陳幫乾 吳志祥 楊川 祁棟靈 李香萍 蘭國玉 謝貴水 陶忠良 孫瑞 肖向明

摘 要 葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）是描述植被冠層結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，它對分析橡膠光合潛力、預(yù)測產(chǎn)量和評估災(zāi)害都具有重要意義。本研究利用LAI-2000獲得了海南儋州兩院地區(qū)30個(gè)橡膠林連續(xù)2年半的LAI月動態(tài)。結(jié)果表明：（1）橡膠林LAI最小值出現(xiàn)在1～2月的落葉季，最小值為（0.54±0.14）m2/m2；隨后的第一篷葉抽葉期（3～4月），LAI快速增長，4月底平均值增至3以上[最大觀測值為（4.48±0.82）m2/m2]，平均占全年最大LAI的77.75%；之后增長趨于緩慢，至9月底達(dá)到年度最大值，最大觀測值為（5.27±0.79）m2/m2。（2）LAI年際差異較大，平均LAI相差可達(dá)1以上，影響因素主要有年際物候差和臺風(fēng)災(zāi)害等；（3）不同年齡的橡膠林之間LAI存在差異，在第一篷葉期間，平均LAI為老齡橡膠林（>20齡）>幼齡及初開割林（≤10齡）>中齡橡膠林（11～20齡），而在之后至落葉前期，平均LAI次序?yàn)橛g及初開割林>老齡橡膠林>中齡橡膠林。

關(guān)鍵詞 葉面積指數(shù) ；月動態(tài) ；橡膠林 ；海南

分類號 S794.1

Monthly Dynamics of Leaf Area Index of Rubber Plantation

in Danzhou， Hainan Island， China

CHEN Bangqian1，2） WU Zhixiang1） YANG Chuan1） QI Dongling1）

LI Xiangping2） LAN Guoyu11） XIE Guishui1） TAO Zhongliang1）

SUN Rui1） XIAO Xiangming2）

（1 Rubber Research Institute / Tropical Cops Investigation & Experiment Danzhou Station

of Ministry of Agriculture， CATAS， Danzhou， Hainan 571737， P. R. China

2 Institute of Biodiversity Science， Fudan University， Shanghai 200438， P. R. China）

Abstract Leaf area index （LAI） is an important parameter in description of the vegetation canopy structure， and is of vital importance for photosynthetic potential analyzing， yield prediction and disaster assessment in rubber plantations. In this study， LAI-2000 was used to measure the monthly LAI of 30 rubber plantations in Danzhou City， Hainan Island， China for more than two years. The results show that the minimum LAI （0.54±0.14） was found in late January and February， when most rubber trees had shed their leaves due to the cold temperature and dry weather. Subsequently， the LAI of rubber plantations increased significantly in March and April， then slowly increasing until reached the maximum value in late September， which had a value of （5.27±0.79） in 2013. By the end of April， the average LAI increased to three or more， and accounts for about 80% of the total annual maximum LAI. However， the average LAI is differing largely among different years， mainly due to the inter-annual phenological difference and natural disasters such typhoons. In addition， the mean LAI differs at different age groups. The order of mean LAI in March and April is aged rubber plantations （>20 years） >young rubber plantations （≤10 years）>mid-aged （11～20 years） rubber plantations. However， the LAI of young rubber plantations would exceed the aged rubber plantations after April because they are seldom bearing latex tapping and almost of their nutrient are used for biomass accumulation.

