生态气象监测指标体系—森林生态系统(试行)

附件2：

生态气象监测指标体系

（试行）

森林生态系统

中国气象局

二○○六年三月

前言

人口、资源、环境和灾害等是全人类正在且必须面对的重大课题，因为近百年来全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化。这种变化对世界范围内生态、资源、环境的负面效应日益显现，导致了水资源短缺、海平面上升、冰川退缩、干旱化和荒漠化加剧以及各类极端天气气候事件的频繁发生，已经并将继续对经济社会的可持续发展带来深远的影响。

我国的气象事业发展正在进入一个崭新的时期，气象与经济社会发展的关系日益紧密，已经深入到政治、经济、社会、国家安全、环境、外交和可持续发展的方方面面。中国气象事业发展战略研究成果提出了“公共气象、安全气象、资源气象”的发展理念，中国气象局业务技术体制按照“多轨道、研究型、集约化、开放式”的总体思路，明确了八条业务轨道和四个功能平台的业务布局与分工，其中生态与农业气象为业务轨道之一。

开展生态与农业气象业务，是气象部门“坚持公共气象的发展方向，大力提升气象信息对国家安全的保障能力，大力提升气象资源为可持续发展的支撑能力”的现实需求，是进一步发挥气象专业技术优势，积极拓展气象业务服务领域，改善生态环境，提高资源利用效率的重要基础性工作，是气象部门为实现经济社会全面、协调、可持续发展所做的积极探索和努力。其中，生态气象监测作为一种重要的工作手段，是生态与农业气象业务的核心构成。

为了保证全国气象部门生态气象监测工作的深入开展并进一步实现业务化、规范化和制度化，我们组织编制了该项《生态气象监测指标体系（试行）》。本书依据《地面气象观测规范》、《农业气象观测规范》和《生态气象观测规范（试行）》等，并充分利用卫星遥感监测技术和方法，初步建立了农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等6种生态系统下大气、生物、土壤和水以及相关灾害等监测指标体系。

生态气象监测是一项正在发展中的业务，其指标的建立尚未完全成熟，科学技术和社会经济的飞速发展，也必将对此项业务提出更新更多的需求。因此，随着今后全国气象部门开展生态与农业气象业务的工作实践，本监测指标体系将不断得到检验，预测减灾司也将适时对本体系进行修改完善，并根据发展需要建立其它生态系统的监测指标体系。

中国气象局预测减灾司

二〇〇六年三月

目录

概述 (1)

原则 (2)

森林生态系统监测指标总表 (3)

气象 (4)

大气成分 (6)

生物 (7)

土壤 (10)

水 (11)

灾害 (12)

参考文献 (18)

附加说明 (19)

概述

生态学是研究生物生存条件、生物及其群体与环境相互作用的过程及其规律的科学，其目的是指导人与自然、资源与环境的协调发展。生态气象是应用气象学、生态学的原理与方法研究天气气候条件与生态系统诸因子间相互关系及其规律的一门科学。

生态气象监测，即通过对生态系统的大气、生物、土壤和水以及相关灾害发生的主要特征量的观测、调查和计算，解读气象条件与各生态因子之间的相互关系和作用机理，科学评价生态系统的动态状况，提供保护、改善和合理利用生态系统的信息，同时为气候系统、气候变化研究和预测提供重要的基础数据。

生态气象监测指标，指的是在生态气象监测过程中选定的能够反映和指示生态系统状况的特征量，由大气、生物、土壤和水以及相关灾害五类特征量组成，包括应用卫星遥感技术和地面观测方法获取的直接观测值或调查值，以及对直接观测值或调查值加工处理后的计算值。

生态气象监测指标体系，是各生态系统生态气象监测指标总集。本指标体系涵盖农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等六种生态系统。其中农田生态系统指标47个，森林生态系统指标43个，草地生态系统指标48个，湿地生态系统指标35个，湖泊生态系统指标35个，荒漠（绿洲）生态系统指标40个，总计248个指标。

应用本指标体系，可以选择单一或多个指标开展定期或不定期的专题服务或评价；可以定期或不定期地在各生态系统中分别进行大气、生物、土壤和水以及相关灾害发生的变化分析或评价；可以在综合分析大气、生物、土壤和水以及相关灾害总体指标的前提下，定期制作各生态系统质量评价。

原则

生态系统是地球上由生物群落及其生存环境共同组成的动态平衡系统。生物群落和（或）生态环境的差别形成不同的生态系统，每个生态系统都有自己的结构以及相应的能量流动和物质循环的方式和途径。因此，各生态系统存有共性，但又有各自的自身特点、面临问题和发展需求。

本监测指标体系在充分分析农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等六种生态系统的共性与各自独特性的基础上，遵循以下原则选择建立指标体系。

（一）代表性原则

生态气象监测指标的选择，能够充分体现各种生态系统，包括农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等的自身特点，以及各种生态系统下信息服务的针对性、独特性。是为代表性原则。

（二）整体性原则

生态气象监测指标的选择，能够涵盖各种生态系统中各类信息服务产品的加工、制作和服务的全过程，包括直接观测指标、调查指标和计算指标。是为整体性原则。

（三）通用性原则

生态气象监测指标的选择，能够整体适用于不同地域范围的同种生态系统，而非部分适用并且不局限于某个特定区域。是为通用性原则。

（四）应用性原则

生态气象监测指标的选择，能够在信息服务中做到获取方便，加工程序简单，产品服务方向明晰，容易付诸实际应用，总之具有可操作性。是为应用性原则。

森林生态系统监测指标总表

气象大气成分生物土壤水灾害

1 ≥10℃活动积温降水pH值物候期土壤pH值地下水位干旱

2 （日、月、年）平均气温降尘总量林木密度土壤盐分含量地表径流量寒害、冻害、冻裂

3 （日、月、年）

最高气温、最低气温

高度土壤养分含量树干径流量冰雹

4 气温（年）日较差胸径土壤水分含量皮烧

5 降水距平百分率生长量风害

6 降水总量单株立木材积雪灾

7 气候湿润指数（CMI）乔木层的

叶面积指数

森林火灾

8 日照时数植物丰富度森林病虫害

9 光合有效辐射林木层盖度

10 气候生产潜力凋落物量

11 积雪森林采伐量

12 冻土深度植树面积

13 森林面积

14 植被长势

气象

1.≥10℃活动积温

积温指一定时期内日平均温度的总和。积温是植物要求热量的指标，因植物种类、品种和物候期的不同而异；积温也是地区热量资源指标。根据植物的积温要求，对照地区的热量资源，便可评价该地热量条件，为植物的物候期预报和合理利用气候资源等提供依据。

