落叶松人工林冠下光环境对更新幼树生长的影响1)

历胤男 刘盛 李国伟 刘庆忠

(北华大学，吉林，132013)



落叶松人工林冠下光环境对更新幼树生长的影响1)

历胤男 刘盛 李国伟 刘庆忠

(北华大学，吉林，132013)

采用冠层分析系统对落叶松人工林冠下人工更新落叶松幼树的光环境进行了调查。依据调查数据分析了直射光指数、散射光指数、综合光指数与幼树死亡率、树高生长量和地径生长量的关系，结果表明：所选3个光照指数大小对落叶松幼树死亡率、树高和地径生长量均有显著影响，冠下落叶松幼树死亡率随光照指数的增大而减小，树高和地径生长量随光照指数的增大而增大。光照指数在小于0.25时，死亡率最高，树高和地径生长量处于最低水平；当直射光指数和综合光指数在0.25～0.45时，是落叶松幼树在林下维持生存的基本光照平衡区间；在大于0.45时，幼树的保存率和生长表现出了旺盛的状态，说明落叶松在林冠下更新造林的直射光指数和综合光指数不应小于0.45。3个光照指数之间没有显著的好坏差别，呈现了相同的规律性。只是对于幼树死亡率的影响，散射光指数不如直射光指数敏感，同时也说明直射光对于幼树的生存具有更重要的意义。

落叶松人工林；冠下更新；光照指数；死亡率；生长量

Using canopy analysis system (HemiView) under canopy of artificial regeneration artificial larch, we investigated the sapling light environment. According to the survey data we analyzed the direct light index (DSF), light scattering index (ISF), integrated optical index (GSF) and sapling mortality, tree height growth quantity and diameter growth. The three selected light index sizes of larch sapling mortality, tree height and diameter growth were significantly affected. Under the canopy of larch, the sapling mortality was decreased with the increase of light index, the growth of tree height and ground diameter was increased with the increase of the index of light. Under the light index of less than 0.25, there was the highest mortality, tree and lowest height and diameter growth. When the direct light index and comprehensive index were in 0.25-0.45, the light was in forest survive basic lighting balance interval for larch sapling. When light index was greater than 0.45, the survival rate and growth of young trees showed a strong state, indicating that larch under the canopy of reforestation direct light index and comprehensive index should not be less than 0.45. For stand and fall, there was no significant difference between three light indexes with the same regularity. For the mortality rate of young trees, the sensitive effect of ISF was less than DSF, indicating that direct light was important in the survival of the young trees.

中国人工林面积已居世界首位[1]，占全国森林面积的20%；在我国东北林区，落叶松(Larixolgensis)是人工更新的主要树种[2]，到目前为止，在所有人工造林树种中的保有面积是最大的。长期的人工林经营使人们发现，大面积的人工纯林存在很多弊端[3]，如群落结构简单、缺乏生物多样性、林地退化、病虫害严重等[4]。

对于进入主伐年龄的人工林，目前的经营方式主要是皆伐，然后在皆伐迹地上再造林，这种主伐方式易造成水土流失；在环境条件较好的地方，光环境的巨大变化使林地上的杂草迅速生长，由于造林幼树的高生长速度赶不上杂草，使造林幼树被杂草欺死的现象普遍存在，造林保存率不高，形成了大量的人天混林分。同时，这种主伐方式一般需要抚育3 a，多采用3-2-1抚育方式，增加了人工抚育的成本。因此，在大量人工林陆续进入主伐年龄的今天，探讨人工林经营方式，特别是主伐利用方式是我国东北林区仍至全国面临的重要课题。

在近自然森林经营理念等现代森林经营理论的影响下，我国对人工林的近自然经营也进行了大量的研究探索，形成了一定的共识，即对成过熟的人工林进行择伐后，在其林冠下再造人工林，由于上层林冠的庇荫，林地光环境不致于变化剧烈，为下层造林幼树的生长提供了保护，避免了上述人工林主伐利用所产生的弊端。逐步将单层的人工同龄纯林改造成复层异龄林或复层异龄混交林，并最终向近自然的天然林相转变[5]。

在人工林冠下再造林时，林下光环境是林冠下造林幼树生长、发育的重要限制性因子[6]。上层林冠结构对光的透射、反射和吸收有很大的影响，并且改变着光照的成分[7]。冠下光照可分为直射光(穿过林冠空隙直接照射到林下的光)和散射光(从任意方位反射到林下的光)[8]。林冠结构的不同导致了直射光和散射光对林下总光照贡献率不同[9-10]，从而对林冠下幼树的生长产生不同的影响。目前,对林冠下光照强度的研究存在一定的局限性，如光照指标的选择较为单一，光照强度多为间接测定，准确程度不高等[11]。近年来，一种基于半球面影像技术的冠层分析系统使林分光环境研究进入到了精确定量研究的阶段，通过野外数码取样，然后在专用软件中进行分析，它可以准确、方便地确定林分光辐射与冠层结构参数，并且具有良好的稳定性和精确度[12]。

