落叶松冠幅大小对林下光照强度的影响研究

蔡志伟

摘   要：以吉林省蛟河市落叶松林为研究对象，采用2017年的树冠冠幅数据，并通过冠层分析仪取得的林下冠层光分析数据，在此基础上利用Arcgis软件建立树木空间分布数据库，构建了上层林木冠幅空间变化数据和林下光环境变化趋势数据，利用空间叠加分析功能分析了树木冠幅变化与林下光环境变化的关系。

关键词：长白落叶松;冠幅大小;光照强度;影响

树冠结构是树木进行光合作用的主要场所，是树木生存的根本。通常情况下，在执行森林健康监测计划时，会习惯性地把林冠列为一个重要的指标因素来加以监测和测量，以达到研究树木的目的。

国内外林业工作者围绕植物群体的冠层结构与光环境方面做了大量的研究，普遍围绕分析冠层的几个参数进行，如叶面积指数、散射光指数、直射光指数等。郭华等分析测定子午岭林区的4个不同龄级油松林时，通过植物冠层半球影像系统获取到了冠层特征和林下光立地系数，结果显示，林木在即将达到稳定值之前还需要生长20年。刘志刚等研究了光对优势木、平均木和被压木的影响，对不同类型林木的冠层结构与光分布规律的关系作出精确的比较，得出了详尽的结论。刘晓东等在研究了PAR的日、季变化特征的同时，根据Beer-Lambert方程，结合叶面积动态及叶面积指数，求出生长季内各天的消光系数和冠层内不同深度的光分布，并在此基础上求出PAR的透过率、林分消光系数以及累积叶面积指数三者之间的相互关系。杏娥等阐述了森林树冠参数提取与遥感技术的关系，分析了树冠冠层和木材性质的潜在联系，以及对林木的预测和产品评价。

德国最早在18世纪营造了大面积的人工针叶林，因此造成地力下降、生长量降低等，为此，德国林学家K.Gayer（1898-）提出建议营造针阔混交林的想法，结果表明，营造生态位多层次垂直结构的混交林可以改良土壤、增加产量等，因此备受青睐。苏联学者也提出了林冠下造林可以提高低疏密度的方法。

1   研究目的与意义

1.1   研究目的

本文通过研究不同大小冠幅对林下光环境的影响，为揭示冠幅与冠层覆盖度（Gnd Cover）、散射光指数（ISF）、直射光指数（DSF）的关系提供依据。

1.2   研究意义

林冠是树木光合作用的关键，也是吸收太阳能的重要部位，更是森林与外界环境相互沟通最直接和最主要的交换层，所以冠层结构的特征决定了森林生态系统能量的多少、循环的过程以及强度的大小，并对林下植被的生长和群落的演替都具有独特的意义。另外，光照是影响林下植物生长和存活的关键性环境因子，林隙的随机性和无规律性，增强了森林内光照环境的空间异质性，由此林下光环境的空间异质性也得到了显著提升。冠层结构的不同会导致林下直接辐射和间接辐射的不断变化，而光辐射的变化也就导致了林下植物的更新，如对萌发、生长和生存等都具有重要的影响。因此，研究林冠下光环境变化对于确定森林抚育强度、主伐强度以及复层林营造均有重要意义。

2   研究地点与方法

2.1   研究地点

吉林省蛟河境内的平均海拔在600 m左右，地处长白山系张广才岭山脉内，属于温带大陆季风性气候，年平均气温3.6 ℃左右，最热月为7月，其平均气温21.8 ℃左右，最冷月为1月，其平均气温-18.3 ℃左右。年平均降水量在690 mm以上，降水多集中在6—8月。土壤属于标准的山地暗棕色森林土，厚度22～78 cm。该区域地势复杂，坡度最大可达40°以上，植被属于标准的长白山植物区系，一共有923种，分属108科、404属，主要林分类型为天然针阔混交林，这种林分类型物种多样、资源丰富，盛产各种林副产品，例如优质种苗、山野菜、红松籽、林蛙油等。

2.2   研究方法

2.2.1   研究思路

2.2.1.1  样地设置

选取一片林龄为49年的长白落叶松（Larix olgensis）人工林，在林内设置4 hm2人工林冠下更新试验样地。要求该样地上层以人工长白落叶松为主要树种，林分平均胸径为22.4 cm，平均高为19.6 m。于2014 年冬季在试验地中分别设置宽为20 m、30 m的带状皆伐样地（皆伐带南北走向），在非皆伐带不同区域设计蓄积择伐强度为15%、25%、34%、40%的择伐试验地。

2.2.1.2  林木数据坐标采集方法

使用RTK测量样地内树木空间坐标，人工目测法测量冠幅的大小，将所得数据加载到GIS数据库中，通过计算得出平均冠幅，以落叶松的空间位置为圆心、平均冠幅为半径，建立一个理想的标准圆形树冠。

2.2.1.3  冠层分析数据采集

在样地内选用 Hemi-View 冠层分析仪，利用Nikon Coolpix 8 400 型数码相机以及 FC-E9 鱼眼镜头，拍摄待测树木上方的天空，对上空的半球图像进行获取，拍摄时确定好方位，同时将相机拍照系统（相机和鱼眼镜头）设置在三脚架上，在确保稳定的情况下拍照。拍摄时间应避开中午太陽直射，以避免太阳光斑影响图像质量，选择天空云层薄而均匀的上午或下午进行拍摄。

2.2.2   数据处理方法

将已经加载到GIS数据库的上层树冠结构数据以模型构建的方式，建立一个树冠冠幅的模型，在模型的基础上添加2017年的下木光指标数据，然后将光指标数据与冠幅数据进行叠加分析。

3   结论

通过冠层分析仪所得到的数据：冠层覆盖度（Gnd Cover）、散射光指数（ISF）、直射光指数（DSF），与上层树木冠幅数据进行分析，发现冠层覆盖度与散射光指数负相关性很强，而直射光指数虽然也具有较高的相关性，但是还与其他因素相关。根据样地的地型与林分结构分析，该样地坡向为东坡，坡度较缓（小于10°），样地的坡上（西向）为阔叶林，林分密度较大，太阳的直射光受到茂密林分及树冠的遮挡，直射光通过率大大降低。因此样地西南侧虽然为30 m的皆伐带，但是由于地形和周围林分结构的影响，其直射光指数仍然较低。同样在样地中间的胡桃楸树的冠幅，对其东侧区域的直射光指数影响也较大。在样地中以落叶松为主的区域中，虽然树木密度较大，但由于其为近成熟林，林冠下层树枝已经通过天然整枝而脱落，因此，该区域内的直射光指数较阔叶树周围的直射光指数较大。