基于营林数据林分郁闭度测算模型与检验

刘丽婷，李 田，李华强，郭昌庆，张港隆，欧阳天林★

（1.江西省林业科学院，江西南昌330013；2.中林集团雷州林业局有限公司，广东雷州524043；3.江西林业实验科技中心，江西赣州341600；4.华南农业大学，广东广州510642）

郁闭度是反映林相结构的重要因子，也是评价森林生态系统与生态环境的重要指标[1]，在水土保持、水源涵养、林内光照强度研究、林分质量评价、森林经营管理等方面应用广泛。郁闭度反映了林下的光照条件及树木对光资源的利用情况，同时间接地反映了树木的生产力和林分潜在生产力。了解人工林的郁闭度情况，可以指导林下植被管理、林地资源利用等经营活动。营林生产中，郁闭度对林木蓄积量估测起决定性作用[2]。徐蕊等[3]研究发现不同郁闭度下群落的树种组成、径级分布、蓄积生产力、年均生长量、物种多样性方面都具有显著差异；崔宁洁等[4]通过对马尾松（Pinus massiniana）人工林研究发现林下植物丰富度与林分郁闭度存在一定的相关性；周彬等[5]发现油松（P. tabulifomis）人工林林冠截留量与郁闭度表现出正相关关系；宋小帅等[6]也得到油松人工林林分枯落物储量与郁闭度呈正相关关系。

郁闭度分为点郁闭度和垂直郁闭度，点郁闭度为从林地一点向上仰视，视野里被树木枝叶所遮挡的天空球面的比例；垂直郁闭度[7]通常指树冠的垂直投影面积与林地面积之比，可用来反映树冠的郁闭程度和树木对生长空间的利用程度[8]，在生产、研究中被广泛应用，亦即本文所指的郁闭度。

目前，垂直郁闭度测量方法主要有目测法、树冠投影法[8]、样点法[8]、样线法[9]、仪器测定法[10]、遥感图像法[11]、照片法[12]、冠层分析仪法[13]和理论计算法[14]等。其中，目测法操作简便，但受人为主观因素影响较大，精度与准确度低；树冠投影法虽精度高，但操作复杂，效率低下；样点法和样线法都没有很好地考虑树冠内枝叶空隙对郁闭度的影响；仪器测定法（冠层分析仪、球面密度计等）的精度和准确度高，但设备成本较高，难以推广应用；遥感图像法适用于大面积的郁闭度调查，但操作复杂，成本昂贵；照片法通过后期处理照片，计算林冠与天空的面积或像素比例算出郁闭度，经比较发现数码相片能准确记录更小的林冠空隙，其精度和准确度都高于普通相片；理论计算法可以省时省力，但仅适用于特定的树种，范围较窄。冠层分析仪如Hemiview、LAI-2000[16]等，测量的精度和准确度高但价格昂贵，且不便携带，故冠层分析仪法不适用于大范围的森林郁闭度测定。

项目组通过选择同龄的人工纯林，调查林木树冠面积、株间距、行间距、保存率等因子，结合照片法和理论算法，摸索出了一种基于人工林调查数据，精度高、操作简便的林分郁闭度测算模型。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

纪家林场（20°26′-21°11′N，109°42′-110°23′E）位于广东省雷州半岛，属亚热带湿润性季风气候，土壤为浅海沉积物砖红壤；年平均气温22℃，年均最高和最低气温分别为38.5℃和1.1℃，年均相对湿度84%；热带风暴频繁，6-10 月为台风季节，10 月-翌年4 月为旱季，每年受台风或热带风暴袭击2～3 次，最大风力可达12 级以上。

1.2 调查样地概况

2017 年6 月，选择纪家林场1～5 年生桉树（尾巨桉Eucalyptus urophylla×E. grandis无性系DH32-29）人工纯林为调查样地。样地坡度均为0°。营林措施均为：全垦整地，深30 cm 左右，施基肥；机械开沟深度45 cm 后定穴，雨后造林；1～4 a 每年机械抚育一次，前3 a 每年追肥一次。

1.3 样地调查

在林地里设置27 块20 m×20 m 的调查样地。分别记录样地的地理位置、小班面积、坡度、坡位、立地、造林抚育管理等基本情况和样地的造林密度、成活率等。如图1 设置样木组：在样地选取冠幅完好的成矩形排列的相邻4 株样木（A、B、C、D）为一组样木，调查株间距、行间距，分别记为L1和L2；调查株间冠幅，记为P1A、P1B、P1C、P1D；调查行间冠幅，记为P2A、P2B、P2C、P2D。由此得出4 株样木的平均株间冠幅为P1，平均行间冠幅为P2。每个样地随机选取9 组样木。

