树木冠层消光度与三维绿量的关系

吴云霄, 雷忻,*

1. 延安大学生命科学学院, 陕西, 延安716000

2. 延安市生态恢复重点实验室(延安大学), 陕西, 延安 716000

树木冠层消光度与三维绿量的关系

吴云霄1,2, 雷忻1,2,*

1. 延安大学生命科学学院, 陕西, 延安716000

2. 延安市生态恢复重点实验室(延安大学), 陕西, 延安 716000

利用野外调查和实地测量的方法, 从植物群落和单株树木两个方面研究树木冠层消光度与其三维绿量的关系。结果表明： 冠层消光度与其三维绿量之间的相关性达到极显著水平, 在群落水平上, 群落内的郁闭度和群落面积与冠层消光度之间都呈现明显的正相关, 而乔木层的消光度与灌木层的消光度呈现明显的负相关, 树木在单株水平下,冠层的消光度与树木枝下高呈现明显的负相关。因此, 可用冠层消光作为衡量树木三维绿量的指标。

消光度; 三维绿量; 群落; 单株

1 前言

城市绿地系统泛指城市区域内一切人工或自然的植物群体及具有绿色潜能的空间, 它由相互作用的具有一定数量和质量的各类绿地组成, 具有重要的生态、社会和经济效益[1], 是城市内唯一有生命的基础设施, 也是城市生态环境及可持续发展的重要基础[2-3]。城市绿地的生态效益与绿地的面积、结构等方面都有很大的关系, 尤其取决于其三维绿量[4]。关于绿量目前有两种测量方法, 三维绿量法(m3)和叶面积指数法(m2)[5-8], 三维绿量目前常用遥感航片和激光扫描两种方法[9-11], 叶面积指数通常使用冠层分析仪进行测量[12]。目前关于叶面积指数和三维绿量的测定都需要精密的仪器, 并且都处于半自动化的状态, 测量起来工作量也比较大。国外 Boon Lay Ong曾提出了树冠上下方光照强度、消光系数、叶面积指数之间的关系为Qi=Q0eK.LAI, 其中为冠层下方的光照强度, Q0为冠层上方的光照强度, K为消光系数, LAI为叶面积指数[13], 国内吴云霄等人研究了消光度与绿地结构的关系, 并提出了消光度在绿地评价中的作用和提高绿地整体生态效益的途径[14]。本文在以往研究的基础上研究树木冠层消光度与三维绿量之间的关系, 以期寻找简单易行的三维绿量衡量指标。

2 研究对象与方法

2.1 调查方法

实验地位于重庆市主城区内, 调查对象主要为城市公园绿地和街道绿地, 调查区域包括重庆市主城区范围内的渝中区、沙坪坝区、大渡口区、江北区和北碚区。其中：公园绿地选取沿中央山脊一线的鹅岭公园、枇杷山公园和平顶山公园,此外,还有沙坪坝公园、大渡口公园和花卉园, 街道绿地除对主城区的主要街道进行勘查外,重点对石桥铺至鹅岭公园路段的绿化带进行研究,同时选取部分立交桥(黄花园立交、松树桥立交和石桥铺立交)进行研究。在样地选择时间主要选择树种生长情况良好, 并且大部分树为成年树种的区域为研究对象。

每个样地设10个样方(乔木20 m×20 m, 或者4个10 m×10 m; 灌丛2 m×2 m, 草地1 m×1 m), 共160个样方。在每样方的调查中采用梅花形5点调查的方法[14], 每个点在垂直方向上分别测定乔木层(1.5 m处)和灌木层, 各测定1次。测定的数据为光照强度,最后结果取其平均值。参考对象为裸地。测定的时间为夏天气温最高的阶段 10： 00—14： 00, 其中绿地和无绿化裸地两者之间的差值就是减少的光照强度。

