基于粗糙集的林木冠层结构和光分布对净光合速率影响研究

钟泳林，王志云，冼丽铧，鲍海泳，杨宝仪，孙同高，陈红跃

（1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.佛山市林业科学研究所，广东 佛山 528222 ）

基于粗糙集的林木冠层结构和光分布对净光合速率影响研究

钟泳林1，王志云2，冼丽铧1，鲍海泳1，杨宝仪1，孙同高1，陈红跃1

（1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.佛山市林业科学研究所，广东 佛山 528222 ）

以广东省东莞市大岭山森林公园33个乡土树种为研究对象，使用半球面影像技术和Li-6400光合仪分别获取林木冠层结构、光分布和光合作用指标，用方差分析和粗糙集理论进行评价。结果表明，林冠开度、叶面积指数、林下直射光、林下散射光、透光率和净光合速率均在各树种间存在极显著差异（p＜0.0001），各指标在树种间的变化幅度也各不相同，其中林冠开度、林下直射光、林下散射光和透光率的变化幅度均超过了20%，分别为29.95%、20.40%、23.77%和22.56%，而叶面积指数和净光合速率的变化幅度分别为3.24和7.80。林冠结构和光分布均对林木净光合速率有重要贡献，但其影响程度不同。其中林冠开度最大，重要值为1/11，其余几项指标对光合作用的重要性相同，为2/33，略小于林冠开度的重要性。在评价林木冠层结构和光分布对净光合速率的综合影响力中，林冠开度贡献的权重最大，为0.27，林下直射光、林下散射光和透光率贡献的权重均为0.18。冠层结构和光分布对林木净光合速率的综合影响力在一定程度可指示冠层结构和光分布的合理性，与林木净光合速率大小不存在线性正相关关系，它只表明冠层结构和光分布对林木净光合速率的影响程度。

林木冠层结构；光分布；光合作用；粗糙集

林木冠层是林木光合作用的主要发生场所[1]，其结构影响林木对光[2]、CO2[3]、水分、热量的获取[4]，进而影响林木的蒸腾作用[5-6]、光合能力[7]，冠层过于郁闭或者开阔都会使林冠内光分布不合理，降低林木光合性能[8]。因此，合理的冠层结构对促进林木的生长和提高生物量的生产具有重要作用[7-9]。

粗糙集理论（Rough Set）最早是在1982年由波兰数学家Z. Paw lak首次提出的[10]。作为模糊数学的一种新方法，粗糙集理论无需知道先验信息，仅立足于有待分析的集合本身，进行分类、约简、决策等数据挖掘[11]。因此，粗糙集理论在处理不精确和不确定问题时较为客观，在电力工业[12]，企业经济[13]，矿业工程[14]等各个领域得到广泛应用。

本研究通过测定33个乡土树种的冠层的相关指标和光合作用，包括林冠开度Canopy Openness（%）和叶面积指数Leaf Area Index(mol·m2·s-1·d-1)等 2 个 冠 层 结 构 指 标， 林 下 散 射 光Transmitted Diffuse Solar Radiation（%）、林下直射光Transmitted Direct Solar Radiation（%）和透光 率Transmitted Total Solar Radiation（%） 等3个光分布指标以及净光合速率Net Photosynthetic Rate(μmol·m-2s-1)1个光合作用指标，采用粗糙集理论综合评价林木冠层结构和光分布相关指标，定量探讨林木冠层结构和光分布的不同指标分别对净光合速率的影响程度，并以冠层结构和光分布对林木净光合速率的综合影响力作为主要依据进行树种冠层结构和光分布的合理性评价，其方法与结果对我国林木冠层研究具有一定现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究地点东莞大岭山森林公园（113°42′22″～113°48′12″E，22°50′00″～ 22°53′32″N，海拔 30 ～530 m）位于东莞市南部，珠江口的东北部，属低山、丘陵地带，地处南亚热带季风气候，温暖多雨，平均气温21.7℃，年均降水量1 790 mm，雨季多集中4～9月，其降雨量均占全年的80%，常有台风灾害。土壤为花岗岩、岩页岩等发育的赤红壤。土层多为厚土层，有机质丰富，部分地段为薄中层土，且石砾含量较多，有机质含量较低。

