楊樺次生林間伐后林下光照特征研究

劉桂紅　李爽

摘 要：該研究通過對河北省承德市桃山林場楊樺次生林間伐后林下光照特征的測量調(diào)查，研究了間伐后林下光照特征與撫育間伐強(qiáng)度關(guān)系，結(jié)果表明：撫育間伐對于楊樺次生林林下光照有明顯的增加效果。隨著撫育間伐強(qiáng)度的增加，林下光照呈正相關(guān)性，但當(dāng)撫育間伐強(qiáng)度過高時(shí)，該相關(guān)性不明顯。在撫育間伐后的楊樺次生林地內(nèi)，較強(qiáng)撫育間伐強(qiáng)度的林下光照異質(zhì)性較為明顯。多樣性指數(shù)的變化主要取決于物種豐富度。

關(guān)鍵詞：撫育間伐；楊樺次生林；林下光照；間伐強(qiáng)度

中圖分類號(hào) S79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）12-0117-04

Abstract：Through the survey of light features of polar-birch secondary forest after thinning in Taoshan forest farm of Chengde City of Hebei Province， this paper studied the relationship between light characteristics and thinning intensity. The results showed that thinning for birch secondary forest light has a significant increase. With the increase of thinning intensity， understory light was positively correlated， but when the thinning intensity is high， the correlation is not obvious. In polar-birch secondary forest after thinning， light heterogeneity is more obvious with stronger thinning intensity. The diversity index varies mainly depending on species richness.

Key words：Thinning；Polar-birch secondary forest；Understory light；Thinning intensity

1 引言

在我國，次生林作為森林資源的主體[1]，占據(jù)近一半的森林總面積[2]。楊樺林為山楊（Populus davidiana Dode.）純林、白樺（Betula platyphylla Suk.）純林和山楊白樺混交林的統(tǒng)稱，為地帶性森林群落，由闊葉紅松林在外因作用下發(fā)生次生演替形成，處不穩(wěn)定狀態(tài)[3]。楊樺次生林是冀北山區(qū)主要的林分類型之一。目前楊樺次生林存在林分生長狀況較差、生態(tài)功能低下、生物多樣性低、病蟲害嚴(yán)重等一系列問題，不能充分發(fā)揮森林的功能[4]。光照作為植物生長、發(fā)育的必要條件之一，在其中起到至關(guān)重要的作用，其分布也影響著林分結(jié)構(gòu)。林分結(jié)構(gòu)為森林重要組成部分，與森林功能的實(shí)現(xiàn)有著重要聯(lián)系。而研究地桃山林場又存在著楊樺次生林下植被被亂伐亂牧的現(xiàn)象，對于身處灤河上游，起著水源涵養(yǎng)、水土保持作用的它來講，該問題的突出性較高。

森林撫育采伐是森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營中人類作用于森林的主要措施，通過撫育采伐調(diào)整林分密度，改善環(huán)境條件，可產(chǎn)生使林分動(dòng)態(tài)發(fā)生關(guān)鍵性改變的林隙（窗），大大促進(jìn)了林木生長[5-7]。研究森林撫育采伐對林下更新及其環(huán)境的影響，是科學(xué)確定森林撫育措施的重要依據(jù)[8]。林隙的出現(xiàn)使地表光照增加，而光是影響植物生長和生存的諸多環(huán)境因子中最重要的限制因子之一，通過對林隙/林冠下光照狀況的觀測，分析其時(shí)空變化規(guī)律，能更好地理解自然更新過程[9]。雖然對于林下光照的重要性在大部分森林研究中都有提到，但對于天然次生林的眾多研究中，對于單獨(dú)分析林下光照這一因素的研究較少?；谝陨弦蛩?，筆者在河北省桃山林場對楊樺次生林間伐后的林下光照特征進(jìn)行了研究。