10℃是大多数植物生长的下限温度。每年日平均气温稳定通过10℃这天起，到稳定结束10℃这天止，其间逐日平均气温相加，和为≥10℃活动积温。

A a =ΣT i (T i ≥10℃)

其中A a为≥10℃活动积温；T i为时段内某日的平均温度。

2.（日、月、年）平均气温

日平均气温是一天中不同时间观测的气温值的平均数。

月平均气温是一月中各日平均气温值的平均数，是将各日的平均气温相加，除以该月的天数而得。

年平均气温是一年中各月平均气温值的平均数，是将12个月的月平均气温累加后除以12而得。

3.（日、月、年）最高气温、最低气温

日最高气温指一天中气温的最大值，日最高气温一般出现在午后两点钟左右；（月、年）极端最高气温指一月中或一年中气温的最大值。

日最低气温指一天中气温的最小值，日最低气温一般出现在清晨日出前后；（月、年）极端最低气温指一月中或一年中气温的最小值。

4.气温（年）日较差

每昼夜最高气温和最低气温之差，称为气温日较差。它的大小反映了气温日变化的程度。

某地月平均气温最高值同月平均气温最低值之差，称为该地的气温年较差。

气温日（年）较差的大小与地理纬度、季节、地表性质、天气状况有关，对植物生长发育、产量形成、产品品质等有很大影响。

气温日较差=日最高气温－日最低气温

气温年较差=月平均最高气温－月平均最低气温

5.降水距平百分率

指某时段降水量与历年同时段平均降水量差值占历年同时段平均降水量的百分率，降水距平百分率可表示旱涝的程度。

降水距平百分率=（某时段降水量－历年同时段平均降水量）/历年同时段平均降水量×100%

6.降水总量

某时段的降水量之和。

P＝∑P i

P i＝I si＋E ti＋Q si＋Q ssi＋△W i

式中，P i为降水量；I si为林冠截留量；E ti为蒸发散量；Q si为地表径流量；Q ssi为土壤中径流量；△W i 为土壤含水增量。

7.气候湿润指数（CMI）

气候湿润指数（CMI）是年平均降水量与年潜在蒸散量之比，以百分比表示。用于说明由气候条件(降水量和气温等)确定的气候湿润状况，值越大表示气候越湿润，值越小表示气候越干旱。该指数未计入灌溉或径流等非降水因素对土壤湿润状况的影响。

CMI=P/E×100

CMI 值为100时，表示年降水量等于年潜在蒸散量；CMI 值大于100时，表示年降水量大于年潜在蒸散量，气候条件较湿润；CMI 值小于100时，表示年降水量小于年潜在蒸散量，气候条件较干旱。

潜在蒸散量又称最大可能蒸发量或蒸发力，是指下垫面足够湿润条件下（包括地上植被含水量和林地土壤含水量均达到饱和以上的情况）水体保持充分供应的蒸发量，可以表示天气气候条件决定各种下垫面蒸发过程的能力。潜在蒸散量的计算常采用经验公式，其中利用改进的Penman 经验公式进行计算应用较为普遍。

8.日照时数

日照是指太阳在一地实际照射的时数。在一给定时间，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120 W ·m -2的那段时间总和，以h 为单位，取1位小数。日照时数也称实照时数。

日照时间的长短对植物能否正常生长关系很大。一个地方日照时数的多少，如果没有云雾和山脉的影响，太阳可能照射时间就决定于纬度的高低，且随季节的变化而不同。但同纬度地区实际日照时间，由于地形的不同和云量多少而有差异。

观测日照的仪器有暗筒式日照计、聚焦式日照计等。

9.光合有效辐射

植物能正常地生长发育，完成其生理学过程的光谱区，通常称之为辐射的生理有效区。在这个波长范围内，量子的能量能使叶绿素分子处于激发状态，并将自己的能量消耗在形成处于还原形式的有机化合物上，这段光谱称为光合有效辐射，即进行光合作用的那一部分光谱区。

光合有效辐射使用光合有效辐射计直接观测获得。

10.气候生产潜力

气候生产潜力是指在植物生长期内单位面积上，假设植物品种、土壤性状、耕作技术都适宜，在当地的光照、温度、水分条件下，植物可能获得的最高产量。因此，植物气候生产潜力的阶乘式数学模型，即

Y c =Y p ·f （T ）·f （W ）

式中，Y c 为气候生产潜力，Y p 为光合生产潜力，f （T ）为温度影响订正系数，f （W ）为水分影响订正系数。

植物光合生产潜力是指在温度、水分、土壤肥力和技术措施等参量处在最适宜的条件下，仅由太阳辐射所确定的植物产量，即在当地气候条件下植物产量的最高值。

某地的植物光合潜力可表示为：

Y p =（E ?C H ?∑Q ）?[h （1－C A ）]-1

其中 E =ξ(1－α)(1－β)(1－γ)(1－ρ)(1－ω) Φ

式中，E 为理论光能利用率，表示理想情况下，扣除各种损耗后，植物吸收太阳辐射合成干物质的理论效率，分别由以下各项决定：ξ为光合有效辐射占总辐射的比例，取0.49；α为植物反射率；β为植物群体对太阳辐射的漏射率；γ为光饱和限制率，在自然条件下一般不构成限制，取0；ρ为植物非光合器官对太阳辐射的无效吸收；ω为植物呼吸损耗率；Φ为量子转化效率。