1.2 试验材料

本研究选择的研究对象为东莞大岭山森林公园水源林立地条件、苗龄基本一致的33种乡土树种，并编号：白兰Michelia alba、潺槁木Litsea glutinosa、多花山竹子Garcinia multiflora、 格 木Erythrophleum fordii、 观 光 木Tsoongiodendron odorum、 海南红豆Ormosia pinnata、海南蒲桃Syzygium hainanense、红苞木Rhodoleia championii、红花油茶Camellia chekiangoleosa、红锥Castanopsis hystrix、猴耳环Pithecellobium clypearia、黄兰Cephalantheropsis gracilis、 灰 木 莲Manglietia glauca、 火 力 楠Michelia macclurei、 降 香 黄檀Dalbergia hainanensis、阔瓣含笑Michelia platypetala、 毛 黄 肉 楠Actinodaphne pilosa、米老排Mytilaria laosensis、米锥Castanopsis chinensis、 木 荷Schima superba、 人 面 子Dracontomelon duperreanum、 石 栗Aleurites moluccana、 酸 枣Ziziphus jujubavar.spinosa、 铁刀木Cassia siamea、乌榄Canarium pimela、香港四照花Dendrobenthamia hongkongensis、香叶树Lindera communis、仪花Lysidice rhodostegia、阴香Cinnamomum burmanni、樟树Cinnamomum bodinieri、中华杜英Elaeocarpus chinensis、中华楠Machilus chinensis、华南锥Castanopsis concinna。

1.3 试验方法

1.3.1 树冠结构和净光合速率测定

本试验于2012年4月的一个阴天，在广东省东莞市大岭山森林公园内进行，在试验样地中每个试验树种随机选5棵，做好标记，使用半球面影像技术获取半球面照片[15-16]。拍照应选在阴天或无风的天气、日出或日落的时间以确保了光照条件的一致和使直射阳光造成的眩光最小化[17]。

净光合速率的测定采用Li-6400光合仪，于当月选一个晴天的上午9：00～11：30和下午2：00～4：30，在做了标记的树上选取3片生长健壮的叶子进行测定。

1.3.2 图像处理

本研究共采集了33种乡土树种的半球面照片，用 Gap Light Analyzer Version 2.0（GLA 2.0）[18]软件对照片进行处理与分析[19]。

1.3.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SAS 8.0对数据进行统计分析[20-21]。

1.3.4 基于粗糙集的冠层结构和光分布对净光合速率影响的综合评价

1.3.4.1 粗糙集理论设U≠φ是我们感兴趣的研究对象组成的有限集合，称为论域。任何子集UX⊆ ，称为U中的一个概念或范畴。U中任何概念族称为关于U的知识。R是U上一族等价关系，U/R是U上R的等价类全体，它构成了U的一个划分。U上的一族划分叫作关于U的一个知识库：K=(U，R)。四元组S=(U,A,V,f) 称为一个知识表达系统。其中：U：论域；A：属性的非空有限集合，A=C∪D，C∩D=φ，C：条件属性集，D：决策属性集；F：U×A→V为一信息函数。给定知识库K=(U，R)，对于每一个子集UX⊆ 和一个等价关系ind(K)，X的R下近似集和X的R上近似集分别定若S∈P，当pos{P-S}(Q)=posS(Q)，则S为冗余属性，可约简删除；否则，S为必要属性[11,22]，k=rP(Q)=|posP(Q)|/|U|，称Q部份依赖于P，依赖度为k(0≤k≤1)[11,23]。

1.3.4.2 综合评价

综合评价需要获得权重的分配，但权重确定往往难以把握[24]，常见的方法有层次分析法，德尔菲法等，但这些方法的主观因素较大，通常以决策者的先验知识为基础[25-26]，而粗糙集有关约简和重要性等理论则可以较为客观地求出权重分配[23-24]。要利用粗糙集来确定属性的权重,首先需要求出属性重要性或求出条件信息熵[27]。

