汪歡歡，楊 琴，蒲紅梅，何 進，程 華，韓 敏，趙學(xué)春，王志偉，金寶成

（1貴州大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，貴陽 550025；2貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽 550025；3蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；4貴州省自然資源勘測規(guī)劃研究院，貴陽 550004；5貴州省草業(yè)研究所，貴陽 550006）

0 引言

植被覆蓋度是單位面積內(nèi)植被垂直投影面積占總面積的百分比[1-3]。它是重要的生態(tài)學(xué)參數(shù)[4]，能夠直接量化植被生長狀況的指標(biāo)，同時也是大豆等農(nóng)作物的重要農(nóng)藝參數(shù)[5]，與光合作用過程、作物蒸散發(fā)和產(chǎn)量緊密聯(lián)系[6-11]。因此，準(zhǔn)確測量大豆等作物的植被覆蓋度具有重要意義。常用的植被覆蓋度測量方法有照相法[12-14]、目估法[15-16]和樣線法[1,17-19]等。

照相法是采用計算機軟件對樣方內(nèi)的照片進行目視解譯或監(jiān)督分類等方法來獲得覆蓋度，該方法要求測量人員掌握監(jiān)督分類技術(shù)，具有人為因素影響小，測量精度高等優(yōu)點[20-24]。章文波等[24]采用照相法測量玉米以及玉米套種大豆的覆蓋度時發(fā)現(xiàn)，其最大絕對誤差小于5%。宋雪峰等[25]采用照相法測量草地覆蓋度，測量精度高達94.7%。章超斌等[23]采用照相法測量了阜康市草地的覆蓋度，精度高達95%。楊琴等[2]研究了結(jié)縷草(Zoysia japonica)、白三葉(Trifolium repens)和雀稗(Paspalum thunbergii)等人工草地的植被覆蓋度實地測量方法，發(fā)現(xiàn)照相法測量精度高達96.8%，因此，照相法測量值可以作為其他方法植被覆蓋度測量值精度的參考。

目估法是測量人員憑借經(jīng)驗，通過肉眼識別樣方覆蓋度[15-16]。但目估的主觀隨意性較大，需要目估人員具有豐富的經(jīng)驗[26]。章文波等[26]研究玉米及玉米套種大豆等高度相對較高的作物時發(fā)現(xiàn)，隨著目估人數(shù)的增加，目估精度逐漸提高，但個人目估誤差可達40.4%，同時目估精度也受限于植被蓋度的大小，當(dāng)植被蓋度很大或很小時，目估的精度越高。之前研究發(fā)現(xiàn)目估精度和植被高度有關(guān)，楊琴等人研究結(jié)縷草（株高3 cm）、白三葉（株高10 cm）和雀稗（株高15 cm）時發(fā)現(xiàn)，植被越高，目估誤差越大[2]。

樣線法為樣線垂直攔截植被的長度除以樣線的總長度，以此獲得覆蓋度[1,17-19]。樣線法是使用最多的一種方法[18]。該方法一般適用于稀疏植被、人工草地和高大植被覆蓋度的測量[2-3]，同時需要測量人員具備一定的相關(guān)知識[18]。因為在外出采樣時所需要的人數(shù)相對較少，效率相對較高、較省時，因此被廣泛使用[18]。該方法曾被認為是測量覆蓋度最為客觀的一種方法，但其精度會受植被自身形態(tài)（葉子大小和形狀）等因素影響較大[1]。楊琴等[2]研究人工草地時發(fā)現(xiàn)，樣線法精度較高，速度較快，測量誤差小于5%，平均耗時約3.5 min。但是樣線長度受植被覆蓋度的影響，覆蓋度越低，所需樣線長度越長[1-2,18]。當(dāng)對群落中多數(shù)物種進行估計時，需要增加樣方中的樣線數(shù)量才能提高精度，但增加樣線數(shù)量的同時，耗時也同樣增加[17]。

