汪歡歡，蒲紅梅，楊琴，程華，彭靖，李中才，韓敏*，金寶成*

（1.貴州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；3.貴州省自然資源勘測(cè)規(guī)劃研究院，貴州 貴陽(yáng) 550001）

草地覆蓋度是評(píng)估草地情況的客觀指標(biāo)［1-2］和重要的生態(tài)學(xué)參數(shù)［3-4］，應(yīng)用于土地退化評(píng)價(jià)［5］，大氣污染［6］、荒漠化［7-8］和放牧管理［9-10］等方面的研究，植被覆蓋度變化可以反映氣候變化趨勢(shì)［11］，并且是多種土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的基本參數(shù)［12-14］?？焖倬珳?zhǔn)的植被覆蓋度測(cè)量方法的研究具有十分重要的意義。

植被覆蓋度定義為植物垂直投影面積占樣地總面積的百分比［4，15-17］，理想的覆蓋度測(cè)量方法應(yīng)該具有耗時(shí)短，工具簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確，受人為因素影響?。?8-19］等優(yōu)點(diǎn)。植被覆蓋度測(cè)量方法按原理可分為3類［3］，第1類為目估法，測(cè)量人員通過(guò)肉眼憑借經(jīng)驗(yàn)直接估計(jì)樣方植被覆蓋度，優(yōu)點(diǎn)是不需要測(cè)量工具，獲取數(shù)據(jù)較快［4，17，20］。章文波等［4］認(rèn)為目估法主觀隨意性大，目估精度與測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，個(gè)人目估絕對(duì)誤差可達(dá)40%。也有研究發(fā)現(xiàn)草地覆蓋度目估誤差小于10%，適用于高度較低且覆蓋度較低或較高的人工草地［1］。同時(shí)目估法精度受植被高度影響，植株越高，目估人員越不容易向下觀察，目估誤差也越大［1］。第2類包括點(diǎn)框架法、樣點(diǎn)法和樣線法等，這類方法是測(cè)量樣方中植被所占小孔數(shù)（或者點(diǎn)數(shù)和線長(zhǎng)度）與小孔總數(shù)（或者總點(diǎn)數(shù)和總樣線長(zhǎng)度）的比值即為該樣方植被覆蓋度［3］。楊琴等［1］發(fā)現(xiàn)點(diǎn)框架法精度低且耗時(shí)較長(zhǎng)，樣點(diǎn)法適用于植被高度低且硬度較小的草地樣方，而樣線法誤差小于5%，精度較高且耗時(shí)短，但是樣線法需要具備一定的專業(yè)知識(shí)和培訓(xùn)才能進(jìn)行測(cè)量［21］，適用于人工草地、稀疏植被和高大植被 的 覆 蓋 度 測(cè) 量［1，22］。第3類 包 括 空 間 定 量 計(jì) 法（SQS）、移動(dòng)光量計(jì)法（TQS）和照相法等，SQS和TQS方法需要專用傳感器設(shè)備，其設(shè)備價(jià)格昂貴且室外操作不便［3］。照相法是使用相機(jī)垂直樣方向下拍照獲取照片，再通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)照片提取植被與非植被像元，植被像元與樣方總像元的比值即為覆蓋度，該方法能有效排除人為誤差且精度高［1，23-25］，但該方法要求測(cè)量人員掌握照片植被信息提取技術(shù)［23］。宋雪峰等［26］使用數(shù)碼相機(jī)拍攝照片，通過(guò)圖像處理軟件提取照片中草地綠色植被信息，抽樣精度達(dá)94.7%。照相法測(cè)量農(nóng)作物覆蓋度精度達(dá)89.6%［27］，測(cè)量人工草地覆蓋度精度達(dá)96.8%［1］。