2 研究地概況

研究地點(diǎn)位于河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣木蘭國有林場所屬的桃山林場。位置為東經(jīng)116°21′37″～118°14′30″，北緯41°35′04″～42°40′14″。研究地點(diǎn)屬燕山余脈與陰山、大興安嶺山脈交界處，地勢西北高東南低，平均海拔1400m。該地區(qū)氣候?qū)僦袦貛蚝疁貛н^渡、半干旱半濕潤的大陸性季風(fēng)型高原山地氣候，冬長夏短，四季分明，有晝夜溫差大的特征，年平均氣溫-1.4～4.7℃，極端最高氣溫38.9℃，極端最低氣溫-42.9℃，年均降水量380～560mm，主要集中在7—9月，無霜期67～128d，日照充足，年積溫2300℃，，年均蒸發(fā)量1462.9～1556.8mm。主要土壤類型多為沙壤土。桃山林場總經(jīng)營面積1.58hm2，森林覆蓋率達(dá)81.5%，優(yōu)勢樹種為樺樹、華北落葉松、柞樹，天然次生林主要有楊樺次生林與蒙古櫟次生林兩種。喬木樹種以白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）為主，樹下有大葉小檗（Berberis amurensis）、金花忍冬（Lonicera chrysantha）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、毛榛（Corylus mandshurica Maxim.）等灌木。草本植物主要以披針苔草（Carex lanceolata）為主，其他的還有異花假繁縷（Pseudostellaria heterantha Pax）、紫斑風(fēng)鈴草（Campanula punctata Lam.）、早熟禾（Nymphaea tetragona）、唐松草（Thalictrum aquilegifolium）等。

3 研究方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置及標(biāo)準(zhǔn) 2012年7月，于圍場縣木蘭國有林場桃山林場選取有代表性的楊樺次生林進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，樣地內(nèi)的群落密度為1168株/hm2，林齡44a，郁閉度0.85，設(shè)置6塊標(biāo)準(zhǔn)地，都為50m×50m的標(biāo)準(zhǔn)地，其中1號(hào)地、3號(hào)地、5號(hào)地進(jìn)行撫育間伐，而2號(hào)地、4號(hào)地、6號(hào)地為對照。對于3塊進(jìn)行撫育間伐的樣地分別進(jìn)行強(qiáng)度、中度與弱度的撫育間伐，另外三塊對照不做任何處理。撫育樣地采取的上層疏伐，對徑階10cm以上的喬木進(jìn)行撫育間伐，強(qiáng)度撫育間伐為上層保留225株/hm2，中度撫育間伐為上層保留450株/hm2，弱度撫育間伐為上層保留675株/hm2。各標(biāo)準(zhǔn)地的情況如表1所示

3.2 樣地拍照 將每塊標(biāo)準(zhǔn)地分成若干個(gè)10m×10m的小樣方，并于各小樣方4個(gè)頂點(diǎn)處分別拍照，拍照所使用的是裝有魚眼鏡頭的數(shù)碼照相機(jī)，照相機(jī)鏡頭水平向上，機(jī)身上部向北以便照片處理時(shí)分辨方向，相機(jī)鏡頭高度與草本層層高平齊，拍攝2張光照狀況照片，拍攝天氣應(yīng)選取光照不強(qiáng)的無云日、云朵厚度及分布皆均勻的天空或陰天無云日，以防嫩葉及白色樹干反光對分析產(chǎn)生的干擾；拍照同時(shí)需做好照片筆錄，以便后期處理。

3.3 照片處理及數(shù)據(jù)處理分析

3.3.1 照片處理 本次拍照共拍取914張照片，選取其中228張進(jìn)行處理分析。由于所測區(qū)屬光照充足區(qū)域，用HemiView半球影像分析系統(tǒng)直接進(jìn)行分析會(huì)產(chǎn)生誤差，所以在用HemiView半球影像分析系統(tǒng)進(jìn)行分析之前用PhotoShop軟件對反光的葉片、地被植物及樹干部分進(jìn)行色差校準(zhǔn)：將當(dāng)前照片大部分可見天空的顏色進(jìn)行采取，用于對可見部分比遮蔽部分還要灰暗處的色差調(diào)整，以及將當(dāng)前照片正常顯示遮蔽的葉片或樹干的顏色進(jìn)行采取，用于對反光樹葉、反光樹干處的色差補(bǔ)償。處理完成后留于HemiView半球影像分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。本次在樣地所拍攝照片采用HemiView半球影像分析系統(tǒng)進(jìn)行處理，通過HemiView半球影響分析系統(tǒng)對全天空照片進(jìn)行分析，可以得到各高度的光照量、光照系數(shù)以及全年光照分布等。此方法較于人工單獨(dú)進(jìn)行光照測量省時(shí)省力，同時(shí)分析較為準(zhǔn)確，避免了人為大量測量可能帶來的誤差，可以提供更精準(zhǔn)的所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出時(shí)做好備注，以便進(jìn)行比較分析。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理分析 對于每張照片處理出來的TotBe（林冠下光照透射總量）值按照每500MJ·m-2·yr-1一個(gè)量級(jí)進(jìn)行每塊地的單獨(dú)分類整理，即[0，500），[500，1000），[1000，1500），[1500，2000），[2000，2500），[2500，3000），[3000，3500），[3500，4000）幾個(gè)量級(jí)區(qū)間，通過以此對數(shù)據(jù)的分組，便于數(shù)據(jù)的更直觀理解光照在各個(gè)樣地內(nèi)的分布情況。同時(shí)對于個(gè)樣地的可見天空比、散射輻射位置因子、直射輻射位置因子、總輻射位置因子、冠下直射光照、冠下散射光照、冠下總光照等參數(shù)進(jìn)行求平均以及標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算。

