抚育采伐后兴安落叶松的冠层结构参数1)

李祥 朱玉杰 董希斌

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

责任编辑:张 玉。

林木冠层，是包括树叶、枝条和层内空气等在内的一个有机结构，是森林的绿色覆盖层［1］;它的大小、方位、形状、生长发育情况等，都对森林生态系统有着重要影响［2－4］。冠层结构，影响着森林对太阳能获取程度;林内光照、风速、空气温湿度、地表持水量、土壤温度等，进而改变了森林微气候，它还能够调节植物与环境的相互作用，对动植物生存和生长都有重大影响［5］。冠层结构的各项指数，能够直接反映植被的生长能力，研究冠层有助于探究该地区的环境因子［6］。森林冠层结构，作为群落外观的可视化判断指数，已被广泛应用于森林生态系统研究［7－8］。用材林，是木制产品的主要原料来源，更是林业生产、木材加工等行业发展的必备条件。大兴安岭林区用材林蓄积量，在我国林木总蓄积量中占有很大比例;因而，对其进行合理的择伐，有利于森林保护和林业可持续发展战略的实施。采伐作业能够改变林分冠层结构，而冠层结构通过改变森林微气候影响林下植被繁殖速率和土壤中分解酶活性等，进而影响森林更新苗木发育、植被覆盖度、土壤理化性质等。目前，国内外对于林木冠层截留性能、冠层尺度、光合蒸腾特性等方面的研究比较多［9－10］，也有很多研究致力于果树、农作物冠层对产量的影响［11－13］;而在采伐强度对用材林冠层的影响等方面的研究还很少［14－16］。本文以大兴安岭用材林为研究对象，进行不同强度的抚育采伐作业，并对其林木冠层进行测定，探讨不同抚育强度对大兴安岭用材林冠层的影响，以期为大兴安岭大面积用材林可持续生产经营提供参考。

1 研究区概况

试验地位于黑龙江省大兴安岭林区新林林业局的新林林场。该林场坐落于大兴安岭山脉伊勒呼里山的东北坡。地理坐标为东经123°41'～125°25'，北纬51°20'～52°10'。该地海拔相对较高，地势平缓，坡度多在6°以下;土壤种类为棕色森林土，平均厚度15 cm;气候寒冷湿润，年平均气温－2.6 ℃;降水分布不均匀，多集中在7、8月份，年降水量达到513.9 mm;无霜期平均为90 d 左右;全年日照时间约为2 357 h，日照百分率为51%～56%。用材林为天然林，生长旺季为6—8月份;林分主要是兴安落叶松(Larix gmelinii)，也有少量的白桦(Betula platyphylla)、樟子松(Mongolica litv)和山杨(Populus davidiana)，具体树种比例见表1。

表1 样地概况

2 材料与方法

样地设置:在2008年冬季设置20 块规格为20 m×20 m 的样地，依次编号为1～20，其中1 号样地未经过采伐，作为对照;在2～20 号样地均进行不同强度的择伐，且只采伐兴安落叶松。

实验仪器:Winscanopy 主要组成部分包括Winscanopy 分析软件、XLScanopy 数据处理软件、高分辨率专业数码相机及180°鱼眼镜头等，Winscanopy通过由数码相机和鱼眼镜头拍摄的半球图像实现分析。选择兴安落叶松进行实地拍摄，使用鱼眼镜头拍摄所要研究的植被冠层，获得半球状的图像;再利用Winscanopy 软件对图像进行处理，获得有关植被冠层相关数据后对太阳光直射透过系数进行计算。

数据采集与处理:于2013年6月下旬，在各样地中分别随机选取8 棵兴安落叶松，用GPS 分别测得每棵树木的所在地点的经纬度和海拔高度;找准正北方向后，将数据采集装置Mini －O －Mount 7MP调平，并测量仪器镜头离地距离;从三到四个不同方向进行观测，采集图像。使用冠层分析仪Winscanopy 处理采集到的图像，得到初步的实验数据;再用XLScanopy 对数据进行校正等预处理;最后导入Excel 和SPSS19.0 对数据进行计算处理。