C H 为植物经济系数，表示经济产量占生物量的比例。

C A 为植物灰分含量。

h 为每形成1g 干物质所需的热量，等于干物质燃烧热，平均取为17850焦耳/g 。

∑Q 为植物生长季内太阳总辐射。根据温度对植物影响的差异，进行温度影响订正：

2.266439234()10(510576956671

3.628923.11683.2532 5.881247)f T T T T T T -=?-+-+

水分对植物生长的满足程度可由水分的收入和支出之比表示。植物生长过程中，主要水分收入项是自然降水和人工灌溉，支出项是蒸散。在不考虑人工灌溉情况下，水分影响函数可以表示为：

f(W) = P ?(ET m )-1

式中，P 为降水量，ET m 为植物需水量，由Penman 公式计算。

11.积雪

记录积雪初日、终日、深度。

①地面状况

积雪深度为自积雪表面到地面的垂直深度，以cm为单位，取整数。

选择一地势平坦，方圆1km2内没有建筑物的区域作为积雪观测地段。在观测地段中确定一中心点，使用GPS定位，编号记录并上报备案。每次观测在中心点附近进行5个重复的积雪深度测定，取其平均值作为积雪深度的观测值。

积雪分布为降雪过程后，某区域内积雪的分布状况，在晴空且地面有大于1cm厚度积雪时进行调查，调查项目主要为积雪深度。

在区域内选择适当路线，使用GPS定位，进行积雪分布情况调查，测定积雪深度。

②空间状况

卫星遥感积雪监测主要利用归一化积雪指数（NDSI）、亮温（T11μm）和可见光波段的反射率等多个物理量进行积雪信息的判识提取。

在可见光波段，地表和云、雪的反射率差异较大，云和雪高，地表低，以此作为识别晴空地表和雪面的主要依据；在远红外波段，地表和云、雪的亮温有明显差异，地表最高，雪其次，云尤其是中高云最低，以此作为区分积雪和中高云的主要依据；在近红外波段尤其是1.6μm附近，积雪的反射率低，云尤其低云高，以此作为识别积雪和低云的主要依据。

归一化积雪指数NDSI=(R可见光－R近红外)/(R可见光＋R近红外)

其中R可见光和R近红外分别为可见光通道和近红外通道的反射率。

亮温T b = ε1/4T kin

式中，ε为发射率，T kin为动力学温度。

12.冻土深度

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0℃或以下而呈冻结的状态。

一般根据埋入土中的冻土器内水结冰的部位和长度，来测定冻结层次及其上限和下限深度。如果遇有两个或以上冻结层，应分别测定每个冻结层的上、下限深度。当冻土深度不足0.5cm时，上下限均记为“0”。冻土深度以cm为单位，取整数。

大气成分

1.降水pH值

pH是评价水质的一个重要参数，是水中氢离子活度倒数的对数值。当温度25℃、pH等于7时，溶液为中性，即氢离子和氢氧根离子的活度相等，相应各自的近似浓度为10-7mo1／L。大气降水中pH值的大小反映了降水的酸碱性。pH值小于7表示呈酸性，pH值大于7表示呈碱性。

酸雨是指pH值低于5.6的降水（湿沉降）。煤炭燃烧排放的二氧化硫和机动车排放的氮氧化物是形成酸雨的主要因素；其次气象条件和地形条件也是影响酸雨形成的重要因素。降水酸度pH＜4.9时，将会对森林、农作物和材料等产生明显损害。

一般采用电位计法进行测定。

通过配制两种pH标准缓冲溶液，在溶液温度为25土0.1℃时，对仪器和电极进行定位与校正。仪器经校正定位后，进行样品测定，直接从仪器上读出样品稳定的pH值。

2.降尘总量

大气降尘是指从大气中靠重力作用自然沉降到地面的颗粒物，其直径一般大于10μm。颗粒物在地面上的自然沉降能力主要决定于自身质量及粒度大小，但其它一些自然因素如地形和气象条件（风、雨、雪、雹、雾等）也起着一定作用。

大气降尘总量观测采用重量法。即大气中的颗粒物自然降落在集尘缸内，经蒸发、干燥、称重，再根据集尘缸口的面积，计算出大气降尘总量值，单位为t / km 2·d 。

大气降尘总量W =[（W 1﹣W a ﹣W b ）/( S × n ) ]×104

其中W 为降尘总量，t / km 2·d ；W 1为在105℃下，降尘总量加蒸发皿质量，g ；W a 为在105℃下，烘干的蒸发皿质量，g ；W b 为在105℃下，2.0ml0.1N 硫酸铜溶液蒸发至干后的质量，g ；S 为集尘缸口面积，cm 2；n 为采样天数，d 。

生 物

1.物候期

物候是指受环境（气候、水文、土壤等）影响而出现的以年为准周期的自然现象，如树木花草的发芽、展叶、开花、秋季的叶变色和落叶等。

林木的物候现象同周围环境密切相关，是适应过去一个时期内气候和天气规律的结果，是比较稳定的形态表现。通过长期的物候观测，可以了解林木生长发育季节变化同气候及其他环境条件的相互关系，作为指导林业生产和制定营林措施的科学依据。