图1 样木组调查示意Fig. 1 Schematic diagram of measurement

1.4 基于营林数据的郁闭度测算模型

以图1 所示的一组样木（4 株）为例，设每株树的树冠垂直投影均为轴长为P1/2、P2/2 的椭圆（图2），矩形ABCD 的面积为1 个单位面积；Ss为椭圆的1/4 面积；Sc为纵向上下两椭圆单位面积内的重叠面积；Sd为横向左右两椭圆单位面积内重叠面积。设Sk为单位面积内树冠垂直投影面积（去除枝叶间空隙）；b为人工林郁闭度。

首先，根据椭圆面积公式得

其次，根据相邻木的树冠投影相交情况，根据微积分法测算单位面积椭圆相交面积，分以下4 种情形：

情形1：若P1≤L1（横向左右椭圆不相交，即株间相邻两树的树冠无重叠），P2≤L2（纵向上下椭圆不相交，即行间相邻两树的树冠无重叠），见图2-a，则综合式（1）、式（2）求b值。

情形2：若P1＞L1（横向左右椭圆不相交，即株间相邻两树的树冠无重叠），P2≤L2（纵向上下椭圆相交，即行间相邻两树的树冠有重叠），见图2-b，则综合式（1）、式（3）求b值。

情形3：若P1≤L1（左右椭圆相交，即株间相邻两树的树冠重叠），P2＞L2（上下椭圆不相交，即行间相邻两树的树冠无重叠），见图2-c，则综合式（1）、式（4）求b值。

情形4：若P1＞L2（横向左右椭圆相交，即株间相邻两树的树冠重叠），P2＞L2（纵向上下椭圆相交，即行间相邻两树的树冠重叠），和≥1（斜对椭圆不相交，即对角两树的树冠不重叠），见图2-d，则综合式（1）、式（5）求b值。

图2 4 种树冠位置情形及树冠投影计算示意Fig. 2 Schematic diagram of four crown positions and crown projection calculation

4 种情形及对应的公式组成了基于营林数据的郁闭度测算模型。用此模型计算出同一调查样地的9组样木郁闭度值用SPSS 22.0 进行方差分析后，其算术平均值即为基于营林数据测算的样地郁闭度。

1.5 模型检验

以照片法通过冠层分析系统所计算样地郁闭度为基准数据，综合模型测算郁闭度数据，应用SPSS 22.0 软件进行方差分析及模型的精度检验。鱼眼镜头所拍摄的全天空照片为林分天空球面形成的圆形投影，图片像素为4 752×3 168 pixels，圆形直径为1 536 pixels（图3）。基准数据的获得方法为树冠投影法[17]，在图1 所示矩形ABCD 中心用鱼眼镜头（获得全天空照片）和普通镜头（获得数码照片）分别拍摄一张照片，每个样地获得9 组照片，树冠投影法的照片预处理参考CCPS 法[17]，应用Side Look 1.1 确定全天空照片阀值和Hemiview 冠层分析系统对预处理后的全天空照片进行分析，测算样点的垂直郁闭度，9 个样点郁闭度的算术平均值即为样地郁闭度。

图3 全天空照片Fig. 3 Hemispherical photograph

2 结果与分析

2.1 模型法精度验证结果

采用冠层分析系统得到27 个样地的郁闭度的基准值见表1。

表1 Hemiview 冠层分析系统所测各样地郁闭度的基准值Tab. 1 Reference value of canopy density in plots measured by Hemiview canopy analysis system

将树冠投影法与Hemiview 冠层分析系统所测郁闭度值进行独立样本t检验，结果见表2。

表2 两组数据的独立样本t 检验结果Tab. 2 Independent sample t-test results of two groups of data

可以看出，27 块样地的郁闭度模型值与基准值差异不显著（P＞0.05），模型法在测定郁闭度时具有可行性。

由图4 可以看出，2 号样地模型法测算郁闭度与基准值的差值最大，绝对误差为0.038，这是由于2 号样地部分地方缺株，保存率为77.92%，存在较大的林冠空隙，使得全天照片中，天空影响像素数量比较大。而树冠投影法选定的是冠幅完好的样木，导致测算的郁闭度大于基准值。树冠投影法测得的郁闭度与基准值差值在0.02～0.03 之间的样地有3 块，差值在0.01～0.02之间有8块，其余15 块样地的差值均小于0.01。

