落葉松冠幅大小對林下光照強度的影響研究

蔡志偉

摘 ? 要：以吉林省蛟河市落葉松林為研究對象，采用2017年的樹冠冠幅數(shù)據(jù)，并通過冠層分析儀取得的林下冠層光分析數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用Arcgis軟件建立樹木空間分布數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了上層林木冠幅空間變化數(shù)據(jù)和林下光環(huán)境變化趨勢數(shù)據(jù)，利用空間疊加分析功能分析了樹木冠幅變化與林下光環(huán)境變化的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：長白落葉松;冠幅大小;光照強度;影響

樹冠結(jié)構(gòu)是樹木進行光合作用的主要場所，是樹木生存的根本。通常情況下，在執(zhí)行森林健康監(jiān)測計劃時，會習(xí)慣性地把林冠列為一個重要的指標(biāo)因素來加以監(jiān)測和測量，以達到研究樹木的目的。

國內(nèi)外林業(yè)工作者圍繞植物群體的冠層結(jié)構(gòu)與光環(huán)境方面做了大量的研究，普遍圍繞分析冠層的幾個參數(shù)進行，如葉面積指數(shù)、散射光指數(shù)、直射光指數(shù)等。郭華等分析測定子午嶺林區(qū)的4個不同齡級油松林時，通過植物冠層半球影像系統(tǒng)獲取到了冠層特征和林下光立地系數(shù)，結(jié)果顯示，林木在即將達到穩(wěn)定值之前還需要生長20年。劉志剛等研究了光對優(yōu)勢木、平均木和被壓木的影響，對不同類型林木的冠層結(jié)構(gòu)與光分布規(guī)律的關(guān)系作出精確的比較，得出了詳盡的結(jié)論。劉曉東等在研究了PAR的日、季變化特征的同時，根據(jù)Beer-Lambert方程，結(jié)合葉面積動態(tài)及葉面積指數(shù)，求出生長季內(nèi)各天的消光系數(shù)和冠層內(nèi)不同深度的光分布，并在此基礎(chǔ)上求出PAR的透過率、林分消光系數(shù)以及累積葉面積指數(shù)三者之間的相互關(guān)系。杏娥等闡述了森林樹冠參數(shù)提取與遙感技術(shù)的關(guān)系，分析了樹冠冠層和木材性質(zhì)的潛在聯(lián)系，以及對林木的預(yù)測和產(chǎn)品評價。

德國最早在18世紀(jì)營造了大面積的人工針葉林，因此造成地力下降、生長量降低等，為此，德國林學(xué)家K.Gayer（1898-）提出建議營造針闊混交林的想法，結(jié)果表明，營造生態(tài)位多層次垂直結(jié)構(gòu)的混交林可以改良土壤、增加產(chǎn)量等，因此備受青睞。蘇聯(lián)學(xué)者也提出了林冠下造林可以提高低疏密度的方法。

1 ? 研究目的與意義

1.1 ? 研究目的

本文通過研究不同大小冠幅對林下光環(huán)境的影響，為揭示冠幅與冠層覆蓋度（Gnd Cover）、散射光指數(shù)（ISF）、直射光指數(shù)（DSF）的關(guān)系提供依據(jù)。

1.2 ? 研究意義

林冠是樹木光合作用的關(guān)鍵，也是吸收太陽能的重要部位，更是森林與外界環(huán)境相互溝通最直接和最主要的交換層，所以冠層結(jié)構(gòu)的特征決定了森林生態(tài)系統(tǒng)能量的多少、循環(huán)的過程以及強度的大小，并對林下植被的生長和群落的演替都具有獨特的意義。另外，光照是影響林下植物生長和存活的關(guān)鍵性環(huán)境因子，林隙的隨機性和無規(guī)律性，增強了森林內(nèi)光照環(huán)境的空間異質(zhì)性，由此林下光環(huán)境的空間異質(zhì)性也得到了顯著提升。冠層結(jié)構(gòu)的不同會導(dǎo)致林下直接輻射和間接輻射的不斷變化，而光輻射的變化也就導(dǎo)致了林下植物的更新，如對萌發(fā)、生長和生存等都具有重要的影響。因此，研究林冠下光環(huán)境變化對于確定森林撫育強度、主伐強度以及復(fù)層林營造均有重要意義。