Keywords leaf area index ； monthly dynamic ； rubber plantation ； Hainan

植被葉面積指數(shù)（Leaf Area Index， LAI）通常指單位土地面積上所有葉片表面積的總和，或單位面積上植物葉片的垂直投影面積的總和[1]。LAI是植被冠層結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，葉面積的大小及其分布直接影響著植被的許多生物物理過程，如光合呼吸、蒸騰和降水的截獲、碳能量等[1-4]，同時(shí)它也是確定陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量交換大小的一個(gè)重要參數(shù)。LAI還影響冠層小氣候，包括風(fēng)、溫度和濕度等，小氣候不僅影響著植被本身狀況而且還影響其它生物體，例如害蟲和病原體等，因而對病蟲害監(jiān)測也非常有意義[5-9]。此外，森林的LAI也是表征林分長勢和預(yù)測森林產(chǎn)量的重要林學(xué)指標(biāo)之一[10]。

巴西橡膠樹（Hevea brasiliensis）是大規(guī)模種植的產(chǎn)膠樹種，在中國總面積超過110萬hm2。因此，開展橡膠林LAI動態(tài)研究，對分析橡膠林光合潛力，產(chǎn)量預(yù)測和災(zāi)害評估等都具有非常重要的意義。國內(nèi)外學(xué)者很早就涉及橡膠林LAI的研究。胡耀華等[11]采用分層采葉樣的方法計(jì)算LAI，并以此為參數(shù)研究橡膠林的群體光合作用模型；Leong等[12]采用半球攝影法研究橡膠林的LAI和透光性，并以地面測量數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，表明二者具有良好的相關(guān)性，建議利用該方法估算橡膠林LAI和冠層透光性；Righi等[13]通過LAI-2000測量LAI的變化來觀察橡膠林的物候行為，結(jié)果表明， LAI受膠園的設(shè)計(jì)如種植密度、樹齡、是否間種等因素影響。此外，無論是間種豆類植物還是單一栽培，橡膠產(chǎn)量與LAI嚴(yán)格正相關(guān)，但間種豆類的橡膠林LAI明顯高于單一栽培，測量值在2～4 m2/m2，并建議把LAI作為管理割膠強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)，以此達(dá)到高產(chǎn)的目的。Rodrigo等[14]在幼齡膠園開展間種不同密度的香蕉對比實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用LI3050葉面積測量儀測量橡膠樹LAI，發(fā)現(xiàn)隨著香蕉種植密度的增加（從1行增到3行），橡膠樹LAI、總干物質(zhì)量逐漸增加，增加種植密度對橡膠和香蕉的生長都沒有不利影響。Balsiger等[15]的研究也表明，開割膠園最大LAI可達(dá)6～7 m2/m2。陳幫乾等[16]研究了從HJ-1A/1B CCD多光譜遙感影像中反演橡膠林LAI的方法，表明自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NARX模型在LAI時(shí)間序列預(yù)測方面具有不錯(cuò)的預(yù)測效果。本研究擬以海南最大的植膠基地——儋州地區(qū)的橡膠林為例，基于長期定點(diǎn)觀測的LAI數(shù)據(jù)，分析海南橡膠林LAI的動態(tài)變化規(guī)律，為今后橡膠林長勢監(jiān)測、產(chǎn)量預(yù)測和災(zāi)害評估等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進(jìn)天然橡膠產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選擇在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)農(nóng)場（簡稱“試驗(yàn)場”），地理坐標(biāo)為19°30′N，109°29′E，位于儋州市境內(nèi)（圖 1）。試驗(yàn)場海拔130～200 m，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年溫暖濕潤，年平均氣溫23～27℃；年平均降雨量1 800 mm，每年5～10月為雨季，約占全年總降水量的80%。該試驗(yàn)場擁有土地面積3 299 hm2，其中橡膠種植面積1 529 hm2[16]。于2012年在試驗(yàn)場隨機(jī)布置30個(gè)橡膠林段，空間分布如圖1所示。林段面積在1.16～14.48 hm2。林段樹齡最小為7齡，最大30齡，平均16.2齡，其中<10、11～15、16～20、21～25和>25齡的林段個(gè)數(shù)分別為7、8、7、3和5個(gè)。橡膠品系主要為熱研7-33-97（18個(gè)林段），其余部分為PR107、RRIM600和熱研7-20-59。