选择各层优势种和物候指示种，野外观测。

2.林木密度

林木密度是指单位面积上的林木株数。通过对群落内各个种的密度的测定，可以计算全部个体（不分种）的密度和平均面积，在此基础上又可推算出个体间的距离。

在林内有代表性的标准地内用百米绳圈起10×10m 2的样方，在其内直接点数各种群的个体数目。某

种林木的密度计算用公式为：

S

N d 式中，d 为林木密度；N 为样方内某种林木的个体数目；S 为样地面积。

计算结果以株数/ hm 2为单位，取一位小数。

3.高度

林木从地面到林木冠层的高度，是反映森林生长状况的主要指标之一。以m 为单位。

选择优势树种进行实地测量，常用的仪器为按照三角原理设计的视距测高器。

①在平地测树高，测者站立位置与树基本在同一水平。

树高=仰视树顶读数＋眼高

②在坡下测树高，测者眼高或水平视线低于树基。

树高=仰视树顶读数－仰视树基读数

③在坡上测树高，测者眼高或水平视线高于树顶。

树高=俯视树基读数－俯视树顶读数

④坡度订正，在坡地使用视距器测距，由于坡度影响，其读数非水平距离，致使树高观测值大于实际树高值，必须加以订正。

h =h ’－h ’sin 2α

式中，h 为订正后的实际树高；h ’为坡地上树高观测值；α为坡度。

4.胸径

树木1.3m 高处的直径，是反映森林生长状况的主要指标之一。以cm 为单位。如果树高不足1.3m ，则测量地径，地径指苗干靠近地表面处的直径。

选择优势树种，在距地面1.3m 上作一标记（如为坡地，应以坡上方量取为准），用皮尺量其周长（取

整数），计算直径（取一位小数）。

d1.3 =C /

式中，d1.3为胸径；C为周长。

5.生长量

在一定间隔期内，树木材积所发生变化的数量称为生长量，是反映森林生长状况的主要指标之一。以m3为单位。

年生长量的计算公式为：

平均立木年生长量=当年优势树种立木平均材积－上一年优势树种立木平均材积

6.单株立木材积

指测定的单株树木之主干部分材积，是反映森林生长状况的主要指标之一。以m3/株为单位。

V =0.7845×d1.32× (H＋3)×f /10000

式中，V为树干的材积，m3；d1.3为胸径，cm3；H为树高，m；f为实验形数。

表2-1 常见树种实验形数

实验形数适用的树种

0.45 云南松、冷杉及一般强阴性针叶树种

0.43 实生杉木、云杉及一般阴性针叶树种

0.42 杉木（不分起源）、红松、华山松、黄山松及中性针树种

0.41 插条杉树、落叶松、樟子松、油松、赤松、黑松及一般阳性针叶树和一般阔叶树种

0.40 一般阔叶树、柏、柳、桦、水曲柳、柞、栎、青冈、刺槐、榆、樟、桉等

0.39 马尾松及一般强阳性针叶树种

7.乔木层的叶面积指数

单位土地面积上森林群落乔木层的绿色面积与土地面积的比值。森林群落乔木层的叶片数量和分布对于光线投射、叶片温度湍流、生产力、土壤水分蒸发蒸腾损失总量、降雨量截流和土壤温度十分重要。

①仪器测量法

利用植物树冠分析仪测定。植物树冠分析仪是利用一个“鱼眼”光学传感器（视野范围148o）进行辐射测量来计算叶面积指数。每次测定选取5个不同角度来进行，取平均值，取一位小数。

②卫星遥感法

LAI={ln[(1－NDVI/A)/B]}/C

式中，A、B、C均为经验系数。A、B通常接近于1，C通常为0.5。其中，A值是由植物本身的光谱反射确定；B值与叶倾角、观测角有关；C值取决于叶子对辐射的衰减，这种衰减呈非线性的指数函数变化。

8.植物丰富度

指样地群落中所出现的物种数量，是物种多样性的一个最重要和最基本的指标。

采用样方法计算群落中所出现的物种数量，样方法是以一定面积的样地作为整个研究区域的代表，样方面积的大小，要由群落性质决定，一般森林通常采用100m2。

9.林木层盖度

盖度指的是植物地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比，即投影盖度。林业上常用郁闭度来表示林木层的盖度。

郁闭度的大小对森林内的灌木层、土壤、微生物等都有重要的影响，直接影响林下可燃物的载量、含量和林内小气候，郁闭度增加，死地被物载量增加，活地被物载量减少。郁闭度的大小，对林内光照、湿度和风速都有很大影响，郁闭度大，林内光照弱，温度低，风小，蒸发小，湿度大，不易燃。

①地面测定法

在标准地内选取25×25m2的样方，两对角线上树冠覆盖的总长度与对角线的总长之比，作为覆盖度

的估测值。长度和结果均取一位小数。

②卫星遥感法

f =(NDVI－NDVI min)/(NDVI max－NDVI min)

式中，NDVI为所求像元的植被指数；NDVI min、NDVI max分别为研究区内NDVI的最小、最大值。

10.凋落物量

森林生态系统中枯枝、枯落叶、凋落树皮、针叶树的针叶、小枝、球果等凋落物的总重量。观测森林凋落物，旨在了解不同森林类型的凋落物数量和质量、组成和动态分解及其相应的养分归还量。

在标准地中随机设置凋落物收集器，每月月末收集一次，将收集到的凋落物区分叶、枝、果和有机碎屑（花、芽鳞、种子等）4部分，晾干称重，然后分别计算每平方米的凋落物量和每平方米的总凋落物量。以g·m-2为单位，计算过程和结果均保留一位小数。

11.森林采伐量

森林采伐量是指每年采伐林木的立木材积，以m3为单位。

森林长期过度采伐将导致林地大量流失、树种简单化、林分幼龄化、林地衰退生产力下降等。通过对森林采伐数量的控制来增加森林面积和森林蓄积量。

调查有关部门的统计值。

12.植树面积

植树面积指每年植树造林的面积，以hm2为单位。

植树造林能够有效地蓄水保土，防止水土流失和河流的淤积，能够防风固沙，调解气候，也能够减少污染，美化环境。

调查有关部门的统计值。

13.森林面积

区域内森林面积的获得采用地面调查（观测）和卫星遥感监测相结合的办法。

首先选取有代表性的区域，对试验区内不同类型植被的光谱特性进行观测，找出各类植被光谱的变化规律，重点从中找出森林与其它生态系统的差异，用于划分森林范围。其次，以陆地资源卫星资料为底图，通过实地普查，进行分类处理，确定区域内森林面积。辅以EOS卫星资料动态监测，获取每年的森林面积与变化。

14.植被长势

植物长势是一个综合性定量概念，反映植物的生长状况，它包括植被盖度、高度、季相、植株含水量和干物质重量等。植物长势是预测预报植物生物量的重要依据。主要采用卫星遥感监测方法。