本文运用冠层分析系统,对吉林蛟河落叶松人工林冠下的光环境结构特性进行了分析，共测定了483株落叶松冠下更新幼树的直射光指数、散射光指数和综合光指数[13]，并分析了这3个光照指数与冠下更新幼树的生长之间的关系，为探索人工林冠下更新幼树的生长和存活条件问题，研究更新幼树对冠下光环境的响应提供参考。

1 研究区概况

试验地选在吉林省蛟河林业实验区管理局苇塘沟，行政区域位于蛟河市东北部42 km处的前进乡境内，地理坐标为北纬43°51′～44°05′，东经127°35′～127°51′。属长白山系张广才岭西南坡余脉，海拔高度在330～1 176 m，该区多为中山低山地貌，属于温带大陆性季风气候，全区年均气温4.1 ℃，最低平均气温为-31.8 ℃，最高平均气温为29.5 ℃，年平均降水量为723.2 mm，土壤类型主要以暗棕壤为主，表土层厚度平均为20 cm，土壤比较肥沃，利于森林植被生长。辖区内植被属长白山植物区系，原地带性顶极群落为红松阔叶林，主要林分类型为天然针阔混交林。

2 材料与方法

选择林地平坦，立地条件一致的近成熟落叶松人工林2.0 hm2，2014年1月对试验地进行了择伐，2014年4月在林冠下选取苗龄、遗传性状一致的人工落叶松幼树进行栽植。试验地上层落叶松林的平均直径22.4 cm，平均树高19.6 m；下层栽植长白落叶松幼树483株，苗龄2 a，平均苗高40 cm，苗木地径平均值为0.6 cm，造林株行距1.5 m×2.0 m。在栽植前对冠下更新试验地进行了清林，并于2014、2015年的7月调查了试验地冠下栽植幼树的成活情况、树高生长量、地径生长量。

冠下光环境指标的测定：2014年8月末在试验地内，应用冠层分析仪(Nikon Coolpix 8400型数码相机+180°鱼眼镜头)，对在落叶松人工林冠下栽植的483株幼树的上方天空全部进行了拍摄，获取幼树的半球形数码图像，将所拍摄图像输入到计算机上(如图1)，应用HemiView软件逐一分析幼树得到了多个光环境指标，从中选用了有代表性的3个光环境指标，即直射光指数(冠下直射光辐射与冠上直射光辐射的比值)、散射光指数(冠下散射光辐射与冠上散射光辐射的比值)、综合光指数(冠下总光辐射与冠上总光辐射的比值)。本文通过光照指数值来表示光照强度，光照指数值小，表示光照较弱；光照指数值大，表示光照较强。

图1 HemiView冠层分析仪获取的造林幼树上方光环境图像

数据的处理：为了便于统计分析，对HemiView软件计算得到的3个光照指数(I)分别按I≤0.25，0.25

3 结果与分析

3.1 冠下光照指数与长白落叶松死亡率的关系

调查结果显示，在落叶松人工林冠下栽植落叶松幼树共计483株，其中，成活幼树总数336株，死亡幼树147株，栽植的第1、2年分别有68株和79株幼树死亡。落叶松幼树的2 a保存率为69.57%，死亡率30.43%，其中,第1年死亡幼树数量占死亡幼树总数量的46.26%，第2年死亡幼树数量占死亡幼树总数量53.74%。

由表1可知，从死亡率的综合趋势来看，随着光照指数的增大，落叶松幼树的死亡率总体呈下降趋势，这说明落叶松在冠层下的耐荫性较差，光照是制约落叶松冠下造林苗木成活的关键因素之一。

对落叶松幼树的死亡率按光照强度进行区间统计发现：综合光指数I≤0.25时，死亡率最高，占死亡总数的66.67%，综合光指数在0.25～0.45时死亡率趋于平缓，综合光指数在大于0.45之后，死亡率大大降低，不足10%。按直射光指数区间分的落叶松幼树死亡率趋势与综合光指数相同。按散射光指数区间分：散射光指数小于0.3时，死亡率最高达50%，然后随散射光指数的增加死亡率逐渐降低，在散射光指数大于0.45之后，死亡率趋近于0。也就是说，直射光和散射光对幼树的存活表现出了不同的规律性。

表1 不同冠下光照指数与造林幼树死亡率的关系

如表2所示的双因素方差分析结果，不同光照指数区间有显著差异，说明不同光照强度对死亡率有显著影响，高光照强度的死亡率显著低于低光照强度。不同光照指数类型差异不显著，说明直射光指数、散射光指数、综合光指数对死亡率的影响没有显著差异。如表3所示，多重比较结果表明具有相同字母的光照指数区间(0.25～0.30、0.30～0.35、0.35～0.40和0.40～0.45)差异不显著，也就是说在光照指数区间小于0.25时，平均死亡率为61.11%，与其他光照指数区间均差异显著，且死亡率最大。光照指数区间在0.45～0.50和0.50～0.55之间没有显著差异。