2 ? 研究地點與方法

2.1 ? 研究地點

吉林省蛟河境內(nèi)的平均海拔在600 m左右，地處長白山系張廣才嶺山脈內(nèi)，屬于溫帶大陸季風(fēng)性氣候，年平均氣溫3.6 ℃左右，最熱月為7月，其平均氣溫21.8 ℃左右，最冷月為1月，其平均氣溫-18.3 ℃左右。年平均降水量在690 mm以上，降水多集中在6—8月。土壤屬于標(biāo)準(zhǔn)的山地暗棕色森林土，厚度22～78 cm。該區(qū)域地勢復(fù)雜，坡度最大可達40°以上，植被屬于標(biāo)準(zhǔn)的長白山植物區(qū)系，一共有923種，分屬108科、404屬，主要林分類型為天然針闊混交林，這種林分類型物種多樣、資源豐富，盛產(chǎn)各種林副產(chǎn)品，例如優(yōu)質(zhì)種苗、山野菜、紅松籽、林蛙油等。

2.2 ? 研究方法

2.2.1 ? 研究思路

2.2.1.1 ?樣地設(shè)置

選取一片林齡為49年的長白落葉松（Larix olgensis）人工林，在林內(nèi)設(shè)置4 hm2人工林冠下更新試驗樣地。要求該樣地上層以人工長白落葉松為主要樹種，林分平均胸徑為22.4 cm，平均高為19.6 m。于2014 年冬季在試驗地中分別設(shè)置寬為20 m、30 m的帶狀皆伐樣地（皆伐帶南北走向），在非皆伐帶不同區(qū)域設(shè)計蓄積擇伐強度為15%、25%、34%、40%的擇伐試驗地。

2.2.1.2 ?林木數(shù)據(jù)坐標(biāo)采集方法

使用RTK測量樣地內(nèi)樹木空間坐標(biāo)，人工目測法測量冠幅的大小，將所得數(shù)據(jù)加載到GIS數(shù)據(jù)庫中，通過計算得出平均冠幅，以落葉松的空間位置為圓心、平均冠幅為半徑，建立一個理想的標(biāo)準(zhǔn)圓形樹冠。

2.2.1.3 ?冠層分析數(shù)據(jù)采集

在樣地內(nèi)選用 Hemi-View 冠層分析儀，利用Nikon Coolpix 8 400 型數(shù)碼相機以及 FC-E9 魚眼鏡頭，拍攝待測樹木上方的天空，對上空的半球圖像進行獲取，拍攝時確定好方位，同時將相機拍照系統(tǒng)（相機和魚眼鏡頭）設(shè)置在三腳架上，在確保穩(wěn)定的情況下拍照。拍攝時間應(yīng)避開中午太陽直射，以避免太陽光斑影響圖像質(zhì)量，選擇天空云層薄而均勻的上午或下午進行拍攝。

2.2.2 ? 數(shù)據(jù)處理方法

將已經(jīng)加載到GIS數(shù)據(jù)庫的上層樹冠結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以模型構(gòu)建的方式，建立一個樹冠冠幅的模型，在模型的基礎(chǔ)上添加2017年的下木光指標(biāo)數(shù)據(jù)，然后將光指標(biāo)數(shù)據(jù)與冠幅數(shù)據(jù)進行疊加分析。

3 ? 結(jié)論

通過冠層分析儀所得到的數(shù)據(jù)：冠層覆蓋度（Gnd Cover）、散射光指數(shù)（ISF）、直射光指數(shù)（DSF），與上層樹木冠幅數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)冠層覆蓋度與散射光指數(shù)負相關(guān)性很強，而直射光指數(shù)雖然也具有較高的相關(guān)性，但是還與其他因素相關(guān)。根據(jù)樣地的地型與林分結(jié)構(gòu)分析，該樣地坡向為東坡，坡度較緩（小于10°），樣地的坡上（西向）為闊葉林，林分密度較大，太陽的直射光受到茂密林分及樹冠的遮擋，直射光通過率大大降低。因此樣地西南側(cè)雖然為30 m的皆伐帶，但是由于地形和周圍林分結(jié)構(gòu)的影響，其直射光指數(shù)仍然較低。同樣在樣地中間的胡桃楸樹的冠幅，對其東側(cè)區(qū)域的直射光指數(shù)影響也較大。在樣地中以落葉松為主的區(qū)域中，雖然樹木密度較大，但由于其為近成熟林，林冠下層樹枝已經(jīng)通過天然整枝而脫落，因此，該區(qū)域內(nèi)的直射光指數(shù)較闊葉樹周圍的直射光指數(shù)較大。