側(cè)柏人工林冠層特性對不同森林經(jīng)營方式的響應(yīng)1)

封煥英 張連金 杜滿義 孫長忠 吳迪

(中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，北京，102300)

側(cè)柏人工林冠層特性對不同森林經(jīng)營方式的響應(yīng)1)

封煥英 張連金 杜滿義 孫長忠 吳迪

(中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，北京，102300)

為深入認(rèn)識不同森林經(jīng)營方式下林木冠層結(jié)構(gòu)變化及適應(yīng)特性，以九龍山區(qū)側(cè)柏人工林為對象，設(shè)置結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(A)、全面割灌(B)、對照(C，不實(shí)施任何經(jīng)營措施)、結(jié)構(gòu)化經(jīng)營+全面割灌(D)4種處理，利用HemiView數(shù)字植物冠層分析儀測定林分冠層特性。結(jié)果表明：側(cè)柏人工林的截獲直接輻射、葉面積指數(shù)、葉傾角在不同經(jīng)營方式下均發(fā)生顯著變化，截獲散射輻射和總輻射無顯著變化。其中，葉面積指數(shù)為(2.04±0.54)～(2.32±0.48)，4種處理間的差異表現(xiàn)為C處理最小，顯著低于A、B和D，且A、B和D間差異不顯著。葉傾角則與葉面積指數(shù)呈相反趨勢，表現(xiàn)為C處理最大，顯著高于其它3種處理。截獲直接輻射為(11 373.0±383.4)～(11 872.0±292.4) MJ·m-2·a-1，D處理顯著高于C處理，與A和B無顯著差異。綜合以上結(jié)果可知，割灌和結(jié)構(gòu)森林化經(jīng)營措施對側(cè)柏人工林的冠層結(jié)構(gòu)特性變化能產(chǎn)生顯著影響，二者的有效結(jié)合對發(fā)揮冠層作用具更大潛能。

冠層結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)化森林經(jīng)營；光合有效輻射；葉面積指數(shù)；葉傾角

林木冠層在單株和整個林分中均占有相當(dāng)?shù)谋壤?，是森林與外界環(huán)境相互作用最直接、最活躍的界面，承載著樹木光合產(chǎn)物的主要來源[1-2]，其形狀、結(jié)構(gòu)及在林分中的分布形式直接決定著樹木個體各組分的產(chǎn)量、生長活力和生產(chǎn)力[3-4]，并能反映林木在生長發(fā)育過程中的競爭結(jié)果及對環(huán)境因子變化的適應(yīng)策略[5-7]。同時，林木的冠層特性在光、水分、養(yǎng)分等資源異質(zhì)的環(huán)境下呈動態(tài)變化，具有高度可塑性[8]。相關(guān)研究表明，林窗下的個體與同齡的林下個體相比，通常樹高和冠幅較大，但樹高/冠幅相對較小[9]；陰坡與陽坡的林冠參數(shù)相比，葉面積指數(shù)和葉綠素含量較小，林隙分?jǐn)?shù)和冠下總光合光量子通量密度較大[10]；隨遮陰程度增加，植株冠層深度和冠層輪廓增加，相對冠層寬度減小[11]，冠層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯差異性。然而，林木冠層的形成和發(fā)展除與不同樹種的遺傳因素有關(guān)外，也與森林經(jīng)營帶來的林內(nèi)光照、溫度、水分、養(yǎng)分的變化相關(guān)[12]。

森林經(jīng)營是林業(yè)的核心工作，是目前林學(xué)研究的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。森林中開展的各種有利于改善森林狀態(tài)的經(jīng)營活動統(tǒng)稱為森林經(jīng)營，包括林下土壤植被管理(割灌、清除地被物、施肥等)、林木質(zhì)量和健康維護(hù)(修枝、有害生物防治等)、冠下造林、林木利用(伐木、采種、采脂等)、撫育間伐和護(hù)林防火等[13]，從多角度改善林內(nèi)的光照、水分、養(yǎng)分及物種組成。然而不同經(jīng)營背景下人們對森林的需求、認(rèn)知和經(jīng)營的理念也不同，造成了經(jīng)營方式的多元化，如何選擇最優(yōu)經(jīng)營方式成為森林經(jīng)營的關(guān)鍵問題。本研究以對外界干擾反應(yīng)最敏感的林冠為對象，通過冠層結(jié)構(gòu)特性的表達(dá)評價經(jīng)營措施的優(yōu)劣，為林木資源的高效管理提供快速有效的方法，適應(yīng)時代發(fā)展的需求。