3 结果与分析

3.1 采伐后样地冠层结构参数值

由表2可知:林隙分数变化范围2.915%～7.137%，平均为5.511%;开度变化范围3.799%～8.255%，平均为6.417%;叶面积指数变化范围4.422～7.348，平均为5.799;叶倾角范围14.760°～17.348°，平均为15.175°;总定点因子变化范围0.580～0.143，平均为0.109;冠上总辐射通量22.05～22.19 mol·m－2·d－1，平均为22.11 mol·m－2·d－1;冠下总辐射通量变化范围0.729～1.784 mol·m－2·d－1，平均为1.38 mol·m－2·d－1;冠层的光截获通量为20.73 mol·m－2·d－1。

3.2 采伐后冠层结构参数之间的相关性

实验区兴安落叶松用材林冠层的林隙分数与开度相关系数达0.954，呈现显著正相关(P ＜0.01);说明试验样地兴安落叶松用材林冠层，植被阻隔对林隙分数影响很小。林隙分数和开度与直接定点因子、总定点因子、冠下直射辐射通量以及冠下总辐射通量，都呈显著正相关关系(P ＜0.01)，与叶面积指数呈显著负相关关系(P ＜0.01)(见表3)。这是由于随着林隙分数和开度增加，林分变得疏松，单位土地面积上可光合作用的绿叶面积减少，叶面积指数随之减少，使得林地透光率增加，到达地面的太阳辐射通量增加，冠下直射辐射通量和冠下总辐射通量随之增加;由于总太阳辐射通量不变，冠层对太阳光的截获量减少，因而直接定点因子和总定点因子也随之减少。

由表3可知:冠层的冠下总辐射通量与冠下直射辐射通量呈显著正相关(P ＜0.01);而与冠下散射辐射通量相关系数为0.312，相关关系不显著;说明直射辐射在总辐射通量中起到决定性作用。直接定点因子与总定点因子呈显著正相关(P ＜0.01)，且它们均与冠下直射辐射通量及总辐射通量呈显著正相关关系(P ＜0.01);间接定点因子与冠下散射辐射之间的线性相关系数达0.986，相关性极显著(P ＜0.01);说明定点因子很大程度上能够代表复杂的辐射通量。冠上直射、散射、总体辐射通量，两两之间有着显著相关性(P ＜0.01)，但与其它冠层结构参数间没有明显相关关系。

表2 兴安落叶松用材林冠层结构参数值

叶倾角是叶片法线与垂直方向的夹角，平均叶倾角越大，叶子越倾向直立，它能够影响太阳光照射叶片的角度和方位［12－14］。叶倾角，与间接定点因子、冠下散射辐射有着显著相关性(P ＜0.05)，而与叶面积指数、林隙分数、开度、直接、总体定点因子以及冠下直射、总体辐射通量等相关性均不显著;表明叶倾角的变化，极大程度上影响着林分内散射光透光率，而对林分疏密、光合总作用面积以及冠层对太阳光的截获量影响不大。

表3 兴安落叶松冠层结构参数相关性

3.3 采伐强度对冠层结构参数的影响

3.3.1 采伐强度对叶面积指数的影响

由表2可见:随着采伐强度的增加，叶面积指数整体趋势先增加后减小。当采伐强度在0～12.52%时，随着采伐强度增加，叶面积指数出现小幅波动，且略大于对照样地，说明较低强度的采伐对林分结构的改良效果不明显。当采伐强度为12.52%～19.00%时，叶面积指数随着采伐强度的增加而迅速增加。采伐强度在19.00%～34.38%之间时，叶面积指数保持最大，且在采伐强度为20.86%时，叶面积指数达到最大值(7.137);原因是，在一定强度的采伐下，林分变得疏密均匀，结构更为合理，林冠郁闭度减小，透过上层林冠达到中下层的光合辐射量增加，促进了林冠中下层叶片的生长，最终导致叶面积指数增加。采伐强度在34.38%～40.01%时，叶面积指数随着采伐强度的增加而迅速下降;在采伐强度为47.87%之后，叶面积指数低于对照样地(59.92%除外)，且下降趋势减小。这是由于采伐强度的持续增大，使得林分稀疏，中下层林冠所受光合照射达到饱和，更多的光辐射照射到林地中，促进了灌木层植物的生长;一方面，减少了林木冠层叶片生长所需要的养料，另一方面，林地裸露使得林内温度升高，水分丧失较快等，降低了蒸腾拉力，林冠光合作用受到影响，抑制了叶片生长，因而叶面积指数减小。