①比值植被指数（RVI）

由于可见光红波段（R）与近红外波段（NIR）对绿色植物的光谱响应十分不同，因此两者简单的数值比——比值植被指数（RVI）能充分表达两反射率之间的差异。比值植被指数可提供植被反射的重要信息，是植被长势、丰度的度量方法之一。比值植被指数与叶面积指数、叶干生物量、叶绿素含量相关性高，被广泛用于估算和监测绿色植物生物量，在植被高密度覆盖情况下，它对植被十分敏感，与生物量的相关性最好，但当植被覆盖度小于50%时，它的分辨能力显著下降。

RVI =DN NIR /DN R

DN NIR和DN R分别为近红外、红波段的计数值（灰度值）

或RVI =ρNIR /ρR

ρNIR和ρR分别是近红外和红波段的反射率

②归一化植被指数（NDVI）

针对浓密植被的红光反射很小，其RVI值将无界增长，因此将简单的比值植被指数RVI，经非线性归一化处理得“归一化差值植被指数”，使其比值，限定在[-1，1]范围内。其被定义为近红外波段与可

见光红外波段数值之差和这两个波段数值之和的比值。NDVI与叶面积指数、绿色生物量、植被覆盖度、光合作用等植被参数有密切关系，是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子，在植被遥感中，应用最为广泛。

NDVI=(ρNIR－ρR)/(ρNIR＋ρR)

ρNIR和ρR分别是近红外通道和红外通道的反射率。

土壤

1.土壤pH值

土壤pH值说明土壤的酸碱程度，是土壤形成过程和熟化培肥过程的一个指标。土壤中养分存在的形态和有效性，理化性质、微生物活动以及植物生长发育都对其有很大的影响。一般pH值在5～6.5时呈酸性或强酸性，在7.5～8.5时土壤呈碱性或强碱性。

将钻取的土样取出约30g土样放入50ml烧杯，加入蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌，待土粒完全沉淀后用pH计测定其溶液酸碱度作为测定土壤的pH值。

2.土壤盐分含量

土壤中的盐类主要为Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-等组成的各类盐类。土壤含盐量是指干土中所含易溶盐的重量百分数，土壤盐分会对植物造成危害，一是由于总含盐量高使渗透压升高，造成植物根系难以从土壤中吸收水分；二是由于土壤中某些特殊离子浓度过高或由于两种或多种离子不平衡，危害植物生长，具有毒害作用；三是由于土壤交换复合体中Na+含量过高，土壤中胶体易于分散，因而使土壤结构破坏。

全盐量的测定一般采用质量法。首先将土壤中的易溶性盐分提取出来，一般用水来提取，我国常用的土水比为1:5，即1份土5份水；然后将浸出液过滤分离后放置在蒸发皿中，并置于烘箱中烘干（以除去有机质），直至恒重，称量，即可计算土壤含盐量。

3.土壤养分含量

土壤中的氮、磷、钾元素含量是土壤肥力的重要指标，这三种元素是植物生长发育必需的营养成分，它们的缺少或不平衡可以导致植物生长不良。

土壤全氮：土壤中的氮分为有机态氮（如蛋白质）和无机态氮（如铵态氮NH4+—N、硝态氮NO3-―N、NO2-—N）。两者总和为全氮。其中有机态氮含量占土壤全氮量的99％左右，无机态氮占1％左右，后者是速效养分。

土壤水解氮：土壤有机氮中的氨基酸、胺类等简单含氮化合物很容易被微生物水解为有效氮。所以在土壤中，凡在短期内可以矿质化的有机氮化物、铵态氮和硝态氮等都是植物容易吸收利用的形态，通称为水解氮。一般土壤中水解氮每百克干土中含2～6mg。

土壤全磷：土壤中的磷分为有机态磷（如核酸类、植素类）和无机态磷（如磷酸钙镁类、磷酸铁铝类）。两者总和称为全磷。其中有机磷占全磷比重的25～50％，红壤有机质很少，有机磷多在全磷的10％以下，而黑土有机质高，有机磷可达全磷的65％以上。

土壤有效磷：土壤全磷中仅有一小部分是离子态磷酸根、易溶的无机磷化合物和吸附态磷，它们可以被植物直接吸收和利用，称为有效磷。

土壤全钾：土壤原生矿物中的钾（如钾长石、白云母）、固定态钾、水溶性钾和交换性钾之和，称为土壤全钾。我国矿质土壤含全钾量少的只有万分之几，多的可高达4～5%左右，而一般则均在2.5％以下。

土壤速效钾：土壤之中的水溶性钾和交换性钾是可以被植物直接吸收利用的，称为速效钾。其中交换性钾约占速效钾的95％左右。

土壤养分含量（氮、磷、钾）采用化学实验法或用土壤养分计测定。

4.土壤水分含量

土壤水分是土壤的一个组成部分，对土壤中气体的含量及运动、固体结构和物理性质有一定的影响，制约着土壤中养分的溶解、转移和吸收及土壤微生物的活动，是植物生长需水的主要给源。

①烘干称重法

在烘箱中105土2℃的环境下烘干土壤中的水分，求算土壤失水重量占烘干土重的重量百分数。 W = ( g 1－g 2 )/( g 2－g )×100%

W 为土壤重量含水量；g 为铝盒重；g 1为铝盒加湿土重；g 2为铝盒加干土重。

②时域反射仪法

TDR 测定土壤水分是通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来确定土壤的介电常数，进而计算出土壤含水量。这一传播时间与土壤的介电常数K a 有关，可表示为：

K a =(c Δt /2L )2

式中，c 为光速，L 为波导长度。

土壤含水量Q 与介电常数K a 间的关系可表示为：

Q = -5.3×10-2＋2.92×10-2 K a －5.5×10-4 K a 2＋4.3×10-6 K a 3

水

1.地下水位

地下水位的变化直接影响到上层土壤水分，特别是在地下水位较高的情况下，对植物根系分布层的土壤水分影响更大。因此，测定地下水位深度对于分析土壤水分变化十分必要。

选定能代表当地地下水位的、供灌溉或饮水使用的水井进行测定，一般在早上测定。当水井水位因灌溉等原因发生变化时，应在水井水位恢复到正常时进行补测。可用绳、杆、皮尺（绳、皮尺下端应系一重物），或自动仪器进行测量，以m 为单位，取一位小数。