2.2 三维绿量的测定

参照文献[10], 利用激光扫描法测得冠层三维绿量。

2.3 消光度的测定与消光量的计算

单株个体消光度的测定,参考文献[13]的消光系数公式, 经过变通, 得消光度的计算公式：

式中：Q0为冠层上方入射太阳光的光照强度;Qi为穿过冠层太阳光的光照强度,具体的计算时,取冠层下方的平均光照强度。

对于整个样方的消光度,先测定每种植物的消光度(每种植物要测定多株),然后取其平均值为该种植物的消光度。

调查样方的平均消光度的测定公式为：

式中： R1为单株乔木的消光度; S1为单株乔木冠幅; R2为灌木的消光度; S2为灌木的冠幅; S为样方面积。

冠下消光量为R×S。

2.4 数据处理

经Excel 基础处理后, 在SPSS12.0中进行方差分析和相关性分析。

3 结果与分析

3.1 群落水平上冠层消光度与三维绿量的关系

3.1.1 群落中乔木层消光度与三维绿量的关系

在研究群落水平上乔木层消光度与三维绿量的关系时, 从人工公园绿地中选取乔木层郁闭度为0.10—0. 95的43个样方, 样方内各株乔木的三维绿量之和作为样方内乔木层的总三维绿量, 最后分析乔木层减少的光照、郁闭度、消光度与三维绿量之间的关系。

分析结果(表 1)显示, 在群落水平上, 郁闭度与乔木层的三维绿量、光照差和消光度之间的相关性达到极显著水平(p＜0.01), 即随着郁闭度的增加, 乔木层的三维绿量和消光度也随之增加, 而三维绿量通常被作为衡量绿地生态效益的标准, 因此, 增加乔木层的郁闭度是改进绿地生态效益的有效手段。三维绿量和消光度之间的相关性也达到了极显著水平, 所以,可以认为乔木层的消光度能够间接反映群落内乔木层的三维绿量大小。虽然乔木冠层三维绿量通常被用来衡量绿地的生态效益, 并且合理性较强, 但三维绿量在具体的测量过程中工作量比较大,并且准确性也较低, 但消光度的测量简单易行, 并且准确度比较高。所以, 可以用消光度来代替三维绿量, 从而使三维绿量的测量变得更加简单易行。

表1 乔木层三维绿量与消光度、郁闭度之间的相关性Tab. 1 Correlation between tridimensional green biomass, extinction ratios and degree of canopy closure

3.1.2 面积对乔木层消光度的影响

在研究面积对乔木层消光度的影响时, 选取重庆市主城区绿地系统中主要类型绿地, 在各类绿地中选择自然成块的绿地, 面积由89 m2—520 m2大小不等, 调查样方共45个, 在各个样方中均采取梅花五点法在 1.5 m高处测得光照强度, 然后计算得消光度, 结果显示, 在郁闭度相同的情况下, 面积对乔木层消光度有明显的影响, 两者呈现显著的正相关关系, 随着面积的增加, 即使郁闭度相同, 面积越大, 乔木层的平均消光度也越大。该结果说明, 乔木层的消光度存在着明显的面积效应, 所以在以后的绿地建设中, 要想使绿地具有比较好的生态效益,其面积必须达到一定的数量。

3.1.3 不同立体结构植物群落的消光度与三维绿量的关系

在研究不同立体结构植物群落冠层消光度与三维绿量关系时, 把植物群落按照立体结构分为草丛、灌丛、乔木单层结构(郁闭度≥0.6)、乔草复层结构(郁闭度≥0.6和 0.2≤郁闭度≤0.4)和乔灌草复层结构(郁闭度≥0.6和0.2≤郁闭度≤0.4)等7种群落类型, 不同群落之间的消光度进行单因素方差分析(表 2)所示： 草地群落与其它各种群落的消光度之间的差异性达到极显著水平(p＜0.01), 也即草地的消光度明显低于其它群落类型, 郁闭度≥0.6乔木单层结构群落的消光度与草地、灌丛、0.2≤郁闭度＜0.4乔草复层和0.2≤郁闭度＜0.4乔灌草复层结构群落的消光度之间的差别均达到极显著水平, 而与郁闭度≥0.6乔草复层和郁闭度≥0.6乔冠草复层结构群落的消光度之间的差别并不明显(p＞0.05), 灌丛与0.2≤郁闭度＜0.4乔草复层和0.2≤郁闭度＜0.4乔灌草复层结构群落的消光度之间的差别均不明显(p＞0.05), 分析结果说明乔木层郁闭度对整个群落的消光度起决定性的作用, 但随着郁闭度的增加, 乔木下方的灌木和草本会随之减少, 群落整体的绿量不可能无限制的增加。所以在以后的绿地建设中应尽量增加乔木的数量, 从而增加整个群落的消光量(三维绿量),提高绿地的生态效益,当受条件限制不能增加乔木的数量时, 可以通过增加灌木和草本植物来优化群落结构。