以上植被覆蓋度實(shí)地測(cè)量方法雖然具有一定的精度，但是（除目估法外）需要消耗較長(zhǎng)的實(shí)地采樣時(shí)間。如果能夠?qū)鹘y(tǒng)實(shí)地樣線法的思路應(yīng)用于樣方照片分析，測(cè)量人員實(shí)地拍攝樣方照片，室內(nèi)對(duì)照片使用樣線法思路進(jìn)行覆蓋度獲取，將極大地減少實(shí)地采樣時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。本研究以結(jié)縷草（Zoysia japonica）、白三葉（Trifolium repens）和雀稗（Paspalum thunbergii）草地為研究對(duì)象，以照相法測(cè)量值為參考，探索照片樣線法的精度和適用性，以期為草地覆蓋度測(cè)量提供更為快速經(jīng)濟(jì)的方法。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)西南地區(qū)的貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)（E 106°27′～106°53′，N 26°11′～26°34′），花溪區(qū)位于貴州高原中部，地處云貴高原由西向東低山丘陵過(guò)渡的斜坡，山峰眾多，山地性顯著，壩地較少，全區(qū)總面積9 641 4.7 hm2，草地面積6 140.1 hm2［28］。花溪區(qū)平均海拔1 100 m，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫（2008-2018年）13.7～15.3 ℃，最冷月（1月）氣溫-1.5～6.6 ℃，最熱月（7月）氣溫21.9～24.3 ℃，年均降水量735～1562 mm，年平均日照為681.6～1 230.7時(shí)（中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；http://data.cma.cn/）。土壤類型繁多，以黃壤為主［29］（中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)；http://vdb3.soil.csdb.cn）。

1.2 研究方法

以結(jié)縷草、白三葉和雀稗作為建群種的3種人工草地試驗(yàn)樣地（表1），每個(gè)人工草地設(shè)置10個(gè)50 cm × 50 cm樣方。采用照相法、照片目估法和照片樣線法分別測(cè)量其植被覆蓋度，并記錄測(cè)量時(shí)間。試驗(yàn)時(shí)間為2018年6月14-21日，采用1 600萬(wàn)像素相機(jī)，置于樣方中心上方，在1.5 m高度垂直向下拍照，獲取樣方照片用于室內(nèi)分析植被覆蓋度。

表1 測(cè)量樣地Table 1 Sampling plots

使用ERDAS IMAGINE 2013 軟件中的監(jiān)督分類工具，提取樣方照片中的植被像元，繼而在ArcMap 10.2 軟件中加載監(jiān)督分類后的照片，計(jì)算出植被像元在整個(gè)樣方中所占的比例，即為照相法植被覆蓋度（表1），該方法能排除人為測(cè)量誤差且精度較高［1，23-25］，因此本研究中其他測(cè)量方法精度的評(píng)估，以照相法測(cè)量值為參考。

對(duì)于每個(gè)草地樣方，通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生約50個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，對(duì)以上目視解譯分類精度進(jìn)行檢驗(yàn)，得到分類精度為（96.8±3.2）%（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=30）。實(shí)地目估法測(cè)量人員為草業(yè)科學(xué)專業(yè)碩士研究生，每個(gè)樣方由4-6人獨(dú)立完成目估測(cè)量，取平均值作為實(shí)地目估法測(cè)量值；照片目估法通過(guò)樣方照片目估測(cè)量植被覆蓋度，每個(gè)樣方由10人獨(dú)立完成目估測(cè)量，取平均值作為照片目估法測(cè)量值。實(shí)地樣線法是將帶有刻度的樣線置于樣方對(duì)角線，記錄樣線在垂直方向上攔截植被的長(zhǎng)度，將該長(zhǎng)度除以樣線總長(zhǎng)度，即為該樣方覆蓋度［20］。照片樣線法是使用電腦中的桌面刻度尺軟件（version 1.0）代替實(shí)地覆蓋度測(cè)量中的樣線，通過(guò)桌面刻度尺測(cè)量樣方照片的對(duì)角線或垂直線上植被所占長(zhǎng)度與總樣線長(zhǎng)度的比值，即為該樣方植被覆蓋度（圖1）［3］。照片樣線法分為兩種處理，一種測(cè)樣方照片2條對(duì)角線（合計(jì)1.4 m）（圖1-A），另一種測(cè)量樣方照片2條對(duì)角線和2條垂直線，共計(jì)4條樣線（合計(jì)2.4 m）（圖1-B）。