2.地表径流量

降水或融雪强度一旦超过下渗强度，超过的水量可能暂时留于地表，当地表贮留量达到一定限度时，即向低处流动，成为地表水流而汇入溪流，这一过程称为地表径流，而此过程的水量称为地表径流量。

地表径流量是总径流量的一部分，一般由降水造成并在一定区域内形成的薄薄的水流层。开展对地表径流的观测及深入研究，对研究水分平衡具有重要的实际意义。

地表径流量通过地表径流场进行观测。地表径流场是从周围地区分隔出来的一块土地，上面建设地表径流观测设施，径流场一般用截水沟分成若干小区域，截水沟相互联系并与一集水槽相接。降到地面的降水在降水量大于土壤渗透率及蒸发时，多余的水分会集中到地表面并流到截水沟，最后集中到集水槽中。集水槽中水量与集水面积之比则为地表径流量，地表径流量以mm 为单位。

3.树干径流量

降落到树冠上的水量，其中一部分沿枝、叶集中到树干下流，并沿根系渗入土壤，这部分水量称为树干径流（或称干流、茎流）。以mm 为单位。

干流量通常很小，占降雨量的比率基本在5%以下，极少超过10%。树干径流可将水流直接导向根系周围的土壤，大大地增加了树木近根系范围的土壤含水量，同时，树干径流中含有相当可观的营养元素，对生长在干旱贫瘠的土地上的树木具有重要意义。

在标准样地内进行每木检尺，以4cm 为径级，每1径级选取平均木；在距聚乙烯管一端1m 处将其竖直剖开（开口向上呈U 字形）缠于树干基部，管一侧用炮钉固定于树干上，空隙用橡皮泥密封，缠绕时与水平面呈30°角，并用导管将水引入下面的塑料桶，降雨结束后及时进行雨量测定。

n n

i n n M K C M

C ∑==11

式中，C 为树干径流量，mm ；M 为单位面积上的树木株数；C n 为每一径级的树干径流量，mm ；K n 为每一径级树冠平均投影面积，cm 2；n 为各径级数；M n 为每一径级的树木株数。

灾 害

1.干旱

干旱是一种因长期无降水、少降水或降水异常偏少，而造成空气干燥、土壤缺水的气候现象。 干旱在气象学上有两种含义：一是干旱气候，一是干旱灾害。前者是指最大可能蒸散量比降水量大得多的一种气候现象，通常干旱气候是指用H.L.彭曼公式计算的最大可能蒸散量与年降水量的比值大于或等于3.5的地区。与干旱气候不同，干旱灾害是指某一具体的年、季或月的降水量比多年平均降水量显著偏少而发生的危害，它的发生区遍及全国。在干旱半干旱地区，由于降水量年际变化大，降水显著偏少的年份比较多，干旱灾害的发生频率往往比较高，而湿润气候区则相反。

用于描述气候干旱的指标有很多，诸如降水量、降水距平百分率、Z 指数、Palmer 指数等。 ①降水量（P ）和降水量距平百分率(P a )

定义和计算方法见气象部分。

表2-2 根据降水量和降水量距平百分率划分的干旱等级

等级

类型 降水量距平百分率(P a )[%] （月尺度） 降水量距平百分率(P a )[%] （季尺度） 1

无旱 -50＜ P a -25≤ P a 2

轻旱 -75＜ P a ≤-50 -50≤ P a ＜-25 3

中旱 -90＜ P a ≤-75 -75＜ P a ≤-50 4

重旱 -99＜ P a ≤-90 -90＜ P a ≤-75 5 特旱 P a ≤-99 P a ≤-90

②标准化降水指数（SPI 或Z ）

由于不同时间尺度、不同地区降水量变化幅度很大，直接用降水量在时空尺度上很难相互比较，而且降水分布是一种偏态分布，不是正态分布，所以在许多降水分析中，采用Γ分布概率来描述降水量的变化。标准化降水指标（简称SPI ）就是先求出降水量Γ分布概率，然后再正态标准化而得。其计算步骤为：

a.假设某时段降水量为随机变量x ，则其Γ分布的概率密度函数为： β

γγβ/1)(1)(x e x x f --Γ= 0>x (1)

?∞--=Γ01)(dx e x x γγ (2)

其中：β>0，γ>0分别为尺度和形状参数，β和γ可用极大似然估计方法求得：

A A 43

/411?++=γ (3)

γβ

?/?x = ........................(4) 其中 ∑=-=n i i x n x A 1lg 1lg (5)

式中，x i 为降水量资料样本，x 为降水量多年平均值。

确定概率密度函数中的参数后，对于某一年的降水量x 0，可求出随机变量x 小于x 0事件的概率为： ?∞=<00)()(dx x f x x P (6)

利用数值积分可以计算用（1）式代入（6）式后的事件概率近似估计值。

b.降水量为0时的事件概率由下式估计：

n m x P /)0(== (7)

式中，m 为降水量为0的样本数，n 为总样本数。

c.对Γ分布概率进行正态标准化处理，即将（6）、（7）式求得的概率值代入标准化正态分布函数，即：

?∞-=<02/0221)(dx e x x P Z π (8)

对（8）式进行近似求解可得：

0.1))(()(1230

12+++++-=t d t d t d c t c t c t S Z ……………………(9) 其中，21

ln P t =，P 为（6）式或（7）式求得的概率，并当P >0.5时，P =1.0-P ，S =1；当P ≤0.5

时，S =-1。

515517.20=c ，802853.01=c ，010328.02=c ，

432788.11=d ，189269.02=d ，001308.03=d 。

由（9）式求得的Z 值也就是此标准化降水指数SPI 。

表2-3 根据标准化降水指数SPI 划分的干旱等级

等级

类型 SPI 值 累积频率 1

无旱 -0.5< SPI ＞31% 2

轻旱 -1.0< SPI ≤-0.5 16～31% 3

中旱 -1.5< SPI ≤-1.0 7～16% 4

重旱 -2.0< SPI ≤-1.5 2～7% 5 特旱 SPI ≤-2.0 <2%

③相对湿润度指数(M i )