理想的覆蓋度測量方法耗時短，工具簡單，結(jié)果準(zhǔn)確，受人為因素影響小[27]。本研究通過照相法、目估法、實地樣線法和照片樣線法測量大豆覆蓋度，對比這幾種方法測定的大豆覆蓋度誤差，以期尋找出精度較高且快速的適合類似大豆作物覆蓋度測量方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于貴州省安順市西秀區(qū)，地理位置為105°13′—106°33′E，25°21′—26°37′N之間，地處珠江水系北盤江流域和長江水系烏江流域的分水嶺地帶[28]。平均海拔在1200～1400 m之間，地勢呈現(xiàn)出北部高南部低的趨勢，雨量充沛，年平均降雨量1360 mm，降水一般集中在5—8月，年平均相對濕度80%左右，年平均氣溫14℃，屬于典型的中亞熱帶氣候區(qū)，年平均無霜期280天，日照較少、輻射低[28-29]。土壤pH偏小，整體上呈現(xiàn)出酸性土壤[30]。

1.2 研究方法

試驗采樣地以大豆為研究對象，包括‘黔豆3號’、‘川豆16’和大黑豆等24個品種，設(shè)置包括：12萬、24萬、36萬、48萬、60萬、72萬、90萬株/hm2等7個密度，種植3行，行距0.4 m，株距0.5 m，24個品種隨機播種，共168個樣方，樣方大小為1 m×1 m。分別采用照相法、目估法、實地樣線法和照片樣線法測量其覆蓋度。測定時間為2020年6月25日，采用佳能1600萬像素相機，垂直放置于樣方正上方，在約2 m的高度垂直向下拍照，所獲樣方照片用于室內(nèi)測量植被覆蓋度。

室內(nèi)采用ERDAS IMAGING 2015軟件對樣方進行監(jiān)督分類，提取照片中植被像元，然后在ArcMap10.8軟件中計算植被像元比例，即為照相法所測覆蓋度[2,12-14]。對于每一個樣方，通過Microsoft Office 2019生成約30個隨機點，加載到ArcMap10.8軟件中，進行精度檢驗，檢驗得到分類精度為(96.81±3.87)%（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=168）。

目估法為草業(yè)科學(xué)專業(yè)的碩士研究生和博士研究生，每個樣方由7人獨立目估完成，平均值即為該樣方的覆蓋度[15-16]。實地樣線法是將帶有刻度的樣線置于樣方對角線，記錄樣線在垂直方向上攔截植被的長度，將該長度除以樣線總長度，即為該樣方覆蓋度[1,18]。由于大豆植株高度較高，本實驗以地表為基準(zhǔn)，每20 cm間隔為一層，分別測量每一層的覆蓋度，最后通過隨機擬合公式計算得出總覆蓋度[14]，具體公式如式(1)所示。

式中：VC代表樣方植被覆蓋度；vc(i)為第i層的植被覆蓋度。公式來自于參考文獻[14]。

照片樣線法是使用電腦中虛擬刻度尺(Desktop Ruler 1.0)代替實地測量的樣線，把照片加載到Adobe Photoshop CS6軟件中，將照片對角線旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，用Desktop Ruler測量植被所占長度與樣線長度的比值，即為該樣方的植被覆蓋度。分別采取測量兩條樣線（兩條對角線，長度合計為2.83 m）和4條樣線（兩條對角線加兩條平分線，長度合計為4.83 m）的方法計算植被覆蓋度（圖1）。

圖1 照片樣線法示意圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

以照相法測量值作為參考值，用Microsoft Office 2019計算其它方法誤差[公式(2)]，繼而計算出參考值和誤差之間的回歸關(guān)系。采用IBM SPSS Statistics 20進行方差分析，使用SigmaPlot 10.0軟件做圖。

公式中，n表示樣方數(shù)量，vci表示某測量方法在樣方i的測量值，vci照相表示照相法在樣方i的測量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方法測量誤差