圖1 照片樣線法示意圖Fig.1 Illustration of photo line interception method

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Office 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并用Sigma-Plot 10.0軟件制圖。以照相法測(cè)量值為參考，計(jì)算其它方法誤差［1］（公式1）。

式中：vci表示某測(cè)量方法在樣方i的測(cè)量值，vci照相表示照相法在樣方i的測(cè)量值。

2 結(jié)果與分析

實(shí)地目估法測(cè)量誤差平均為（5.6±4.0）%，其中雀稗草地誤差最大，為（10.1±16.5）%，白三葉草地其次，為（4.2±3.5）%，結(jié)縷草草地最小，為（2.3±10.2）%。照片目估法測(cè)量誤差平均為（14.6±7.3）%，其 中 結(jié) 縷 草 草 地 誤 差 最 大，為（26.3±4.6）%，白三葉草地其次，為（12.1±5.1）%，雀稗草地最小，為（5.6±12.2）%。實(shí)地樣線法測(cè)量誤差平均為（2.7±2.2）%，每種草地的測(cè)量誤差均小于5%，每個(gè)50 cm×50 cm草地樣方平均需要消耗（3.5±1.6） min野外測(cè)量時(shí)間（表2）。

照片樣線法測(cè)量2條樣線時(shí)，結(jié)縷草、白三葉和雀稗草地測(cè)量誤差均小于5%，平均（3.3±10.5）%，分別為（2.6±14.3）%、（4.4±9.2）%和（2.8±8.0）%。測(cè)量4條樣線時(shí)，結(jié)縷草和雀稗草地誤差小于5%，分別為：（0.4±15.6）%和（2.3±6.8）%，白三葉草地誤差大于5%，為（6.8±8.8）%。照片樣線法的測(cè)量樣線數(shù)量從2條（合計(jì)長(zhǎng)度1.4 m）增加到4條（合計(jì)長(zhǎng)度2.4 m）時(shí)，平均每個(gè)樣方耗時(shí)增加3.5 min，即從（3.7±0.8） min增加到（7.2±1.4） min。照片樣線法測(cè)量2條和4條樣線時(shí)均傾向于高估植被覆蓋度，其中白三葉草地測(cè)量4條樣線時(shí)與0值差異顯著（表2）。

表2 不同方法誤差與耗時(shí)Table 2 Errors and time consumption of different methods

照片樣線法2條樣線和4條樣線的測(cè)量值均與照相法測(cè)量值均呈顯著線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），2條樣線和4條樣線的測(cè)量值均隨照相法覆蓋度測(cè)量值的增加而增加，兩者公式的系數(shù)和截距接近，2條樣線的R2略大于4條樣線的R2（圖2）。

圖2 照片樣線法覆蓋度與照相法覆蓋度的相關(guān)關(guān)系Fig.2 The relationship between the plant cover of photo line interception method and photographic method

照片樣線法2條樣線和4條樣線的測(cè)量誤差均隨照相法測(cè)量值的增加而顯著降低（P＜0.05），2條樣線和4條樣線的誤差均隨照相法覆蓋度測(cè)量值的增加而降低，兩者公式的系數(shù)和截距接近，4條樣線的R2略大于2條樣線的R2（圖3）。

圖3 照片樣線法誤差與照相法覆蓋度的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The relationship between the error of photo line interception method and the plant cover of photographic method