相对湿润度指数的定义可写成如下形式：

E E

P M i -=

式中，P 为某时段的降水量，E 为某时段的可能蒸散量，用Penman-Monteith 或Thornthwaite 方法计算。

表2-4 根据相对湿润度指数M i 划分的干旱等级

等级

类型 相对湿润度指数M i （月尺度） 相对湿润度指数M i （季尺度） 1

无旱 -0.50< M i -0.25< M i 2

轻旱 -0.75< M i ≤-0.50 -0.50< M i ≤-0.25 3

中旱 -0.90< M i ≤-0.75 -0.75< M i ≤-0.50 4

重旱 -0.99< M i ≤-0.90 -0.90< M i ≤-0.75 5 特旱 M i ≤-0.99 M i ≤-0.90

④综合干旱指数C i

由于发生干旱的原因是多方面的，影响干旱严重程度的因子很多，所以确定干旱的指标是一个复杂的问题。单一干旱指数无法满足要求。

气象干旱综合指数C i 是以标准化降水指数、相对湿润指数和降水量为基础建立的一种综合指数： 9

33Z M Z C i βγα++= 当C i ﹥0时，P 10≥P a ；P 30≥1.5×P a ，并P 10≥P a /3；或P d ≥P a /2，则C i =C i ；否则C i =0。

当C i ﹤0，并P 10≥E 0时，则C i =0.5×C i ；当P y ﹤200mm ，C i =0。

P a =200mm ，E 0 =E 5，当E 5 ＜5mm 时，则E 0 = 5mm 。

式中，Z 3、Z 9为近30天和90天标准化降水指数SPI ；M 3为近30天相对湿润度指数；E 5为近5天的可能蒸散量。P 10为近10天降水量，P 30为近30天降水量，P d 为近10天一日最大降水量，P y 为常年年降水量；α、γ、β为权重系数，分别取0.4、0.8、0.4。

表2-5 根据综合干旱指数C i 划分的干旱等级

等级

类型 C i 值 干旱影响程度 1

无旱 -0.6

轻旱 -1.2< C i ≤-0.6 降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分不足，对植物有轻微影响。 3 中旱 -1.8< C i ≤-1.2 降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分较严重不足，地表植物

叶片白天有萎蔫现象，对植物和生态环境造成一定影响。 4 重旱 -2.4< C i ≤-1.8 土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，地表植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落；对植物和生态环境造成较严重影响，工业生产、人畜饮水

产生一定影响。 5 特旱 C i ≤-2.4 土壤出现水分长时间持续严重不足，地表植物干枯、死亡；对植物和生态环

境造成严重影响、工业生产、人畜饮水产生较大影响。 ⑤土壤墒情干旱指数

土壤相对湿度，以重量含水率占田间持水量的百分比表示。

%100?=c f w R

式中，w 为土壤重量含水率；f c 为田间持水量。

土壤重量含水率：

%100?-=d d w m m m W

式中，W 为土壤重量含水量，m w 为湿土重量，m d 为干土重量。

表2-6 根据土壤相对湿度划分的干旱等级

等级

类型 20cm 深度土壤相对湿度 对植物影响程度 1

无旱 R ＞60% 地表湿润，无旱象 2

轻旱 60≥ R ＞50% 地表蒸发量较小，近地表空气干燥 3

中旱 50≥ R ＞40% 土壤表面干燥，地表植物叶片白天有萎蔫现象 4

重旱 40≥ R ＞30% 土壤出现较厚的干土层，地表植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落 5 特旱 R ≤30% 基本无土壤蒸发，地表植物干枯、死亡

⑥帕默尔干旱等级

表2-7 根据帕默尔指数划分的干旱等级

级别

干旱等级 旱度指数（X ）范围划分 名称 危害程度 1 2 3 4 5 无旱 轻旱 中旱 重旱 特旱 无危害 轻微危害 中等危害 严重危害 特重危害 X ≥-0.99 -1.00≥ X ≥-1.99 -2.00≥ X ≥-2.99 -3.00≥ X ≥-2.99 X ≤-4.00

帕默尔干旱指数计算步骤如下：

a.统计水文帐，由长期气象资料序列计算出月水分平衡各分量的实际值、可能值及平均值，包括蒸散量、潜在蒸散量、径流量、潜在径流量、补水量、潜在补水量、失水量和潜在失水量；

b.计算各气候常数和系数，包括蒸散系数、补水系数、径流系数、失水系数和气候特征值；

c.计算出水分平衡各分量的气候适宜值，包括气候适宜蒸散量、气候适宜补水量、气候适宜径流量、气候适宜失水量和气候适宜降水量；

d.计算水分盈亏值和水分距平指数；

e.建立帕默尔干旱指数计算公式；

f.对权重因子K进行修正，计算最后的水分距平指数Z；

g.干期（或湿期）结束的度计算。

2.寒害、冻害、冻裂

寒害又称冷害，指气温降至0℃以上植物所受到的伤害。其原因是低温造成植物代谢紊乱，膜性改变和根系吸收力降低等。

冻害指温度降到冰点以下，植物组织发生冰冻而引起的伤害。

冻裂多发生在日夜温差大的西南坡上的林木。下午太阳直射树干，入夜气温迅速下降，由于木材导热慢，造成树干西南侧内热胀、外冷缩的弧向拉力，使树干纵向开裂。

灾害性天气出现后及时观测，自植物发现受害开始至受害植物生长恢复或受害部位症状不再变化为止。记录受害部位及症状、受害程度、计算树木受害百分率、受害面积百分率和部位受害百分率等。

①树木受害百分率。

受害棵数

受害树木百分率（%）= %

100

总棵数

②受害面积百分率。有时灾害性天气发生后，观测区域内树木只有部分受害，如以树木受害百分率表示受害程度还不及面积表示更有代表性，则可估计受害面积占整个区域面积的百分率。