目估法所測大豆植被覆蓋度測量誤差主要分布在-25%～55%（負值代表低估，正值代表高估），在-15%～-5%區(qū)間中占比最大，為44.6%（圖2A）。實地樣線法誤差主要分布在-35%～75%之間，在-5%～5%區(qū)間內(nèi)占比最大，為50.0%（圖2B）。照片樣線法（兩條樣線）誤差主要分布在-5%～5%之間，占比最大為55.4%（圖2C）。照片樣線法（四條樣線）誤差主要分布在-5%～5%之間，占比最大為42.9%（圖2D）。

圖2 不同方法覆蓋度測量誤差分布

目估法在大豆作物測量中誤差小于10%，為(7.8±10.7)%，顯著傾向于低估。實地樣線法在大豆作物測量誤差小于5%，為(2.8±14.4)%，傾向于高估，測量一個樣方（大小1 m×1 m）用時約為6.2 min。照片樣線法，當(dāng)測量兩條樣線時，其誤差為(3.7±12.7)%，傾向于低估，用時約1.9 min；當(dāng)測量四條樣線時，其誤差為(2.1±13.4)%，也傾向于低估，用時約3.0 min（表1）。

表1 不同方法覆蓋度測量誤差

2.2 不同方法誤差和覆蓋度的相關(guān)性

目估法、實地樣線法、照片樣線法（兩條樣線和四條樣線）與照相法覆蓋度均呈顯著正相關(guān)，P＜0.05。隨照相法覆蓋度的增加，目估法、實地樣線法、照片樣線法的誤差均呈現(xiàn)出降低的趨勢，P＜0.05（圖3）。

圖3 照相法覆蓋度與不同方法覆蓋度及其誤差的相關(guān)性

2.3 覆蓋度和誤差與株高的相關(guān)性

照相法覆蓋度與株高呈二次相關(guān)，隨著株高的增加覆蓋度呈現(xiàn)出上升的趨勢（圖4）。

圖4 株高和照相法覆蓋度的相關(guān)性

隨株高的增加，目估法、實地樣線法、照片樣線法（兩條樣線、四條樣線）的覆蓋度誤差呈逐漸降低的趨勢，P＜0.05（圖5）。

圖5 株高和不同方法誤差的相關(guān)性

通過樣線法測量第一層到第五層（每20 cm為一層）覆蓋度分別為(18.64±11.05)%、(47.29±15.36)%、(51.21±26.13)%、(0.38±0.24)%和(0.18±0.13)%。其中第一層到第五層覆蓋度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢（圖6）。

圖6 層蓋度與株高的相關(guān)性

第一層(0～20 cm)與第二層(20～40 cm)覆蓋度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與第三層(40～60 cm)、第四層(60～80 cm)、第五層(80～100 cm)覆蓋度相關(guān)性不顯著(P＞0.05)。第二層與第三層覆蓋度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與第四層和第五層覆蓋度呈顯著負相關(guān)(P＜0.05)。第三層與第四層覆蓋度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與第五層覆蓋度相關(guān)性不顯著。第四層覆蓋度與第五層覆蓋度呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（表2）。

表2 層蓋度之間的相關(guān)性

3 結(jié)論

目估法測量覆蓋度誤差最大，平均為7.8%，目估誤差隨株高的增高呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，當(dāng)株高為28.7 cm時，誤差達到最大。但是隨著高度的增加，覆蓋度也逐漸增加，使得目估精度逐漸提高。實地樣線法測量大豆覆蓋度精度較高，誤差小于3%(2.8%)，但耗時較長，每個1 m×1 m樣方需用時6.2 min。研究發(fā)現(xiàn)，大豆層蓋度之間呈弱相關(guān)性，故多層隨機擬合公式可以應(yīng)用于大豆作物覆蓋度的測量。相較于目估法，照片樣線法具有更高的測量精度，相較于實地樣線法，照片樣線法能夠節(jié)省野外采樣時間，提高工作效率。因此對于大豆和類似植物的覆蓋度測量，推薦使用照片樣線法，同時兩條樣線法即可滿足測量誤差小于5%的精度要求。