本研究以冠层结构和光分布共5个因子（林冠开度C1、叶面积指数C2、林下直射光C3、林下散射光C4、透光率C5）作为条件属性的因子，以净光合速率（D）作为决策属性的一个因子，分别划分为5个等级，得到林木冠层指标知识表达系统。根据粗糙集属性约简原理对知识表达系统进行约简并得到各条件属性对决策属性的依赖度（rCi(D)= | posCi(D)|/|U|）、重要性（σCD(Ci)=rC(D)-r{C-Ci}(D)）、 客 观 权 重：最后得出各个树种冠层结构和光分布对净光合速率的综合影响力为：为条件属性的数值[23-24,28-29]。

2 结果与分析

2.1 方差分析

33个树种6个指标如表1。方差分析表明，林冠开度、叶面积指数、林下直射光、林下散射光、透光率和净光合速率均在各树种间存在极显著差异（p＜0.0001），F值分别为F1=10.48，F2=6.59，F3=5.41，F4=7.52，F5=11.68，F6=69.75。各指标在树种间的变化幅度各不相同，林冠开度由中华楠的2.86到乌榄32.81，变化幅度29.95%；叶面积指数由乌榄的2.02到潺槁的5.26，变化幅度为3.24，林下散射光、透光率、林下直射光和净光合速率的变化幅度分别为23.77%、22.56%、20.40%和7.80。

2.2 基于粗糙集的综合评价

指标按表2的划分原则进行划分，结果如表3。

根据粗糙集属性约简原理对知识表达系统进行运算处理，结果如下：

由以上结果可知，D对C1、C2、C3、C4、C5均部份依赖，C1、C2、C3、C4、C5都为D的重要指标，不可约简删除，说明林冠开度、叶面积指数、林下直射光、林下散射光和透光率都对冠层的净光合速率有较大影响，其贡献不可忽咯。重要性最高的是林冠开度，为1/11，而叶面积指数、林下直射光、林下散射光和透光率具有相同的重要性，都为2/33，比林冠开度小。

表1 树种的评价指标Table 1 Evaluation parameters of tree species

表2 评价因子等级的划分标准Table 2 Standard for classifying evaluation factor degrees

表3 林木冠层指标的知识表达系统Table 3 Knowledge representation system for Indicators of forest canopy layers

根据以上结果可计算出各指标客观权重：q1=0.27，q2=q3=q4=q5=0.18，综合评判为：M=0.27×yC1+0.18×yC2+0.18×yC3+0.18×yC4+0.18×yC5，应用评判式得到33个试验树种的冠层结构和光分布对净光合速率的综合影响力，并对其排序，如表4。

表4 试验树种的冠层对净光合速率的综合影响力Table 4 Comprehensive impacts of canopy layers of tested tree species on net photosynthesis rate

由表4可知，林木冠层结构和光分布对净光合速率的综合影响力超过3.00的只有7个树种，其中最好的是乌榄，综合影响力超过了4.00，为4.23；而综合影响力小于2.00的有16个树种，最差的是铁刀木，只有1.35。结果表明，光合速率较大的树种冠层结构和光分布不一定就更合理，冠层结构和光分布合理的树种其光合速率也不一定大，但其对净光合速率的影响较大。如冠层结构和光分布对净光合速率综合影响力最高的乌榄，其冠层结构和光分布对净光合速率的影响程度最明显，但其净光合速率为3.20，仅排在第15位；净光合速率最大的阴香，其冠层结构和光分布对净光合速率的综合影响力仅为1.53，排在第32位。

3 结论与讨论

本研究结果表明林冠开度、叶面积指数、林下直射光、林下散射光和透光率均在各树种间存在极显著差异，5个指标都是影响冠层净光合速率的重要指标，对冠层内的光分布和光利用有重要影响，其贡献不可忽略。但各个指标对冠层净光合速率的影响程度不同，最大的是林冠开度，与区余端“认为在对冠层结构反映的问题上林冠开度的程度最高”的结论相符[30]，而叶面积指数、林下直射光、林下散射光和透光率在对冠层净光合速率的反映上有相同的贡献。主要原因是冠层结构决定了光分布情况[31]。

