森林冠层叶面积指数计算模型的精度分析及验证

Seasonal variations in leaf area index (LAI) are very essential for predicting growth of trees and understanding responses of plants to climate changes. Optical methods are usually used to estimate LAI in forest canopies because of convenience, quickness and low-cost, but with low accuracies of these methods because of the limitation of many error sources. Previous studies have showed that a calculation model of LAI was one of key error sources, but the influence of the calculation model of LAI on seasonal changes in LAI needs to be explored. The proposed research is to be conducted in four different forest types in the Xiaoxing′an Mountains, China. We will first estimate seasonal changes in LAI using direct and optical method (digital hemispherical photography, DHP). LAI from direct method as a reference, we firstly correct the errors caused by woody materials and clumping effects on LAI, and we will systematically analyze and validate the accuracy of LAI in forest canopies estimated by optical method with 10 kinds of calculation model for LAI. We aim to confirm the influence mechanism of calculation model of LAI in estimating seasonal changes in LAI using optical methods, evaluate the accuracy of calculation models of LAI, and develop optimal calculation model of LAI for optical methods in estimating seasonal changes in LAI in different forest types. The results of the proposed research will be exposed to provide a solution for rapidly and accurately estimating seasonal changes in LAI of forest canopies.

叶面积指数(leaf area index, LAI)的季节动态对预测林木生长、了解植被对气候变化的响应机制至关重要。光学仪器法因方便、快捷、经济等优点经常用于测定森林冠层的LAI，但因受多种因素制约，其测定精度比较差。其中，LAI计算模型是影响光学仪器法测定LAI精度的关键误差源，但目前尚不清楚其影响机制。本项目拟以小兴安岭4种不同森林类型为研究对象，利用直接法和光学仪器法(半球摄影法)测定LAI的季节动态；并以直接法测定值为参考，在综合考虑木质部和集聚效应对光学仪器法测定LAI影响的前提下，系统地分析、验证目前常用的10种LAI计算模型测定森林冠层LAI的精度。本项目旨为阐明LAI计算模型对光学仪器法测定LAI季节动态的影响机制，评估不同计算模型的精度，提出光学仪器法测定不同森林类型不同时期LAI时的最优计算模型，研究结果将为高效、准确地测定森林冠层LAI的季节动态提供解决方案。

叶面积指数(LAI)是量化冠层结构参数最常用的参数之一，也是模拟光合作用、碳氮水循环关键的输入变量。光学仪器法被广泛应用于测定LAI，但其经常因测定精度低而备受诟病。为解决该科学问题，本项目提出了适于提高光学仪器法(半球摄影法和LAI-2200植物冠层分析仪)测定LAI精度的校正方案，校正后2种光学仪器法测定不同森林类型(落叶阔叶林，常绿针叶林和针阔混交林等)LAI季节变化的平均精度均高于85%。自动曝光是影响半球摄影法测定LAI精度的重要误差源，本项目提出了用于校正自动曝光对半球摄影法测定不同森林类型LAI产生误差的校正系数，而且提出了适于半球摄影法测定LAI季节变化合理的曝光设置。簇内集聚效应(针簇比)是影响光学仪器法测定LAI精度的另一重要误差源，尤其对于针叶林，簇内集聚效应是光学仪器法测定LAI最大的误差源，对于我国东北常见森林类型，其产生的误差范围可达25-30%。本项目系统地量化了不同季节簇内集聚效应产生的误差，对于日后校正光学仪器法测定针叶林LAI季节变化时因忽略簇内集聚效应产生的误差提供有效的校正参数。首次尝试了结合叶性状季节变化规律和异速生长方程法来测定LAI季节变化的直接法。以上研究成果为快捷、高效地测定不同森林类型LAI的季节变化提供了技术支持，但这些方法并不适于测定单株水平上的LAI。本项目以我国东北地区的主要阔叶树种为研究对象，通过叶面积和叶长、叶宽等叶片结构参数间的相关关系，构建了适于测定阔叶树种不同时空尺度单叶叶面积的经验模型，为进一步测定单株水平上的LAI奠定基础，也为在非破坏性下测定叶面积等叶性状的动态变化提供了技术支持。解析了生物因子、非生物因子及空间自相关对LAI空间异质性的调控作用，结果表明空间自相关对LAI空间异质性的解释率强于生物因子和非生物因子，为更准确地测定大尺度上的LAI提供科学依据。