3.3.2 采伐强度对林隙分数和开度的影响

由表2可见:随着采伐强度的增加，林隙分数和开度先减小后增加。采伐强度在0～12.52%时，林隙分数和开度略小于对照样地，且随采伐强度增加变化不明显;这是由于弱度采伐未能有效改良林分结构，林冠中下层光照条件没有明显改善。当采伐强度在12.52%～20.86%之间时，林隙分数和开度迅速减少，并在采伐强度为20.86%时，达到最小;之后，随着采伐强度增加而迅速增加。这是由于适度采伐改良了林内环境，促进林木叶片生长，从而增加了林分密度，林分间隙也随之减少;但随着采伐强度增加，林木在采伐后生长量远远小于被采伐掉生物量，林分间隙也逐渐增加，因而林隙分数和开度也逐渐增加。在采伐强度达到40.01%之后，增加趋势缓慢;这是因为采伐强度达到一定程度后，林分密度极为疏松，在180°鱼眼镜头的拍摄范围内，天空部分占总图像的比例很小，比例变化显得很不明显。

3.3.3 采伐强度对定点因子的影响

由表2可见:随着采伐强度的增加，直接定点因子和总定点因子先减小后增加;原因是，采伐改变了林冠郁闭度，透过林冠达到地表的光照辐射增加，在冠上辐射通量相同的情况下，总定点因子随着林冠透光率变化而变化。采伐强度在0～12.52%内时，直接定点因子和总定点因子保持稳定，且均略小于对照样地。采伐强度在12.52%～20.86%之间时，直接定点因子和总定点因子随着采伐强度增加而迅速减小，且在采伐强度为20.86%时，直接定点因子和总定点因子达到最小。采伐强度在20.86%～40.01%之间时，直接定点因子和总定点因子随着采伐强度的增加而迅速增加;而当采伐强度达到40.01%之后(59.92%除外)，增加趋势缓慢，原因是，当采伐使得林冠较为稀疏时，透过冠层的光照辐射量变化不明显。采伐强度为20.86%时，样地直接定点因子和总定点因子远小于对照样地以及其他采伐样地。这表明，强度为20.86%的中等强度采伐更有利于林分中透光率的改善。

3.3.4 采伐强度对冠下辐射通量的影响

冠下辐射通量是太阳光穿过冠层的部分，能够表征冠层对太阳光的截获量。从表2可见:随着采伐强度的增加，冠下直射、总体辐射通量，先减小后增加。采伐强度低于12.52%时，冠下直射、总体辐射略低于对照;较低强度采伐未能有效改善林分结构，林冠疏密不均匀，因而导致林冠透光率增加，冠下辐射随之增加。采伐强度在20.86%时，样地内直射辐射通量和总辐射通量达到波谷。这表明，在相同强度的太阳光辐射照射的条件下，中度采伐更有利于林冠截获太阳光;当采伐强度大于40.01%时，过度的人工干扰使得林冠郁闭度急剧降低，因而冠下辐射也随之增加。

4 结论与讨论

应用冠层分析仪，对不同强度采伐后兴安落叶松天然用材林冠层结构各参数指标进行了分析，结果表明:在8月中旬，各参数指标均值分别为:林隙分数5.511%、叶倾角15.175°、开度6.417%、叶面积指数5.799、总定点因子0.109、冠下总辐射通量1.380 mol·m－2·d－1;冠层对太阳光的截获通量均值为20.73 mol·m－2·d－1。