③受害部位的受害百分率。估计受害树木的受害部位的百分率，个别部位受害（10%），受害25%、50%、75%、90%以上。例如叶片受害，则估计受害叶片占总叶片数的百分率，记入树木受害部分的受害程度及受害症状栏内。

3.冰雹

冰雹是一种局地性强、季节性明显、来势急、持续时间短，以砸伤为主的气象灾害，观测中专指直径在5mm以上的固体降水。

轻雹：冰雹大小如豆粒，直径5mm左右，降雹会造成植物的叶片被打落或打成麻状，作物茎秆折断或打成秃茬子。中雹：冰雹大小如杏子、核桃，直径20～30mm，降雹时可将树木细枝打折，树干皮层打成“遍体鳞伤”，作物茎叶被打断成茬子，甘薯蔓被打烂。重雹：冰雹大小如鸡蛋、拳头，直径约30～70mm，各种作物地上部分会被砸光，地下部分也受到一定程度的伤害。

重点是记录分析发生范围、程度、发生频次，与常年比较。

采用地面观测调查与卫星遥感相结合的方式进行。

①地面调查法

冰雹危害程度评定标准见表2-8

表2-8冰雹危害程度评定标准

等级受害症状

轻个别植株叶、花序、花蕾、子房、未熟果实受损，植株折断。

中部分植株叶、花序、花蕾、子房、未熟果实受损，植株折断。

重大部分植株茎杆折断、草倒伏、灌木、半灌木当年生枝条断落。

②卫星遥感法

在灾害发生后，利用灾前和灾后的归一化植被指数进行对比。

△NDVI=NDVI灾后－NDVI灾前

再结合地面调查资料确定阈值，然后计算受灾面积。

4.皮烧

由于强烈的太阳辐射，使树木形成层和树皮组织局部死亡的灾害。

观测自树木发现受害时开始至受害树木生长恢复或受害部位症状不再变化为止，记录受害部位及症

状、受害程度、计算树木受害百分率、受害面积百分率和部位受害百分率等。

①树木受害百分率。

受害棵数

受害树木百分率（%）= %

100

?

总棵数

②受害面积百分率。有时灾害性天气发生后，观测区域内树木只有部分受害，如以树木受害百分率表示受害程度还不及面积表示更有代表性，则可估计受害面积占整个区域面积的百分率。

③受害部位的受害百分率。估计受害树木的受害部位的百分率，个别部位受害（10%），受害25%、50%、75%、90%以上。例如叶片受害，则估计受害叶片占总叶片数的百分率，记入树木受害部分的受害程度及受害症状栏内。

5.风害

超过10m/s的大风，对树木有伤害作用，由此引发的灾害为风害。

观测在灾害性天气出现后及时进行，自树木发现受害时开始至受害树木生长恢复或受害部位症状不再变化为止。记录受害部位及症状、受害程度、计算树木受害百分率、受害面积百分率和部位受害百分率等。

①树木受害百分率。

受害棵数

受害树木百分率（%）= %

?

100

总棵数

②受害面积百分率。有时灾害性天气发生后，观测区域内树木只有部分受害，如以树木受害百分率表示受害程度还不及面积表示更有代表性，则可估计受害面积占整个区域面积的百分率。

③受害部位的受害百分率。估计受害树木的受害部位的百分率，个别部位受害（10%），受害25%、50%、75%、90%以上。例如叶片受害，则估计受害叶片占总叶片数的百分率，记入树木受害部分的受害程度及受害症状栏内。

6.雪灾

由于积雪而使树木遭受机械损伤或受冻而造成的灾害。冬春季节因降雪过多在树木上形成积雪，量过大时会使树木被压折，造成不可恢复的伤害。记录受害部位及症状、受害程度、计算树木受害百分率、受害面积百分率和部位受害百分率等。

①树木受害百分率。

受害棵数

受害树木百分率（%）= %

100

?

总棵数

②受害面积百分率。有时灾害性天气发生后，观测区域内树木只有部分受害，如以树木受害百分率表示受害程度还不及面积表示更有代表性，则可估计受害面积占整个区域面积的百分率。

③受害部位的受害百分率。估计受害树木的受害部位的百分率，个别部位受害（10%），受害25%、50%、75%、90%以上。例如叶片受害，则估计受害叶片占总叶片数的百分率，记入树木受害部分的受害程度及受害症状栏内。

7.森林火灾

表2-9 森林火灾程度标准

受灾程度受害森林面积S（hm2）

森林火警<1

一般森林火灾1～100

重大森林火灾101～1000

特大森林火灾≥1000

森林起火会给森林经济和环境带来一定损失和危害，林火的发生季节和时段、以及林火的强度和蔓延的快慢都与气象条件有密切的关系。

主要利用卫星遥感方法，确定火点位置、判断火点性质(是否为林火)，计算过火面积，划分火灾程度等。

8.森林病虫害

监测的目的在于提供有关病虫害种类、发生发展规律、危害情况等资料，以便为病虫害发生发展的预测预报，以及制定防治规划和采取检疫措施提供依据。

①地面观测法

记录病虫害名称、受害期和危害程度，危害程度指因病虫害对林木的枝梢、树干、树叶、根茎、果实等器官所造成的损失程度，以轻、中、重三级来表示。

表2-10病虫害危害程度标准

各部位受害情况病虫害

等级

轻中重

根部枝干病＜10% 10～25% ＞25% 虫＜5% 5～10% ＞10%

叶片病＜15% 15～25% ＞25% 虫＜15% 15～25% ＞25%

果实（种子）病＜5% 5～15% ＞15% 虫＜5% 5～15% ＞15%

②卫星遥感法

通过GPS对发生病虫害的区域进行定位，根据其植被指数的变化情况及其地物光谱特征，利用中低分辨率卫星的红外通道晴空资料（EOS资料和NOAA资料）和其他相关资料等，建立病虫害区域的监测模型，确定发生发展面积。