4 討論

目估法的誤差最大，平均為7.8%（表1），可能由于大豆高度較高（29～91 cm，平均56.82 cm），不便垂直向下觀測。楊琴等人研究結(jié)縷草（株高3 cm）、白三葉（株高10 cm）和雀稗（株高15 cm），其對應(yīng)誤差分別為2.3%、4.2%和10.1%，發(fā)現(xiàn)植被越高目估誤差越大[2]。本文研究發(fā)現(xiàn)，株高和目估法誤差通過二次擬合后呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢（圖5A），通過擬合公式計算得出，當(dāng)株高為28.7 cm時，其目估法誤差最大，在株高小于28.7 cm時，隨著株高的增加，誤差有上升的趨勢。當(dāng)株高高于28.7 cm時，隨著株高的增加誤差有降低的趨勢。形成以上趨勢的可能原因是：雖然隨著植物高度的增加，目視垂直向下觀察和估計植被覆蓋度難度增加，導(dǎo)致目估誤差增加，但是隨著植被高度的增加，植被覆蓋度也逐漸增加（圖4），當(dāng)植被的覆蓋度超過50%，并且逐漸增大，目估難度也會逐漸降低，使得目估精度逐漸提高[2,16,26]。

實地樣線法測量大豆植被覆蓋度精度較高，誤差小于3%(2.8%)，但耗時較長，每個1 m×1 m樣方需用時6.2 min（表1）。之前的研究也發(fā)現(xiàn)實地樣線法耗時較長，實地樣線法測量結(jié)縷草、白三葉和雀稗覆蓋度時發(fā)現(xiàn)其誤差小于5%，但每個0.5 m×0.5 m樣方需用時3.45 min[2]。由于大豆高度較高（29～91 cm，平均56.82cm），本研究采取以20 cm為間隔，以實地樣線法分層測量植被覆蓋度，之后采取多層隨機擬合法計算大豆總體覆蓋度測量。實地樣線法測量誤差較小，說明多層隨機擬合法可以用于大豆及類似作物覆蓋度的測量。多層隨機擬合法的前提假設(shè)是各植被層之間相互獨立[14]，我們對大豆各層覆蓋度之間的相關(guān)性進行了分析，發(fā)現(xiàn)相鄰層之間一般具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（除第四層和第五層不顯著外），不同層覆蓋度之間的關(guān)系多為不顯著，僅僅是第二層與第四層和第五層為顯著負相關(guān)（表2），因此可以近似將不同層蓋度之間看作是相互獨立的，采用隨機擬合公式估算覆蓋度。未來需進一步驗證多層隨機擬合公式是否可以應(yīng)用于其他植被覆蓋度的測量。

照片樣線法當(dāng)采用兩條樣線測量覆蓋度（兩條對角線，長度合計為2.83 m）時，誤差小于5%(3.7%)，平均用時1.9 min，當(dāng)采用四條樣線（兩條對角線加兩條平分線，長度合計為4.83 m）時，誤差小于3%(2.1%)，平均用時3.0 min。相較于目估法，照片樣線法具有更高的測量精度，而相較于實地樣線法，照片樣線法能夠節(jié)省更多的時間，更為重要的是，實地樣線法的測量時間消耗均在室外，而照片樣線法的測量時間消耗為室內(nèi)，在室內(nèi)能夠快速的完成測量，減少人力物力消耗及野外采樣時間，進而提高工作效率。因此對于大豆和類似植物的覆蓋度測量，推薦使用照片樣線法。而對于具體的兩條或者四條樣線的選擇，因為當(dāng)樣線數(shù)量從兩條增加到四條時，測量誤差僅能降低約1.6%，但是平均耗時需增加約1.1 min，所以推薦采用兩條樣線即可滿足測量精度要。