3 討論

之前研究發(fā)現(xiàn)實(shí)地樣線法精度較高、獲取數(shù)據(jù)較快，適用于人工草地、稀疏植被和高大植被的覆蓋度測(cè)量［1，20-22］。本研究將實(shí)地樣線法思路應(yīng)用于樣方照片分析，提出了草地覆蓋度測(cè)量的照片樣線法，發(fā)現(xiàn)照片樣線法測(cè)量耗時(shí)短且精度較高。每個(gè)樣方耗時(shí)約3.7 min（表2），時(shí)間消耗小于點(diǎn)框架法（11.8 min）、網(wǎng)格法1 cm×1 cm（12.7 min）和網(wǎng)格點(diǎn)法1 cm×1 cm（13.3 min），但比網(wǎng)格法5 cm×5 cm（1.4 min）和網(wǎng)格點(diǎn)法5 cm×5 cm（1.4 min）耗時(shí)較多，與樣針?lè)ê蛯?shí)地樣線法耗時(shí)接近［1］，但是時(shí)間消耗主要發(fā)生在室內(nèi)。不同草地測(cè)量誤差平均3.3%（表2），結(jié)縷草、白三葉和雀稗3個(gè)人工草地測(cè)量誤差均低于5%，與實(shí)地樣線法測(cè)量精度接近［1］。照片樣線法測(cè)量精度均高于樣針?lè)ǎ?.8%）、點(diǎn)框架法（10.4%）、網(wǎng)格法1 cm×1 cm（9.2%）、網(wǎng)格法5 cm×5 cm（18.6%）、網(wǎng)格點(diǎn)法1 cm×1 cm（12.1%）和 網(wǎng) 格 點(diǎn) 法5 cm×5 cm（16.4%）［1］。雖然之前研究發(fā)現(xiàn)實(shí)地樣線法增加樣線數(shù)量會(huì)降低誤差［1，16］，但是本研究發(fā)現(xiàn)增加樣線數(shù)量不能明顯提高測(cè)量精度，樣線數(shù)量從2條（長(zhǎng)度合計(jì)1.4 m）增加到4條（長(zhǎng)度合計(jì)2.4 m）時(shí)，誤差僅降低0.1%，但耗時(shí)增加近1倍（3.5 min）（表2）。因此，當(dāng)草地覆蓋度測(cè)量可接受誤差為5%時(shí)，照片樣線法只需測(cè)量2條樣線（長(zhǎng)度合計(jì)1.4 m）。照片樣線法誤差可能受植被覆蓋度影響［1，21］，覆蓋度越高誤差越?。▓D3）。本研究發(fā)現(xiàn)隨白三葉（71.5%）、雀稗（73.3%）和結(jié)縷草草地（73.9%）覆蓋度的增加，其誤差逐漸減小（表2），并且增加測(cè)量樣線數(shù)量后也有相似趨勢(shì)（圖3）。照片目估法和樣線法測(cè)量值均與照相法測(cè)量值呈顯著正相關(guān)（圖2），這兩種方法測(cè)量值可通過(guò)擬合公式轉(zhuǎn)化為照相法測(cè)量值。樣線法植被覆蓋度測(cè)量需要具備一定的專業(yè)知識(shí)［21］，當(dāng)在室外不具備測(cè)量條件時(shí)，測(cè)量人員只需實(shí)地拍攝樣方照片，室內(nèi)使用照片樣線法進(jìn)行覆蓋度獲取，將能夠減少實(shí)地采樣時(shí)間消耗。

4 結(jié)論

照片樣線法測(cè)量耗時(shí)短且精度較高，不同草地測(cè)量誤差均小于5%，適合于類似草地植被覆蓋度測(cè)量。當(dāng)可接受誤差為5%時(shí)，照片樣線法只需測(cè)量2條樣線。照片目估法和樣線法測(cè)量值均與照相法測(cè)量值呈顯著正相關(guān)。照片樣線法均可應(yīng)用于草地植被覆蓋度的測(cè)量。未來(lái)研究應(yīng)探索該方法在其他草地和植被類型中的適用性。