4 結(jié)果與分析

4.1 撫育間伐對林下光照影響 照片處理的結(jié)果與分類進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)如表2所示。如表2所示，無論是何等強(qiáng)度的撫育間伐，從各項(xiàng)光照指數(shù)上來看，都表現(xiàn)出撫育間伐對增加林下光照有顯著效果。林下全天空系數(shù)的增加的同時(shí)，林下的光照的直射通量、光照的散射通量以及光照的總通量也明顯升高。通過對多種指數(shù)的分析研究表明，GSF（總輻射位置因子）指數(shù)作為代表撫育間伐后林下的光照指數(shù)對后面進(jìn)一步的研究分析有著較好的支持。

4.2 林下光照與撫育間伐強(qiáng)度的相關(guān)性 通過表2的數(shù)據(jù)顯示，光照指數(shù)隨著撫育間伐強(qiáng)度的增加而表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)如下表3數(shù)據(jù)所示光照的樹冠下散射量、樹冠下直射量及樹冠下光照總量表現(xiàn)出光照指數(shù)隨撫育間伐強(qiáng)度的正相關(guān)性，不過弱度撫育間伐與中度撫育間伐的光照量增量較為明顯，顯示出撫育間伐強(qiáng)度的差異，但強(qiáng)度撫育間伐與中度撫育間伐的光照量數(shù)值變化不大，很是接近，并不能很直觀的表現(xiàn)出光照與撫育強(qiáng)度間的明顯關(guān)系，其顯示關(guān)系很可能是因?yàn)楫?dāng)全天空指數(shù)達(dá)到一定值的時(shí)候，冠下光照量不再隨著其增加而增加，同時(shí)坡度的差異值也可能導(dǎo)致該現(xiàn)象的發(fā)生。

4.3 撫育間伐后的光照異質(zhì)性 同過標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算顯示各樣地的光照特征，TobBe（冠下總光照）標(biāo)準(zhǔn)差（表2）與GSF（總輻射位置因子）標(biāo)準(zhǔn)差（表1）及下列柱狀圖（圖1～圖6）顯示，3號(hào)地、5號(hào)地較之2號(hào)地、4號(hào)地、6號(hào)地雖然光照量級(jí)有所增加，但同2號(hào)地、4號(hào)地、6號(hào)地3塊未做處理的對照地一樣光照量級(jí)較為集中，即樣地內(nèi)林下光照分布較為均勻，而1號(hào)地TobBe（冠下總光照）標(biāo)準(zhǔn)差為1018.21MJ·m-2·yr-1、GSF（總輻射位置因子）標(biāo)準(zhǔn)差為0.1233，皆遠(yuǎn)高于其他5塊樣地的GSF（總輻射位置因子）標(biāo)準(zhǔn)差及TobBe（冠下總光照）標(biāo)準(zhǔn)差，1號(hào)地內(nèi)光照量級(jí)分布呈現(xiàn)異質(zhì)性表現(xiàn)，其量級(jí)分布呈現(xiàn)為雙峰式分布，且量級(jí)分布的閾值也較大，同時(shí)拍照時(shí)期處于8月份，由圖7可知，拍攝照片時(shí)日照充足，不屬于日照不足引起分析誤差。很可能屬于撫育間伐強(qiáng)度過強(qiáng)時(shí)，間伐空隙的光照量與保留木下的光照量差異較大導(dǎo)致的光照異質(zhì)性。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)圖片處理分析的結(jié)果顯示出，無論是什么強(qiáng)度的撫育間伐，對于楊樺次生林林下的光照都有明顯的增加光照的效果，光照指數(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)，無論是散射輻射位置因子、直射輻射位置因子、總輻射位置因子，還是全天空指數(shù)、冠下直射光照量、冠下散射光照量、冠下光照總量都有不同程度的增加，表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。結(jié)合分析可推測出，對于楊樺次生林的撫育間伐對其林下光照量有顯著的提高。