图4 模型法郁闭度测定值与Hemiview 冠层分析系统所测郁闭度基准值的差值分布Fig. 4 The method measured the difference of the value of the base value of the analysis system of Hemiview

模型法所测郁闭度值中第2、5、10 号样地的百分误差较大，分别为6.0%、3.8%和3.6%。其他样地的百分误差均小于3%。与Hemiview 冠层分析系统相比，该方法的相对误差小于6%。

2.2 照片法测算获得的K1、K2 数据对比分析

由表3、表4 可以看出，不同林龄的桉树的K1和K2差异极显著（P＜0.01），不同样地间的K1和K2差异也极显著（P＜0.01）。说明在用模型法测定不同林龄样地郁闭度时，K1和K2需根据林龄重新评估。

表3 不同林龄间K1、K2 值比较Tab. 3 The comparison of K1 and K2 in different stand age

表4 不同样地间K1、K2 值比较Tab. 4 The comparison of K1 and K2 in different plots

2.3 不同样地和林龄林分平均冠幅和株行距的差异性分析

由表5、表6 可以看出，桉树人工纯林不同林龄间的平均株间冠幅和平均行间冠幅值差异性极显著，同时不同样地间的平均株间冠幅和平均行间冠幅差异性极显著。平均株间冠幅和平均行间冠幅的大小受植物自身生长状况、造林密度等因素的影响。不同样地间的株行间冠幅差异性较大。

表5 不同林龄间平均冠幅值比较Tab. 5 The comparison of K1 and K2 in different stand age

表6 不同样地间平均冠幅值比较Tab. 6 The comparison of K1 and K2 in different plots

2.4 模型法所选情形分析

由图5 可以看出不同林龄的桉树人工纯林应用模型法计算郁闭度时所适用的情形和公式不同。桉树人工纯林所选的27 块样地243 组样木中。1 年生的人工林逐渐郁闭，冠层重叠情况符合情形1、2、3、4的分别有31、9、2、12 组。有57.4%的样木冠层投影没有重叠现象，其中样地的株行距比例有两种：1.33 m×3 m 和1.5 m×3 m。株间距较短于行间距，株间冠幅投影重叠现象比行间重叠现象普遍，38.9%的样木有株间冠幅投影重叠现象，25.9%的样木有行间冠幅投影重叠。2 年生桉树纯林分别有10、44 组符合情形3、4，18.5%的样木只有株间冠幅投影重叠现象。3、4、5年生的桉树纯林冠层投影重叠情况均符合情形4，株间和行间的冠幅投影均发生重叠，此时林分已基本郁闭。

图5 不同林龄所用的模型中情形Fig. 5 Mathematical models used in different stand age

3 结论与讨论

根据树冠面积和林木株行间距的关系，把树冠垂直投影模拟为椭圆，可测算林分的垂直郁闭度。树冠投影法所测算的郁闭度值与Hemiview 冠层分析系统测得的郁闭度无显著性差异，相对误差小于6%。树冠投影法能满足桉树人工林同龄纯林精确调查的需要，可以推广应用。作为一种新方法，其适用条件和优化仍需深入研究探讨，例如不同树种的冠层厚度、疏密性会对林下光照有影响。需要在此基础上，继续开展相关试验研究，以完善该方法。

多种计算林分郁闭度的方法中，通过照片测定林分冠层间隙率评估林下光照环境，具有较高的精确度，但对技术人员在拍摄、后期图像处理上有一定的专业技能要求，适用于科研上对林下光照环境及林相结构的数据采集。发展林下种植时，林下光照条件与林下种植作物的生长、产量密切相关，需要经常性测定，通过区分不同分布情形可以做成一套基于营林数据的林分郁闭度模型，进行样地调查获得营林数据后，导入模型，应用Excel 等常见软件即可获得较为精准的郁闭度值，是一种营林工作者可以应用的林下光照判定工具，可广泛应用于判定人工林林下经济、林下种植的条件及林分生长情况分析。同时用模型法测算郁闭度时，每个样组都可得到一个郁闭度值，在林下种植草珊瑚（Sarcandra glabra）、黄精（Polygonatum sibiricum）、茯苓（Poria cocos）等林药、林菌时，需要在小尺度空间中进行林下光照环境的测定时该方法具有更大的优势。