1.2 LAI數(shù)據(jù)測量

LAI-2000冠層分析儀被用于測量橡膠林LAI。LAI-2000測量的結(jié)果實(shí)為有效葉面積指數(shù)，此處簡稱為LAI。野外數(shù)據(jù)測量從2012年3月開始，以月為步長測量至2014年3月（2年整），隨后在2014年5月和7月各測量1次，之后因儀器故障中斷。測量時(shí)間為每月25號左右，選擇無云的早上（8：30以前）和下午（4：30以后）或全陰天進(jìn)行測量。每次測量時(shí)，在林段外的開闊地（離水平面30度視角范圍內(nèi)無高大遮擋物）連續(xù)測量8個(gè)A值代替冠層上方輻射值，然后在待測林段根據(jù)面積大小測量24～36個(gè)B值（冠層下方輻射值），結(jié)束后快速返回開闊地再次測量8個(gè)A值，保證每個(gè)實(shí)驗(yàn)林段擁有2個(gè)A值，盡量控制每個(gè)林段的測量時(shí)間在15 min以內(nèi)。測量B值時(shí)，沿橡膠林行對角線進(jìn)行測量，至少2個(gè)重復(fù)，每2個(gè)B值采樣距離不低于5 m。為防止邊界效應(yīng)，確保測量方向內(nèi)離邊界有2倍樹高的最小距離。若有太陽光，應(yīng)利用身體陰影擋住魚眼鏡頭。

1.3 LAI數(shù)據(jù)處理與分析

測量原始數(shù)據(jù)采用FV-2200分析軟件進(jìn)行處理。FV-2200能夠同時(shí)處理LAI-2000和LAI-2200的數(shù)據(jù)。理想情況是同時(shí)使用2臺儀器測量，1臺用于在林段外空曠地連續(xù)測量A值，另1臺在林段內(nèi)同步測量B值，這樣保證每個(gè)B值擁有一個(gè)相應(yīng)的A值。由于本實(shí)驗(yàn)過程只有1臺儀器，因此假定在每個(gè)林段的測量時(shí)間內(nèi)冠層上空的輻射（A值）呈線性變化[17]，通過首尾A值插值的方法來為每個(gè)B值生成一個(gè)A值，這樣可以提高測量精度。數(shù)據(jù)處理前，將每個(gè)林段測量的2次A值分別進(jìn)行平均，以平均值代表測量前后的A值。已有研究表明，去掉LAI-2000最后2個(gè)環(huán)（47～58°和61～74°）測量數(shù)據(jù)后計(jì)算的LAI更適合闊葉物種[17-19]，因此，本研究也只使用前3個(gè)環(huán)的觀測數(shù)據(jù)來計(jì)算橡膠林LAI。

使用FV-2200完成LAI計(jì)算后，統(tǒng)計(jì)全部試驗(yàn)樣地林段LAI的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，分析橡膠林LAI月動態(tài)；以10年為步長，分析不同年齡段橡膠林LAI月動態(tài)。統(tǒng)計(jì)分析在Excel 2013中進(jìn)行，圖形繪制在Origin Pro 9.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠林LAI月動態(tài)

圖2 所示為海南儋州兩院試驗(yàn)農(nóng)場30個(gè)橡膠林段LAI月動態(tài)，誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差。連續(xù)2年多的數(shù)據(jù)表明，2月LAI最低，2013年平均LAI接近1 m2/m2，2014年1月和2月的LAI均低于1 m2/m2，其中2月LAI均值為（0.54±0.14）m2/m2。從2月底至3月底，橡膠林LAI迅速增加，在2013年和2014年分別增至（3.87±0.81）和（3.90±0.71）m2/m2，但2012年3月LAI值偏小，為（2.17±0.63）m2/m2。此外，4月份LAI也有一個(gè)較快的增長，進(jìn)入5月后增長速度趨于平緩。2012和2013年最大LAI值均出現(xiàn)在9月底，數(shù)值分別為（4.23±1.06）和（5.27±0.79）m2/m2，隨后逐漸下降， 2013年LAI下降速度明顯快于2012年。在2014年，7月的平均LAI（4.44±0.52）m2/m2明顯低于5月數(shù)值（4.89±0.58）m2/m2。

