植被等。按全國水土流失類型區的劃分，浙江省屬于以水力侵蝕為主類型區中的南方紅壤丘陵區，水土流失的類型主要是水力侵蝕，部分山丘區存在著滑坡、崩塌、泥石流等重力侵蝕，沿海島嶼和杭州灣兩岸存在著極少量的風力侵蝕。水力侵蝕的表現形式主要是坡面面蝕，丘陵地區亦有淺溝侵蝕及小切溝侵蝕。據2019年水土流失動態監測成果顯示，全省共有水土流失面積7908.10km2，占全省國土總面積的7.49%。

1.2 野外調查與數據獲取

根據全省降雨侵蝕力數據、土壤可蝕性數據和《浙江省水土保持規劃》中水土流失分區，結合《浙江省林地保護利用規劃》(2010—2020年)中浙江省林地分區，并考慮地形地貌等因子，將全省劃分為4個分區，分別為浙中北平原丘陵盆地區、浙西山地丘陵區、浙南山地區、浙東沿海丘陵海島區。在此基礎上，通過收集資料并與當地林業部門溝通，同時考慮樣方選擇的代表性、野外調查及采樣的方便性，野外調查樣地的布設結合全省水土保持監測站點分布，最終選擇4個樣地分別對應上述4個分區，分別為嵊州市北漳鎮、臨安區板橋鎮、縉云縣新碧街道和蒼南縣礬山鎮。樣地分區圖如圖1所示。

圖1 樣地分區圖

在上述調查縣區內，分別選取有代表性的4種土地利用類型[4](果園、其他園地、有林地、其他林地)布設調查樣方，樣方布設采用皮尺量距，拐直角的方法，用手持GPS對樣方中心點進行經緯度定位，記錄植被類型，記錄樣方內林下植被蓋度指標。充分考慮微地形、植被類型及郁閉度對林下植被蓋度量測造成的偶然影響，每個土地利用類型布設樣地2～3個；每個樣地中“S”型布設樣方3～4個，樣方面積為5m×5m(喬木林下包含灌木和草本)或樣方面積為1m×1m(喬木林下全部為草本植被)，開展植被蓋度調查工作。樣方布設情況如圖2所示

圖2 樣方布設情況

本研究調查的林下植被蓋度指的是植被總蓋度[4]，是除喬木林冠層以外的所有植被(灌木、草本和枯落物)構成的林下蓋度，包括綠色植被、殘茬和地表枯落物等。調查時間為2019年7月31日—2020年7月15日，每半月調查一次(定于每月5日和20日，遇惡劣天氣順延，本研究為便于統計，統一記錄為每月5日和20日)，共計24次；野外林下植被蓋度調查采用地表實測法[12]，主要以采樣法和儀器法[13]為主，以目視估測法為輔。林下植被蓋度通過樣方內喬木林冠層以外的所有植被(灌木、草本和枯落物)的覆蓋面積除以樣方的面積獲得。

1.3 數據處理

將獲取的林下植被蓋度數據進行匯總，然后去除表格中的異常值，通過計算4個樣地(嵊州、蒼南、臨安、縉云)中同種土地利用類型(果園、其他園地、有林地、其他林地)各個樣方林下植被蓋度的算術平均值作為該土地利用類型(果園、其他園地、有林地、其他林地)的林下植被蓋度值，以此值來代表全省4個區域4種土地利用類型的林下植被蓋度值。在此基礎上，按照劃分的區域制作果園、其它園地、林地、其它林地這4個土地利用類型的林下蓋度曲線，分析不同土地利用類型的林下植被蓋度的變化規律，為水土流失預防和治理提供科學依據。

2 結果與分析

2.1 浙江省不同土地利用類型下林下植被蓋度的時空變化

如圖3(a)所示，浙東沿海丘陵海島區(蒼南縣)同時段的4種土地利用類型的林下植被蓋度表現為有林地和其他林地林下植被蓋度較高，且隨時間變化比較穩定，基本維持在94%以上；其他園地次之，林下植被蓋度基本維持在85%以上；果園林下植被蓋度較低，且隨時間變化幅度較大，變化范圍在52%～99%之間不等。

如圖3(b)所示，浙中北平原丘陵盆地區(嵊州市)同時段的4種土地利用類型的林下植被蓋度表現為有林地林下植被蓋度較高，且隨時間變化比較穩定，基本維持在99%以上；其他林地和果園林下植被蓋度次之，林下植被蓋度維持在77%以上；其他園地的林下植被蓋度較低，且隨時間變化幅度較大，變化范圍在30%～72%之間不等。

如圖3(c)所示，浙西山地丘陵區(臨安區)同時段的4種土地利用類型的林下植被蓋度表現為有林地和其他林地林下植被蓋度較高，且隨時間變化比較穩定，基本維持在86%以上；其他園地次之，林下植被蓋度基本維持在82%以上；果園林下植被蓋度相對較低，且隨時間變化幅度較大，變化范圍在65%～99%不等。