冠层光合能力是林木树种本身的生理特性，受自身遗传控制[32]，但受冠层结构影响[3,7-8]，此外，还受太阳辐射、水分、CO2浓度等其他环境因素的影响[33]，因此，不能完全依赖净光合速率指标直接评价冠层结构和光分布情况的优劣，但可以加入到粗糙集方法中作为分析评价冠层结构和光分布指标对净光合速率影响的一种依据，由此可计算冠层结构和光分布各指标对净光合速率的综合影响力，从而评判冠层结构和光分布的合理性。本研究结果表明，冠层结构和光分布的合理性与树种的净光合速率大小没有线性正相关关系。本研究使用粗糙集理论分析了林木冠层结构和光分布对净光合速率的影响力，获得了各树种冠层结构和光分布的综合比较结果。粗糙集理论可对大量的评价指标进行优化约简，去除冗余，提取出贡献大的指标，并可得到各重要指标的重要性和权重，对指标的筛选提取有重要意义，该理论比依赖专家意见进行评价的其它方法更为客观[11,23-26,28]，用于评价冠层结构和光分布对林木净光合速率影响其结果更加真实可靠。林木的冠层结构和光分布的评价也可从其它各种角度和方法进行，如何找出最为合理有效的冠层结构和光分布评价方法，这方面有待今后做更多的研究探讨。

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Effects of canopy structure and solar radiation distribution on net photosynthetic rate based on rough set theory

ZHONG Yong-lin1, WANG Zhi-yun1, XIAN Li-hua1, BAO Hai-yong1, YANG Bao-yi1, SUN Tong-gao1, CHEN Hong-yue1
(1. College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China;2. Foshan Institute of Forestry Science, Foshan 528222, Guangdong, China)

By taking the 33 native trees species in Dalingshan Forest Park in Dongguan city of Guangdong province as the studied objects, using hemispherical photography technology and Li-6400 portable photosynthesis system, the tested tree species’ canopy structure, solar radiation distribution and photosynthesis indexes were investigated and measured, and then the observed results were evaluated with variance analysis and rough set theory. The results indicate that there were very significant differences of canopy openness, leaf area index, transmitted direct solar radiation, transmitted diffuse solar radiation, transmitted total solar radiation and net photosynthetic rate respectively among tree species (p＜0.0001), and the amplitude of inter-specif i c variations of all these 6 indexes were not the same. The amplitude variations of canopy openness, transmitted direct solar radiation, transmitted diffuse solar radiation and transmitted total solar radiation were all more than 20.000% being such as: 29.95%, 20.40%, 23.77%, 22.56%, respectively, while those of leaf area index and net photosynthetic rate were 3.24 and 7.80, respectively; the canopy structure and solar radiation distribution both had significant effects on net photosynthesis rate of the forests, however, the influenced degrees were different, the canopy openness contributed the most signif i cance, its’ important value was 1/11, and the others indexes had the same signif i cance to the net photosynthesis rate, all being 2/33, a little less than that of canopy openness; while comprehensively evaluating the effects of canopy structure and solar radiation on net photosynthesis rate, the canopy openness contributed the most weight (0.27) and the leaf area index,transmitted direct solar radiation, transmitted diffuse solar radiation, transmitted total solar radiation contributed the same weight of 0.18;the comprehensive impacts of canopy structure and solar radiation distribution on net photosynthesis rate, which can be an indication of rationality of canopy structure and solar radiation distribution in some degrees, was not positively correlated with net photosynthetic rate absolutely, only to showed the degree of effects of canopy structure and solar radiation distribution on photosynthesis. The Rough SetTheory, a method which didn’t rely on specialists’ opinions but objective data to reveal potential information, was used to evaluate the effects of canopy structure and solar radiation distribution on photosynthesis in this research. And the result of this evaluation is more objective and more reliable.

forest canopy structure; solar radiation distribution; photosynthesis; rough set

S718.43

A

1673-923X(2014)04-0043-06

2013-11-22

国家林业公益性行业专项“城市地带性乡土植物材料筛选与体系构建模式研究”（201004042）

钟泳林（1989-），男，硕士，主要研究森林培育理论与技术，E-mail：damon_bergkamp@163.com

陈红跃，男，博士，教授， E-mail：chenhongyuetz@126.com

[本文编校：吴 彬]