来源:Frontiers of Earth Science 发布时间:2020/12/18 16:46:36
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FES | 让“二维”遥感影像更准确反映“三维”南方红壤区水土流失情况

论文标题:Developing a USLE cover and management factor (C) for forested regions of southern China (南方红壤区植被覆盖与管理措施因子(C)重构)

期刊:Frontiers of Earth Science

作者:Conghui LI, Lili LIN, Zhenbang HAO, Christopher J. POST, Zhanghao CHEN, Jian LIU(刘健), Kunyong YU

摘要:

The Universal Soil Loss Equation model is often used to improve soil resource conservation by monitoring and forecasting soil erosion. This study tested a novel method to determine the cover and management factor (C) of this model by coupling the leaf area index (LAI) and soil basal respiration (SBR) to more accurately estimate a soil erosion map for a typical region with red soil in Hetian, Fujian Province, China. The spatial distribution of the LAI was obtained using the normalized difference vegetation index and was consistent with the LAI observed in the field (R2 = 0.66). The spatial distribution of the SBR was obtained using the Carnegie–Ames–Stanford Approach model and verified by soil respiration field observations (R2 = 0.51). Correlation analyses and regression models suggested that the LAI and SBR could reasonably reflect the structure of the forest canopy and understory vegetation, respectively. Finally, the C-factor was reconstructed using the proposed forest vegetation structure factor (Cs), which considers the effect of the forest canopy and shrub and litter layers on reducing rainfall erosion. The feasibility of this new method was thoroughly verified using runoff plots (R2 = 0.55). The results demonstrated that Cs may help local governments understand the vital role of the structure of the vegetation layer in limiting soil erosion and provide a more accurate large-scale quantification of the C-factor for soil erosion.

发表时间:23 November 2020

DOI:10.1007/s11707-020-0828-y

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植被覆盖管理措施因子(C)的合理估算及空间分布特征,是通用土壤流失方程(USLE)有效应用于南方红壤区水土流失估测的重要基础。受林分冠层光谱优势影响,“三维”客观世界“二维”化的遥感影像中不能有效体现不同植被覆盖和土地管理措施对降雨减蚀功能的差异性,也未能直接客观地反演植被覆盖对降雨减蚀作用。

福建农林大学刘健教授研究团队发表于Frontiers of Earth Science 2020年第三期的研究论文《Developing a USLE cover and management factor (C)for forested regions of southern China》,依托3S技术与资源优化利用福建省高等学校重点实验室和福建省资源环境监测与可持续经营利用重点实验室,结合国家自然科学基金青年项目《南方红壤水土流失区植被覆盖与管理因子(C因子)遥感重建研究(41401385)》和面上项目《林分垂直结构降雨减蚀功能遥感量化模拟(31770760)》,以典型的南方红壤水土流失区——福建省长汀县为研究对象,系统地开展红壤区植被覆盖与管理措施因子(C)的遥感重构研究。

1 方法原理

叶面积指数(LAI)具有明显的植被特征生态学意义,可反映出植被的结构、分布密度和生物量信息,是表征植物冠层结构的重要指标。土壤基础呼吸受灌草层盖度、枯枝落叶层厚度的影响,在一定程度上反映林下土壤肥力,是土壤微生物数量和活性的重要体现,也是指示土壤健康和土壤环境质量变化的重要指标。鉴于此,在本次研究中,以LAI体现林冠层差异,以土壤基础呼吸内隐林下植被表层(枯枝落叶、草本层)差异,综合二者,基于遥感重构植被覆盖与管理措施因子,改进传统单一植被覆盖参数的差异性不足。整体思路见图1。

图1 技术路线图

2 主要研究成果

2.1 叶面积指数的遥感反演模型构建

利用LAI-2200植物冠层分析仪,实地测量LAI,结合同期Pleiades遥感数据提取相关植被指数,研究LAI和植被指数间的相关关系,构建LAI遥感反演模型,实现区域LAI遥感反演(图2)。

图2 LAI反演结果

2.2 土壤基础呼吸遥感间接测定及模拟指示林下灌草层和枯枝落叶层的适用性研究

利用研究区Pleiades遥感影像和同期气候数据,通过CASA模型,采用替代法思路实现研究区土壤基础呼吸的遥感间接测定(图3),利用LI-8100土壤碳通量自动测量系统实测的土壤呼吸进行精度验证与控制。在此基础上,利用野外实测灌草层盖度、枯枝落叶层厚度等基础数据,研究遥感间接测定的土壤基础呼吸与林下灌草层盖度、枯枝落叶层厚度等指标的关系,探析土壤基础呼吸应用于模拟指示林下植被和枯枝落叶层的适用性和稳定性。

图3 土壤基础呼吸反演结果

2.3 基于LAI和土壤基础呼吸的C因子模型的构建

研究LAI、土壤基础呼吸与传统植被覆盖的量化关系,重构植被覆盖与管理措施因子量化模型,并通过径流小区的实测土壤流失量进行比对,实现植被覆盖与管理措施因子的遥感重构(图4),为更准精准地估算南方红壤水土流失提供理论参考与技术支持。

图4 研究区C因子遥感重构结果

期刊简介

Frontiers of Earth Science 是由教育部主管,高等教育出版社与华东师范大学联合主办的英文学术期刊,德国Springer公司负责海外发行,以网络版和印刷版两种形式出版。全球发行。主编高炜教授(华东师范大学)。2007年创刊,季刊。该刊遵循国际期刊规范,充分利用网络出版优势,及时发表地球科学领域国内外最新的学术研究论文和综述文章 ,所发文章必须经过严格的同行评议。涉及领域包括(但不限于):地球系统科学、自然地理学、地质学、地球物理学、大气科学、海洋科学、生态学、生物学、全球变化、水文学、环境污染、生物地球化学循环、自然资源管理、生态系统可持续发展、土地利用/覆盖/变化、环境评估和监测、遥感、数据获取/处理/同化、算法的开发、应用和建模等,特别关注地球科学和其他学科的交叉融合,聚焦于一些蓬勃发展的领域。

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(来源:科学网)

 
 
 
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