如圖3(d)所示，浙中丘陵盆地區(縉云縣)同時段的4種土地利用類型的林下植被蓋度表現為有林地和其他林地林下植被蓋度較高，且隨時間變化比較穩定，基本維持在92%以上；其他園地次之，林下植被蓋度基本維持在85%以上；果園林下植被蓋度相對較低，且隨時間變化幅度較大，變化范圍在74%～97%不等。

圖3 浙江省不同土地利用類型下林下植被蓋度的時空變化

2.2 浙江省不同區域林下植被蓋度的時空變化

如圖4(a)—(b)所示，全省各區有林地和其他林地林下植被蓋度較高，有林地林下植被蓋度大都在91%以上，其他林地林下植被蓋度大都在80%以上；全省4個區域同一時間內有林地和其他林地的林下植被蓋度雖有差異，但差異不顯著。1年24個半月，林下植被蓋度有2個增長點，分別是植物生長季和落葉期，但因為總體蓋度比較穩定且較高，因此增長點不明顯。

浙中北平原丘陵盆地區(嵊州市)絕大部分時段有林地林下植被覆蓋度最高，其次是浙中丘陵盆地區(縉云縣)，且隨時間變化比較穩定。浙東沿海丘陵海島區(蒼南縣)和浙西山地丘陵區(臨安區)有林地林下植被覆蓋度略低，其中浙西山地丘陵區(臨安區)有林地林下植被蓋度隨時間變化相對較大。

浙西山地丘陵區(臨安區)絕大部分時段其他園地林下植被蓋度最高，且隨時間變化比較穩定。其次是浙中丘陵盆地區(縉云縣)和浙東沿海丘陵海島區(蒼南縣)，且隨時間變化比較穩定。浙中北平原丘陵盆地區(嵊州市)其他林地林下植被覆蓋度相對較低，且隨時間變化相對較大。

如圖4(c)所示，果園由于受人為干擾較大，導致果園林下植被蓋度隨時間變化不穩定，并且變化幅度相對較大，且林下蓋度總體偏低。果園林下蓋度的最小值出現在2—8月(嵊州除外)，不同地區，不同類型的果園林下蓋度最小值出現時間略有差異。

如圖4(d)所示，其他園地林下植被蓋度在83%以上，浙中丘陵盆地區(縉云縣)、浙西山地丘陵區(臨安區)和浙東沿海丘陵海島區(蒼南縣)各地區其他園地林下植被蓋度隨時間變化相對穩定，且相差不大，浙中北平原丘陵盆地區(嵊州市)其他園地林下植被蓋度相對較低，隨時間變化較大。

圖4 浙江省不同區域林下植被蓋度的時空變化

2.3 浙江省各區域與水利部下發的相鄰省份有林地林下植被蓋度比較分析

為了更好地分析浙江省有林地林下植被蓋度與水利部下發的相鄰省份有林地林下植被蓋度的差別，將浙江省各區域與相鄰省份有林地林下植被蓋度進行整理，將同時段的浙江省各區域的有林地林下植被蓋度值分別與安徽歙縣、江西德安、福建長汀3地的有林地林下植被蓋度值進行差值運算并進行統計如圖5所示，分析發現：浙東沿海丘陵海島區(蒼南縣)與安徽歙縣相比，浙東沿海丘陵海島區(蒼南縣)有9個時間段的有林地林下植被蓋度值大于安徽歙縣有林地林下植被蓋度值，與江西德安、福建長汀相比，分別有20、24個時間段的有林地林下植被蓋度值的差值為正；浙中北平原丘陵盆地區(嵊州市)與安徽歙縣、江西德安、福建長汀3地的有林地林下植被蓋度值做差值，24個時間段的差值為正；浙西山地丘陵區(臨安區)有16個時間段的有林地林下植被蓋度值大于安徽歙縣有林地林下植被蓋度值；與江西德安、福建長汀相比，分別有17、24個時間段的有林地林下植被蓋度值的差值為正；浙中丘陵盆地區(縉云縣)有23個時間段的有林地林下植被蓋度值大于江西德安有林地林下植被蓋度值；與安徽歙縣、福建長汀3地的有林地林下植被蓋度值做差值，24個時間段的差值為正；由此看來，在其他因子不變的情況下，相比采用水利部下發的相鄰省份有林地林下植被蓋度值，采取本次調查結果的有林地林下植被蓋度值計算得到的每年單位面積上的土壤侵蝕量A值較小。