对乔木层消光度、总体消光度、乔木层消光量、总体消光量及三维绿量等各要素的相关性进行分析(表3), 结果显示： 乔木层消光度、消光量和郁闭度与总体消光度、总体消光量和总体三维绿量均呈正相关,并且相关性达到极显著水平, 说明乔木层对整个植物群落起到决定性作用, 乔木层消光度与乔木层三维绿量正相关, 并且达到极显著水平, 所以可以用乔木层的消光度来衡量其三维绿量, 而乔木层的消光度、郁闭度与灌草层消光度呈极显著负相关, 说明乔木层会明显影响到灌草层植物的生长。

3.1.4 乔木层郁闭度对灌草层消光度的影响

表2 不同立体结构植物群落消光度单因素方差分析Tab. 2 Single factor analysis of variance of extinction ratios of different tridimensional structure communities

在研究乔木层郁闭度对灌草层消光度的影响时,选取了 3种群落类型, 包括灌丛群落和乔灌草结构的群落(0.2≤郁闭度＜0.4和郁闭度＞0.6)为研究对象。分析结果表明： 灌丛结构、0.2≤郁闭度＜0.4的乔灌草结构和郁闭度＞0.6的乔灌草复层结构三种群落类型的灌草层的消光度分别为2.2487、2.1604和1.9252,并且差异都达到了极显著水平。对其绿量进行测量和分析也表现出相同的规律, 说明随着郁闭度的增加, 乔木下灌草层的消光度和绿量逐渐减少, 这可能是因为郁闭度的增加会影响到灌草层光能和影响的获得。所以,在绿地建设过程中, 一方面可以通过增加乔木层的郁闭度来增加植物群落的三维绿量和生态效益, 同时可以通过增加绿地的立体结构层次来实现, 但乔木层郁闭度会影响到灌草层植物的生长, 所以郁闭度高就减少下层植物数量, 如果乔木层郁闭度较低, 就可以适当增加灌草的数量,从而增加绿地的绿量和生态效益。

表3 冠层消光度与三维绿量的关系Tab. 3 Relation between tridimensiona green biomass and extinction ratio

3.2 植株单体冠层三维绿量与消光度的关系

以重庆市代表性比较强的香樟(Cinnamomum camphora)和小叶榕(Ficus microcarpa)为对象研究植株单体三维绿量与冠层消光度、消光量之间的关系。在研究香樟时, 共选择样本 53株, 胸径(D)为 7—49 cm, 分别对单体三维绿量、消光度和消光量进行测量和计算。根据林业中树木胸径分级标准和实际应用需要, 把胸径分为5个级别： D≤10 cm, 10 cm＜D≤20 cm, 20 cm＜D≤30 cm, 30 cm＜D≤40 cm, 40 cm＜D≤50 cm, 对各胸径级别个体的特征进行研究, 并进行相关性分析, 结果见表4。

表4 香樟和小叶榕植株单体三维绿量与消光度相关性Tab. 4 Correlation between tridimensional green biomass green biomass and extinction ratio of Camphor and Ficus monomer trees

对香樟单株的各项指标的相关性进行分析, 结果(表4)显示, 胸径与树高、冠幅、冠层厚度和三维绿量之间都呈正相关, 并且达到了极显著水平(P＜0.01), 树木个体的胸径与消光度和消光量有一定的相关性, 但与消光度的相关性不明显(P＞0.05), 与消光量之间的相关性达到极显著水平(P＜0.01)。香樟个体的高度与树木的消光度之间的相关性达到显著水平, 与树木个体的消光量之间的相关性达到极显著水平。香樟个体的枝下高与消光度和消光量在一定的程度上都呈现一定的负相关性, 这说明随着枝下高的增加, 树木个体下方的消光度和消光量都呈现下降的趋势。冠幅和冠层三维绿量与消光度相关性不明显, 但与消光量的相关性达到极显著水平。冠层厚度与消光度之间的相关性达到显著水平, 与消光量的相关性达到极显著水平。

对小叶榕研究时, 选取 45个胸径为 1—38 cm的个体, 分别对其特征进行测定, 相关性分析(表 4)显示： 其结果与香樟相似, 小叶榕的胸径与树木个体的高度、枝下高、冠层厚度、冠幅、三维绿量两两之间都呈现明显的相关性。树木个体的胸径、高度、枝下高、冠层厚度、冠幅、三维绿量与消光度都有一定的相关性, 但都不太明显, 与消光量的相关性达到极显著水平。