表1為2012和2013年生長季內(nèi)每月LAI以及2年平均值占全年最大LAI的累計(jì)百分比。數(shù)據(jù)表明，3月末平均LAI占全年最大LAI的62.40%，但年際差異較大，2012年為51.42%，2013年為73.38%，相差幅度為21.96%。至4月底，第一篷葉抽葉基本結(jié)束，平均LAI已增至全年最大LAI的77.75%，年際差異（70.12%～84.90%）進(jìn)一步縮小。5月后海南開始進(jìn)入雨季，同時(shí)橡膠林開始抽第二篷葉，持續(xù)至6月底或7月初。至7月底平均LAI已達(dá)全年最大LAI的91.71%，9月底均達(dá)到最大值。

2.2 不同樹齡橡膠林LAI動態(tài)

圖3為以10齡分組的不同樹齡橡膠林平均LAI月動態(tài)。在2012～2014年3年間，老齡橡膠樹（>20齡）的LAI在3月和4月最大，隨后其平均值介于中齡橡膠樹（11～20齡）和幼齡及初開割林（≤10齡）之間。幼齡及初開割林的LAI在5月后增長較快，并明顯高于其它2個(gè)年齡段橡膠林的LAI。中齡橡膠林的平均LAI在全年幾乎都是最小。在2013年2月和2014年1月，幼齡及初開割林的LAI均比其它年齡段橡膠林的LAI要大。此外，在2014年7月，不同樹齡橡膠林的LAI均低于5月觀測值，其中幼齡及初開割林的LAI下降最為顯著。

海南橡膠林LAI在1～2月最低，其原因是在緯度較高的熱帶地區(qū)，橡膠林受干旱氣候和冷空氣影響，表現(xiàn)出落葉林的特征。海南橡膠林落葉主要集中在溫度較低的1月和2月，多數(shù)年份集中在2月初至2月中旬，但不同年份落葉時(shí)間相差也較大（圖2）。比如在2013年1月下旬，儋州兩院地區(qū)大部分橡膠樹幾乎未表現(xiàn)出明顯的落葉（圖4-a），平均LAI為（3.27±0.85）m2/m2；但在2014年1月下旬，存于橡膠樹上的葉量僅剩約10%～20%（圖4-c），落葉幾乎接近結(jié)束，平均LAI為（0.89±0.29）m2/m2。當(dāng)橡膠樹完全落葉后，影響LAI大小的主要因素是樹干和枝條，稱所測LAI為木面積指數(shù)（Woody Area Index， WAI）更為合理。2014年該地區(qū)橡膠樹落葉最為完整，所以平均LAI明顯低于2013年，為（0.54±0.14）m2/m2。2013年1、2月及2014年1月，均觀察到幼齡及初開割林的LAI最高，其原因是幼齡及初開割林整體落葉時(shí)間要晚于其它年齡段的橡膠林，某些老葉甚至持續(xù)到4、5月才完全脫落。

如果無嚴(yán)重自然災(zāi)害，海南的橡膠樹經(jīng)過短暫的落葉休整后，多在2月底或3月初開始抽第一篷葉。第一篷抽葉對LAI的貢獻(xiàn)度最大，至4月底平均LAI占年際最大LAI的77.75%（70.12%～84.90%，圖4-b和4-d），這與何康等[20]的報(bào)道結(jié)果一致。在海南，橡膠林在3、5月初、7底至8月初有3次較明顯的抽葉過程，其中第一篷葉抽葉占全年的80%左右[20]。至9月底抽葉基本結(jié)束，橡膠林LAI同時(shí)也達(dá)到最大值。本研究觀測到的最大LAI為6.83 m2/m2，9月平均值為（5.27±0.79）m2/m2，這與Balsiger等[15]觀測到橡膠林的最大LAI一致，但要高于Righi等[13]的觀測結(jié)果。