通過對不同撫育間伐強(qiáng)度間光照各指數(shù)及林下光照量之間的比較可以發(fā)現(xiàn)，對于中度、弱度撫育間伐與對照相比，撫育間伐強(qiáng)度與林下光照量顯示出明顯的正相關(guān)性，中度撫育間伐較于弱度撫育間伐林下光照有明顯的增加，但強(qiáng)度撫育間伐較于中度撫育間伐的林下光照量增長不明顯，表現(xiàn)為基本無增加。對于強(qiáng)度撫育間伐對中度撫育間伐的林下光照量增長趨勢的趨于緩和，可能的影響因素有：強(qiáng)度撫育間伐處理的樣地較于中度撫育間伐的坡度較緩，且坡向向北，林冠層對于光照的攔截效果增加，影響撫育間伐后林下光照的程度較強(qiáng)。同時(shí)當(dāng)撫育間伐強(qiáng)度達(dá)到某一強(qiáng)度后，撫育間伐強(qiáng)度的增加對于林下光照量的增加的影響基本消除，此時(shí)林下光照直射量、散射量及光照總量只受大氣等因素影響，而撫育間伐強(qiáng)度轉(zhuǎn)而變成次要因素。

而對于強(qiáng)度撫育間伐的1號(hào)地產(chǎn)生的異于其他樣地的林下光照異質(zhì)性現(xiàn)象，根據(jù)對1號(hào)地各個(gè)照相分析點(diǎn)各自單獨(dú)的冠下光照總量比較分析，其林下光照量級(jí)分布表現(xiàn)出樣帶性，根據(jù)數(shù)據(jù)分析很可能育1號(hào)地坡下區(qū)域臨近居民放牧區(qū)，日常監(jiān)管的疏漏使放牧有可能影響坡下部分的灌木生長發(fā)育。

在黃傳響等對長白山云冷杉針闊混交林林隙夏季光照特征研究里表明小林隙受面積因素影響，其光照強(qiáng)度及異質(zhì)性程度明顯低于大林隙[10]。而撫育間伐強(qiáng)度的增加就對林隙增大有直接的作用效果，因此此次調(diào)查結(jié)果也印證了撫育間伐強(qiáng)度增加的同時(shí)也會(huì)使林下光照異質(zhì)性增加，但對于撫育間伐強(qiáng)度增加到某一強(qiáng)度時(shí)可能對林下光照的影響較小的情況，在玲繼華，王麗，張鴻景對木蘭林管局白樺次生林經(jīng)營的建議里講到，白樺次生林作為木蘭林管局的主要林分類型，應(yīng)在生態(tài)公益林和商品林基礎(chǔ)上，以發(fā)揮森林的生態(tài)防護(hù)功能為主，兼顧木材生產(chǎn)的原則，根據(jù)立地條件、主體功能和林分特點(diǎn)劃分適宜的經(jīng)營類型，其中生態(tài)公益林以封育為主，商品林以低強(qiáng)度撫育為主[11]。由于研究的為楊樺次生林撫育間伐后單一因素的特征，而就林下光照特征這一單一因素來講，過高撫育間伐強(qiáng)度帶來的增益效果也并不明顯，但過高撫育間伐強(qiáng)度對其他林下因素的影響本次研究并未做出探討，顧目前結(jié)果來看不宜采取過高強(qiáng)度的撫育間伐，而應(yīng)采取較為適中的撫育間伐強(qiáng)度。

森林的可持續(xù)經(jīng)營管理需要科學(xué)的依據(jù)支持，應(yīng)對各個(gè)因素應(yīng)該逐個(gè)進(jìn)行探討研究再進(jìn)行綜合性研究，以提供更可靠的科學(xué)依據(jù)。本次研究雖對林下光照這一單一因素進(jìn)行較為全面研究，但還是難以脫離來自其他因素的干擾影響，同時(shí)對于楊樺次生林的撫育間伐的連年監(jiān)測應(yīng)該繼續(xù)，以提供更多更可靠的數(shù)據(jù)。

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