香樟个体和小叶榕个体的分析结果显示：树木个体的胸径、高度、枝下高、冠层厚度、冠幅、冠层体积之间的相关性均达到极显著水平, 树木个体特征与消光度之间的相关性不明显, 但与消光量之间呈现明显的相关性。所以, 在树木个体的研究过程中, 可以用树木个体的胸径反映树木个体其它方面特征和消光量, 从而减少测量的工作量。

4 结论与讨论

城市绿地系统能够改善城市微气候, 而其效果与其三维绿量有关。三维绿量主要是指植物茎和叶体积之和, 其中又以叶为重。绿量这一概念的基本出发点为生态学的能量转换利用和植物茎叶的生理功能。通过量化植物茎叶体积来探讨绿色三维体积与植物生态功能水平的相关性。

本研究把消光度引入到城市绿地的研究中, 其结果显示： 无论是在群落水平还是在树木单株水平上, 冠层消光度与三维绿量之间的相关性都达到了极显著水平, 并且由消光度的公式可以看出消光度实际上是由叶面积指数和消光系数共同决定的, 而两者恰恰反映了群落的树种结构、比例、生长状况等, 因此可以在绿地绿量测量过程中用消光度来代替, 可以使测量变得简单易行。在群落水平上乔木层消光度与灌木层消光度之间呈明显的负相关, 说明乔木层会影响到灌木层植物的生长, 在乔木层植物不能太多的情况下可以通过增加灌木层植物来增加整个群落的绿量。郁闭度相同的情况下, 群落内的平均消光度和面积还呈一定的正相关, 说明绿地的消光度也有一定的面积效应, 因此在以后的绿地建设中应尽量增加单块绿地的面积, 使生态效益更佳。单株树木的冠层消光度与枝下高成负相关, 所以在绿化过程中还应该选择合适的树高。

城市绿地的一个重要任务是充分发挥其生态效益, 改善城市生态环境。而绿地生态效益的好坏在很大程度上是由植物的光合作用所决定, 于强等人曾研究玉米冠层消光系数与植株光合作用的关系, 其研究结果显示二者呈显著的正相关关系[15], 因此, 一个城市主要树种的消光系数和叶面积指数可以通过仪器测得, 建立相应的数据库, 在绿地建设过程中首先应选用消光系数和叶面积指数(单位面积的叶面积)大的树种。群落的叶面积指数与群落的结构关系密切,群落结构越复杂, 叶面积指数越大, 其中增大群落中乔木所占的比例是增大群落叶面积指数的一个有效措施。但当乔木数量增大时, 由于灌草层光照和营养的减少, 会导致灌草层绿量减少, 所以, 应适当控制乔木的数量, 通过增加灌草的数量来增加整个群落的叶面积指数, 从而增大整个群落的平均消光度, 达到改进群落总体生态效益的目的。在可能的情况下, 应该尽量增大单块绿地的面积, 同时选择合适高度的树种。

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Relationship between the extinction ratio of tree canopy and tridimensional green biomass

WU Yunxiao1,2, LEI Xin1,2,*

1. College of Life Science, Yan'an University, Yan’ an 716000, China
2. Yan’an Key laboratory of Ecological Restoration (Yan'an University), Yan’an 716000, China

Using the methods of field investigation and field measurement, we study the relationship between extinction ratio of tree canopy and tridimensional green biomass. The result shows that the correlation between canopy extinction and tridimensional green biomass reaches extremely significant level. At community level, there is a significant correlation between the community within the canopy density and community area and canopy extinction ratio. But the extinction ratios of tree layer opacity and of shrub layer opacity of the show a significantly negative correlation. At individual level, the extinction ratios of canopy and under branch height show a significantly negative correlation. Therefore, the extinction ratio of tree canopy can be used as a measure of tridimensional green biomass.

Extinction ratios; Tridimensional green biomass; Community; Tree individual

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.026

S715.3

A

1008-8873(2016)01-167-05

2015-01-30;

2015-03-01

陕西省生态学重点学科专项; 陕西省高水平大学建设专项资金资助项（2012SXTS03）; 国家林业局林业公益性行业科研专项项目(201004064)

吴云霄(1980—), 女, 河南济源人, 硕士, 讲师, 主要从事园林生态学研究, E-mail： wuyunxiao110@163.com

*通信作者：雷忻, 女, 博士, 教授, 主要从事环境生态学研究, E-mail：leizz66@126.com

吴云霄, 雷忻. 树木冠层消光度与三维绿量的关系[J]. 生态科学, 2016, 35(1)： 167-171.

WU Yunxiao, Lei Xin. Relationship between the extinction ratio of tree canopy and tridimensional green biomass[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 167-171.