不同樹齡橡膠樹的LAI月動態(tài)存在差異。老齡橡膠在3、4月的平均LAI最大，其原因是老齡橡膠林具有相對較大的冠層，在抽葉初期能充分利用光能實(shí)現(xiàn)迅速抽葉，實(shí)現(xiàn)LAI的快速增長。幼齡及初開割林，其落葉時(shí)間往往晚于其它年齡段的橡膠林，在一定程度上影響了整體抽葉，因此其LAI的增長速度及數(shù)值不及老齡橡膠林。幼齡及初開割林的冠層相對較小但枝條密集，不受或很少受割膠影響，其絕大部分養(yǎng)分能用于冠層和樹干的增長[21]，因此老葉完全脫落之后的整體LAI比其它年齡段的橡膠林要高。11～20齡的橡膠樹處于青狀年期，也是許多品系的高產(chǎn)期，很大一部分養(yǎng)分將用于膠乳的生產(chǎn)，因此生長也趨于緩慢[21]，導(dǎo)致整體LAI不是很高。老齡橡膠樹的產(chǎn)量逐漸降低，生物量的增長雖然緩慢，但累計(jì)生物量較大，冠層較大，所以LAI高于中齡橡膠樹。

在圖3不同樹齡的LAI變化曲線中，生長季內(nèi)有部分月份的LAI略低于前一月份，這可能是測量誤差所致。盡管在測量過程中盡量保證儀器處于理想的工作環(huán)境中，但仍然有不少環(huán)境因素?zé)o法把控，比如測量途中天空中云量的突然增加。但是2014年7月LAI集體下降，是測量誤差所不能解釋的。按2012年和2013年的平均LAI曲線走勢來看，2014年7月的LAI理應(yīng)也呈增長趨勢。引起LAI顯著下降的原因是2014年7月18日在海南登陸的“威馬遜”超級臺風(fēng)。威馬遜是自1973年以來登陸華南地區(qū)的最強(qiáng)臺風(fēng)，所幸的臺風(fēng)重災(zāi)區(qū)?？诤臀牟N植橡膠很少，臺風(fēng)雖強(qiáng)但破壞區(qū)域半徑不大，海南橡膠整體受損程度遠(yuǎn)不及2011年正面襲擊的“納沙”臺風(fēng)。盡管如此，強(qiáng)臺風(fēng)導(dǎo)致森林空間結(jié)構(gòu)的改變[22]，如大量樹葉和細(xì)枝的損失，剛好7月的LAI測量是在臺風(fēng)后的下旬進(jìn)行，因此觀測到了整體LAI的顯著下降。幼齡及初開割林的LAI下降最為顯著（圖3），其原因是此時(shí)它們的LAI整體水平最高，所受臺風(fēng)影響也最大。Aosier等[23]之前的研究表明，LAI是從ASTER多光譜遙感影像中發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)過后倒樹的重要指標(biāo)。根據(jù)本試驗(yàn)觀測結(jié)果，建議將LAI作為衡量橡膠林臺風(fēng)災(zāi)害損失的重要指標(biāo)，通過監(jiān)測臺風(fēng)災(zāi)害前后LAI的變化，可從結(jié)構(gòu)損失層面評估橡膠林臺風(fēng)災(zāi)害損失。

3 結(jié)論與討論

本研究以海南儋州兩院地區(qū)的橡膠林為例，利用LAI-2000連續(xù)2年多觀察不同樹齡橡膠林的LAI月變化，結(jié)果表明：橡膠林LAI在1～2月落葉季最低，隨后快速增長，第一篷葉抽葉對全年LAI貢獻(xiàn)度約80%。LAI在9月底達(dá)到峰值，最大觀測值為（5.27±0.79），隨后逐漸下降，12月或1月后急速下降。不同年齡的橡膠林LAI之間也存在較大差異，總體來說幼齡及初開割林的LAI最大，其次是老齡膠園，最后是中齡膠園。此外，橡膠林LAI還受自然災(zāi)害如臺風(fēng)的顯著影響，嚴(yán)重自然災(zāi)害會有短暫的時(shí)間和大面積范圍內(nèi)顯著降低橡膠林的LAI數(shù)值。本研究的結(jié)果能為研究橡膠林物候特征、生長狀況、產(chǎn)量預(yù)測及災(zāi)害評估等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] Chen J M， Cihlar J. Retrieving leaf area index of boreal conifer forests using Landsat TM images[J]. Remote Sensing of Environment. 1996， 55（2）： 153-162.