林隙分数和开度，是冠层通光率的指标，可以用来表征光、水等环境因子通过林冠进入林内的再分布状况［17］;因此，在营林中，合理、精确的确定林分内的郁闭状况，对于森林生态研究有着重要影响。崔莉等［1］对大兴安岭白桦林、山杨林、蒙古栎林3 种林型的冠层参数进行研究，高登涛等［18］对苹果树冠层光学特性进行研究，一致得出:冠层林隙分数和开度有显著正相关性(P ＜0.01);从而说明，植被阻隔对林隙影响很小。这与本文研究结果相同。表明，采伐对冠层林隙分数和开度间相关性没有影响;而随着采伐强度的增加，林隙分数和开度先减小后增加。

叶面积指数，是用来表示冠层呼吸、光合和蒸腾等作用总面积的指数，它与生态系统蒸散量、冠层光截获能力、总初级生产力等生态学重要参数指标有直接的关系［19－21］。在本文研究中，叶面积指数与林隙分数、开度、总定点因子、冠下总辐射通量，呈显著负相关(P ＜0.01);这一结果，在崔莉等［1］对大兴安岭不同林型的冠层参数的分析比较中得以体现。这表明，叶面积指数与其他结构参数之间的相关性，不受采伐干扰的影响;但叶面积指数随着采伐强度增加表现为先增大后减小。

冠下总辐射通量，能够直观的反应冠层对太阳光的截获能力;在辐射总量一定时，冠下总辐射通量越小，则冠层的光截获量越多［15］。本研究得知，林隙分数、开度、总定点因子、冠下直射辐射通量，与冠下总辐射通量显著正相关(P ＜0.01);叶面积指数与冠下总辐射通量显著负相关(P ＜0.01)。这表明，兴安落叶松天然用材林冠层的林隙分数、开度、总定点因子、冠下直射辐射通量、叶面积指数，对其冠层截获光的能力影响较大。而对于不同的采伐抚育强度，冠下直射、总体辐射通量变化不同，总体上表现为，随着采伐强度的增加先减小后增大;这表明，冠层的光截获能力随着采伐强度增加表现为先增加后减小。

直接定点因子与总定点因子呈显著正相关(P＜0.01)，且它们均与其他冠层结构参数呈显著正相关关系(P ＜0.01)。这是由于，随着林隙分数和开度减小，林分变得疏松，单位土地面积上可光合作用的绿叶面积减少，林地透光率增加，冠层对太阳光的截获量减少，到达地面的太阳辐射通量增加;而总太阳辐射通量不变，因而定点因子也随之减少。表明，定点因子在很大程度上能够表示冠层接受的光强辐射量;而这与抚育采伐强度有着密切联系，随着采伐强度增加，直接和总体定点因子先减小后增加。

叶倾角对太阳光照射叶片的角度和方位有很大影响［14－15］。在本研究中，叶倾角与冠下散射辐射通量和间接定点因子都有着显著正相关(P ＜0.05)，而与其他结构参数无显著相关性;因此也对兴安落叶松天然用材林冠层的光截获能力无明显影响。这一研究结果，与高登涛等［18］对苹果树冠层光学特性的研究中结果类似。且叶倾角基本保持稳定，不受抚育强度大小的影响;其原因可能是受到研究对象是针叶树种的影响，或者针叶树种叶片在观测时期处于完全舒展状态［22－23］，兴安落叶松生长完全，叶倾角变化不明显等。在采伐强度为20.86%的样地内，用材林冠层林隙分数、开度、冠下总辐射通量均为最小，而其叶面积指数和冠层对光截获通量最大。这是因为，适当采伐使得林分结构发生变化，原先互相重叠、遮蔽的枝叶减少，树冠中下层受光面积增大，为树冠的生长创造了有利条件。另外，抚育改造后土壤理化性质的改善也可能是促进林冠生长的重要原因。有研究发现，19.00%～23%的抚育采伐强度，更有利于大兴安岭天然用材林土壤化学性质的改善［24－25］;赵朝辉等［26］研究得出，适当间伐能够改变林内微环境，提高土壤肥力。此外，由于采伐引起的林中水文变化，也可能是造成冠层各个参数不同的重要原因。李超等［27］研究发现，采伐对林地枯落物持水性产生影响。至于更多的影响因素还有待进一步试验和论证。

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