贝尔定律测定叶面积指数的准确性分析及改进

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叶面积指数是指单位水平林地面积上叶子表面积的一半,叶面积指数可以很好的反映植被的生长情况以及植被的冠层结构信息,同时叶面积指数也是生态学上的一个重要参数,可以描述植被冠层表面物质和能量交换的定量信息,所以叶面积指数对于研究森林碳循环模型也很重要,因此叶面积指数测量的准确性极为重要。传统的叶面积指数测量方法有直接测量法和间接测量法,直接法测量包括破坏性取样法、凋落物法和点斜样方法等,相对来说精度较高,但是工作量大、耗时耗力。间接测量法是利用光学原理获得叶面积指数,常用的仪器包括LAI-2200、Accu PAR、Sunscan和TRAC等,它们操作简便,这些仪器也是实际森林调查中常用的测量叶面积指数的方法,而这些利用光学原理测量叶面积指数的理论基础就是贝尔定律,所以贝尔定律测量叶面积指数的准确性分析很重要。本研究在帽儿山实验林场设置3块100m×100m的样地,进行每木检尺且每木定位,每隔10 m设置落叶框收集装置,利用LAI-2200与TRAC仪器测量样地的有效叶面积指数和叶聚集度指数,二者联合获得光学仪器测量的真实叶面积指数,与凋落物法测量的样地真实叶面积指数进行比较,通过理论推导、数据模拟以及样地数据验证的方法,确定贝尔定律的适用条件;然后将样地划分为20m×20m,30m×30m,40m×40m,50m×50m和100m×100m五种尺度,在每个尺度上比较根据实测真实叶面积指数利用贝尔定律计算的冠层孔隙率和利用四尺度模型计算的背景可视概率的关系,进而确定贝尔定律的适用尺度;最后在贝尔定律失效的尺度上,即根据实测真实叶面积指数利用贝尔定律和四尺度模型计算的孔隙率不相等时,采用树冠尺度聚集度指数、树冠内叶子尺度聚集度指数、针叶簇内针叶之间的聚集度指数0)(针簇比)以及非连续植被与连续植被孔隙率调整比例因子(1-28,28表示树冠为刚体的树冠间孔隙率)校正贝尔定律测得的孔隙率,直到校正后的贝尔定律和四尺度模型计算的孔隙率相等,此时校正后的贝尔定律获得的有效叶面积指数与真实叶面积指数为准确值。结果表明:(1)贝尔定律的适用条件为单株树或像元(或样地)无穷大;(2)在每个尺度上贝尔定律计算的孔隙率与四尺度计算的孔隙率都不相近,没有找到贝尔定律的最适尺度,即在任何有限尺度下采用贝尔定律测定的真实叶面积指数均存在较大误差;(3)采用三种尺度的聚集度指数调整有效叶面积指数校正贝尔定律计算的冠层孔隙率效果不佳,而采用比例因子1-28校正贝尔定律计算的孔隙率,1-28校正后的孔隙率与四尺度模型计算的背景可视概率差值小于0.1;(4)将采用(1-28)校正后的贝尔定律测得的有效叶面积指数除以叶子间的聚集度指数,针叶树种再除以针簇比,获到贝尔定律测得的真实叶面积指数,在三块样地内精度均提高10%以上,三块样地叶面积指数提高的最高精度分别可达到39.48%、32.19%和26.73%,并且在针叶样地内,用有效叶面积指数除以针簇比校正后提高的精度比不除以针簇比增加约3%。因此,采用(1-28)校正贝尔定律获得的真实叶面积指数是可行的。
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