表2 落叶松幼树死亡率双因素方差分析

表3 不同光照指数区间幼树平均死亡率的多重比较

注：表中不同字母表示差异显著。

3.2 光照指数对落叶松幼树树高生长量的影响

根据调查数据发现，冠下栽植的落叶松幼树树高生长量范围是0～75 cm，均值是11.85 cm，标准差是10.93 cm。由表4可见，树高生长量随着光照指数的增加呈明显增大的趋势，说明落叶松属于阳性树种，对阳光的需求较大，较强的光照对落叶松树高生长有较强的增益效果。

表4 冠下光照指数对树高生长量的影响

如表5所示的双因素方差分析结果，不同光照指数区间有显著差异，说明不同光照强度对树高生长量有显著影响。不同光照指数类型之间差异不显著，说明直射光指数、散射光指数、综合光指数对树高生长量的影响没有显著差异。如表6所示，多重比较结果表明具有相同字母的光照指数区间差异不显著，也就是说在光照指数区间小于0.2时，平均树高生长量为6 cm，与其他光照指数区间均差异显著，且生长量最小。光照指数区间在0.25～0.45之间树高生长量变化不大，维持在10～12 cm。光照指数在大于0.40之后，树高生长量迅速增加超过平均值，这一规律与幼树死亡率是相同的，进一步说明林冠下的直射光、散射光或综合光照指数应该大于0.40。

表5 落叶松幼树树高生长量双因素方差分析

表6 不同光照指数区间幼树平均树高生长量的多重比较

注：表中不同字母表示差异显著。

3.3 冠下光照指数对落叶松幼树地径生长量的影响

根据统计数据表明，冠下栽植落叶松幼树的地径生长量范围为0～0.77 cm，均值为0.16 cm，标准差为0.13 cm。由表7可见，地径生长量的趋势与树高生长量相近，随着光照指数的增加呈明显增大的趋势，较强的光照能够促进落叶松地径的生长。

表7 冠下光照指数对地径生长量的影响

如表8所示的双因素方差分析结果，不同光照指数区间有显著差异，说明不同光照强度对地径生长量有显著影响。不同光照指数类型(直射光指数、散射光指数、综合光指数)之间差异不显著。如表9所示，多重比较结果表明具有相同字母的光照指数区间差异不显著，也就是说在光照指数区间小于0.25时，与其他光照指数区间均差异显著，且生长量最小。光照指数区间在0.25～0.45之间均没有显著差异，地径生长量略有下降，变化幅度不大，光照指数在大于0.45之后，生长量迅速增加超过平均值。

表8 落叶松幼树地径生长量双因素方差分析

表9 不同光照指数区间地径平均生长量的多重比较

注：表中不同字母表示差异显著。

4 结论与讨论

林下光照强度是制约落叶松冠下造林苗木成活和生长的关键因素之一，光照强度的增加会显著降低落叶松造林幼树的死亡率，提高树高和地径生长量。冠下落叶松幼树死亡率随所选3个光照指数的增大而减小，树高和地径生长量随光照指数的增大而增大。光照指数I≤0.25时，死亡率最高，树高和地径生长量处于最低水平；当光照指数在0.25～0.45时，落叶松幼树的死亡率占死亡总株数的比例维持在30%～35%(除散射光指数外)，同时树高生长量维持在10～12 cm之间、地径生长量维持在0.12～0.16 cm之间，在这一区间内不随光照指数的变化而变化，说明这一区域是幼树存活和生长的基本光照平衡区间；当光照指数大于0.45时，幼树表现出生长旺盛的状态，存活率大幅度提高；综合来看，落叶松在林冠下更新造林的直射光指数和综合光指数不应小于0.45。对落叶松造林幼树存活和生长的影响，所选3个光照指数之间没有显著的好坏差别，呈现了相同的规律性。只是对于幼树死亡率的影响，散射光指数不如直射光指数敏感，同时也说明直射光对于幼树的生存具有更重要的意义。

通过对上述数据的分析可见，在林冠下营造落叶松，当光照指数I≤0.25时，造林成活率不能满足造林技术规程的要求；当光照指数大于0.45时，落叶松幼树的死亡率会迅速下降、树高生长量和地径生长量迅速增加。单从这一数据来看，林冠下营造落叶松的光照强度不应低于0.45，但是，此时对应的林下郁闭度小于0.3，在造林幼树高速生长的同时，林下杂草的种类增多，盖度大大增加，在抚育不及时的时候，存在杂草欺苗现象。因此，在此种光照强度的林下造林，前3年每年应清除苗木周围杂草2～3次。

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Li Yinnan, Liu Sheng, Li Guowei, Liu Qingzhong

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Artificial larch forest; Updating under the canopy; Light index; Mortality rate; Growth rate

1)国家林业局“948”项目(2013-4-73)。

历胤男，男，1989年3月生，北华大学林学院，硕士研究生。E-mail:904316358@qq.com。

刘盛，北华大学林学院，教授。E-mail:shliu64@sina.com。

2016年3月2日。

S725

责任编辑：潘 华。