圖5 浙江省各區域與相鄰省份有林地林下植被蓋度差值統計圖

2.4 浙江省各區域與水利部下發的相鄰省份果園林下植被蓋度比較分析

為了更好地分析浙江省果園林下植被蓋度與水利部下發的相鄰省份果園林下植被蓋度的差別，將浙江省各區域與相鄰省份果園林下植被蓋度進行整理，將同時段的浙江省各區域的果園林下植被蓋度值分別與安徽歙縣、江西德安、福建長汀3地的果園林下植被蓋度值進行差值運算并進行統計如圖5所示，分析發現：浙東沿海丘陵海島區(蒼南縣)與安徽歙縣相比，浙東沿海丘陵海島區(蒼南縣)有8個時間段的果園林下植被蓋度值大于安徽歙縣果園林下植被蓋度值，與江西德安、福建長汀相比，分別有2、24個時間段的果園林下植被蓋度值的差值為正；浙中北平原丘陵盆地區(嵊州市)與安徽歙縣、江西德安、福建長汀3地的果園林下植被蓋度值做差值，分別有20、18、24個時間段的差值為正；浙西山地丘陵區(臨安區)有20個時間段的果園林下植被蓋度值大于安徽歙縣果園林下植被蓋度值；與江西德安、福建長汀相比，分別有21、24個時間段的果園林下植被蓋度值的差值為正；浙中丘陵盆地區(縉云縣)有24個時間段的果園林下植被蓋度值大于福建長汀果園林下植被蓋度值；與安徽歙縣、江西德安兩地的果園林下植被蓋度值做差值，各有18個時間段的差值為正；由此看來，在其他因子不變的情況下，相比采用水利部下發的相鄰省份果園林下植被蓋度值，采取本次調查結果的果園林下植被蓋度值計算得到的每年單位面積上的土壤侵蝕量A值較小。

圖6 浙江省各區域與相鄰省份果園林下植被蓋度差值統計圖

3 討論

有林地，特別是竹林地，林下植被蓋度相對穩定，主要是由于有林地(竹林除外)下一般灌木、草本并存，物種豐富，植被覆蓋度較高；竹林地郁閉度相對較高，林下光照不足，加上枯落物層較厚，幾乎無灌木存在，草本也比較少，這與康冰[14]等研究一致，竹林林下較弱的光照成為抑制林下植被生長的主要因子；然而竹林下枯落物覆蓋層較厚，且竹葉木制纖維豐富，分解速度慢，使得竹林地林下植被覆蓋度比較高。

其他林地，主要有苗圃地(諸如桂花、銀杏、紅楓等)、未成林地、跡地等，銀杏苗圃地及未成林地由于株間距較大，郁閉度較低，生長季林下草本長勢較好，非生長季草本植物枯萎，除個別部分外均不會遭受破壞，因此林下植被蓋度較高；跡地基本無喬木遮擋，灌木、草本長勢較好，林下植被覆蓋度高，這與田平[15]等的研究一致，表明喬木的冠層結構所形成的光環境也強烈影響著林下植物群落的分布格局。桂花林同竹林一樣，郁閉度相對較高，林下光照不足，加上枯落物層較厚，幾乎無灌木存在，草本也比較少；然而桂花林下枯落物覆蓋層較厚，且分解速度慢，使得桂花地林下植被覆蓋度比較高。紅楓林林下草本長勢較弱，且生命周期短，楓樹落葉時間集中，且葉片相比桂花、竹林而言較薄，易分解，因此紅楓林下植被蓋度年內變化較大。

果園主要有柑橘、梨樹、楊梅、桃樹、棗樹等，除棗樹外，果園由于受到人為不定時的除草等干擾因素比較大[16- 17]，除草時間大約從2月中下旬開始，8月左右結束，不同地區，不同類型的果園除草時間略有差異，因此果園的林下植被蓋度變化比較大，且林下植被蓋度明顯偏低，林下植被蓋度值的拐點大都因為人為除草所致。

其他園地主要指桑樹、板栗、香榧，也易受到人為因素的影響，但相比果園來講，影響相對小一些，但比林地和其他林地受影響大，因此其他園地的林下蓋度基本處于4種土地利用類型的中下位置，波動相比果園來講小一些。嵊州其他園地林下蓋度比較特殊，是因為受人為干擾的原因，11月份左右著火，導致枯落物燒毀。

4 結語

浙江省林下植被蓋度值調查工作在全省首次開展，實現了由無到有的突破，對于開展類似相關工作及深刻認識全省各區域林下植被蓋度值的時空變化具有重要意義。

本次調查在樣方選取及布設時盡可能做到合理均勻，但因各種原因，樣方布設有限，在一定程度上仍存在一定的偶然性；林下植被蓋度調查工作要求測量頻次高，受天氣、疫情影響，部分測量時間較計劃時間略有變化。為了減少樣方布設的偶然性，提高林下植被蓋度監測數據的精度，建議對林下植被蓋度進行加密調查，同時，建議在后期樣地布設盡量結合站點或與當地林業、水利部門合作，保證量測時間的及時性，節約時間、人力、財力成本。