[2] 駱知萌，田慶久，惠鳳鳴. 用遙感技術(shù)計(jì)算森林葉面積指數(shù)——以江西省興國縣為例[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，41（3）：253-258.

[3] Zheng G， Monika M L. Retrieving Leaf Area Index （LAI） Using Remote Sensing： Theories， Methods and Sensors[J]. Sensors. 2009， 9（4）： 2 719-2 745.

[4] Wang Q， Tenhunen J， Dinh N Q， et al. Evaluation of seasonal variation of MODIS derived leaf area index at two European deciduous broadleaf forest sites[J]. Remote Sensing of Environment. 2005， 96（3-4）： 475-484.

[5] 童慶禧，張 兵，鄭蘭芬. 高光譜遙感的多學(xué)科應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[6] Sprintsin M， Cohen S， Maseyk K， et al. Long term and seasonal courses of leaf area index in a semi-arid forest plantation[J]. Agricultural and Forest Meteorology. 2011， 151（5）： 565-574.

[7] Schleppi P， Thimonier A， Walthert L. Estimating leaf area index of mature temperate forests using regressions on site and vegetation data[J]. Forest Ecology and Management. 2011， 261（3）： 601-610.

[8] Jiang B， Liang S L， Wang J D， et al. Modeling MODIS LAI time series using three statistical methods[J]. Remote Sensing of Environment. 2010， 114（7）： 1 432-1 444.

[9] Rochdi N， Fernandes R. Systematic mapping of Leaf Area Index across Canada using 250-meter MODIS data[J]. Remote Sensing of Environment. 2010， 114（5）： 1 130-1 135.

[10] 趙麗芳，譚炳香，楊 華，等. 高光譜遙感森林葉面積指數(shù)估測研究現(xiàn)狀[J]. 世界林業(yè)研究，2007，20（2）：50-54.

[11] 胡耀華，王 釗，舒宜通，等. 橡膠樹群體光合作用研究II. 估算橡膠樹群體光合量的一個(gè)數(shù)學(xué)模型[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)，1982，3（1）：41-48.

[12] Leong W， Yoon P K. Institut Penyelidikan，Lemeur R. Characterisation of leaf area index and canopy light penetration of Hevea brasiliensis Muell. Arg by hemispherical photography[J]. Plant physiology and biochemistry. 1982， 30： 80-90.

[13] Righi C， Bernardes M. The potential for increasing rubber production by matching tapping intensity to leaf area index[J]. Agroforestry Systems. 2008， 72（1）： 1-13.

[14] Rodrigo V H L， Stirling C M， Teklehaimanot Z， et al. The effect of planting density on growth and development of component crops in rubber/banana intercropping systems[J]. Field Crops Research. 1997， 52（1-2）： 95-108.

[15] Balsiger J， Bahdon J， Whiteman A. The Utilization， processing and demand for Rubberwood as a source of wood supply[M]. APFSOS/WP/50 ed. Forestry Policy and Planning Division， Rome，Regional Office for Asia and the Pacific， Bangkok， 2000.

[16] Chen B Q， Wu Z X， Wang J K， et al. Spatio-temporal prediction of leaf area index of rubber plantation using HJ-1A/1B CCD images and recurrent neural network[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2015， 102： 148-160.

[17] Soudani K， Francois C， le Maire G， et al. Comparative analysis of IKONOS， SPOT， and ETM+ data for leaf area index estimation in temperate coniferous and deciduous forest stands[J]. Remote Sensing of Environment. 2006， 102（1-2）： 161-175.

[18] Olthof I， King D J. Development of a forest health index using multispectral airborne digital camera imagery[J]. Canadian Journal of Remote