1 研究區(qū)概況

研究地設(shè)置于北京市門頭溝九龍山區(qū)(39°54′N，116°4′E)，隸屬太行山脈，地形比較復(fù)雜，最高海拔低于1 000 m。暖溫帶大陸性氣候，年均溫11.8 ℃，多年平均降水量約620 mm，集中于6—9月份，年均蒸發(fā)量1 870 mm，無霜期216 d。土壤類型屬于山地褐土，土層普遍較薄，含石量高。植被類型以落葉闊葉林和溫性針葉林為主，天然植被以次生灌叢和灌草叢為主。喬木主要有側(cè)柏(Platycladusorientalis)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、油松(Pinustabuliformis)、黃櫨(CotinuscoggygriaScop)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、色木槭(Acermono)和白蠟(Fraxinuschinensis)等；灌木主要有酸棗(ZiziphusjujubaMill. var.spinosa)、荊條(VitexnegundoL. var.heterophylla)和三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)等；草本主要有狗尾草(Setariaviridis)、黃背草(ThemedatriandraForsk. Var.Japonica)、茜草(Rubiacordifolia)和藎草(Arthraxonhispidus)等。側(cè)柏人工林主要分布于陽坡瘠薄的立地上，面積為284.89 hm2，約占總面積的25%，主要為粗放經(jīng)營，僅2003年進(jìn)行過一次撫育間伐。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

側(cè)柏林位于華北九龍山自然保護(hù)區(qū)，營造于20世紀(jì)70年代(林齡約50 a)，期間進(jìn)行過補(bǔ)植，2003年因病蟲害進(jìn)行全面撫育間伐一次，伐前林分的郁閉度為0.8，伐后為0.7，此外再無其它經(jīng)營歷史。本實(shí)驗(yàn)于2013年5月，在林內(nèi)設(shè)置60 m×90 m的固定實(shí)驗(yàn)樣地，利用全站儀(TOPCON-GTS-602AF)對胸徑≥4 cm的林木進(jìn)行定位，編號掛牌，測量胸徑、樹高和冠幅(表1)，記錄樹種名稱和健康狀況，找出各樣方中心點(diǎn)，立樁標(biāo)記。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，將固定實(shí)驗(yàn)樣地劃分為24個固定樣方，面積約為15 m×15 m。采用隨機(jī)排列方式布設(shè)4個實(shí)驗(yàn)處理，每處理6次重復(fù)。4個處理分別是：A為結(jié)構(gòu)化經(jīng)營，B為全面割灌，C為對照(不實(shí)施任何經(jīng)營措施)，D為結(jié)構(gòu)化經(jīng)營+全面割灌。4種處理的具體操作原則和采伐強(qiáng)度見表1和表2，全面割灌是對林下灌木全面清理。

表1 經(jīng)營前樣方內(nèi)側(cè)柏林基本情況

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)側(cè)柏林調(diào)查數(shù)據(jù)，對林分進(jìn)行迫切性評價(表2)，然后依據(jù)經(jīng)營迫切性評價等級[14]，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化經(jīng)營。結(jié)構(gòu)化經(jīng)營原則為：①采伐林分中不健康的林木，包括病腐、彎曲、斷梢等林木，絕對避免大的天窗出現(xiàn)。②針對大徑木(胸徑>10.5 cm)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，對影響其生長、可被其影響、無培育前途的林木進(jìn)行采伐，統(tǒng)籌考慮林木的分布格局、混交、擁擠程度；針對相鄰中大徑木進(jìn)行調(diào)節(jié)，綜合考慮分布格局、競爭、擁擠程度等因素，確定采伐木。對A和D處理下各樣方采伐強(qiáng)度見表1。

表2 側(cè)柏林經(jīng)營迫切性評價

注：林木擁擠程度、林分平均角尺度、樹種多樣性、成層性、樹種組成、健康林木比例指標(biāo)達(dá)到的極值為1，頂極樹種優(yōu)勢度、直徑分布、林木成熟度達(dá)到極值為0。

2.2 冠層結(jié)構(gòu)調(diào)查

2015年8月，于側(cè)柏林固定樣方中心附近冠層分布較為均一的固定位置處(圖1，實(shí)心圓)，選8個固定點(diǎn)(圖1空心圓，盡量保證整個樣地都能在拍攝范圍內(nèi)，使計(jì)算結(jié)果能夠全面反映樣方的冠層情況)進(jìn)行側(cè)柏林冠層結(jié)構(gòu)測定。每次每個固定點(diǎn)連續(xù)拍攝3張圖片供影像分析，所有樣方循環(huán)重復(fù)測3次。測定儀為引自英國的HemiView數(shù)字植物冠層分析儀(包括單反數(shù)碼相機(jī)、4.5 mm魚眼廣角鏡頭、自平衡相機(jī)安放支架、可伸縮單臂支架)。鑒于HemiView冠層分析儀對光照條件的要求，本研究于天氣晴朗的早上07：00—09：00和下午16：00—18：00(避免強(qiáng)烈的太陽光直射產(chǎn)生的光斑對圖片曝光率過高的影響)采集各樣方冠層影像。為避免地面灌草層的干擾，相機(jī)支架距地面垂直距離設(shè)置為1.2 m，避開灌木遮擋或結(jié)構(gòu)調(diào)整中采伐點(diǎn)，測定時使相機(jī)保持水平狀態(tài)。

圖1 冠層結(jié)構(gòu)調(diào)查位點(diǎn)設(shè)置

2.3 數(shù)據(jù)分析

HemiView數(shù)字植物冠層分析儀的工作原理是通過180°魚眼鏡頭和高清晰度數(shù)碼相機(jī)從植物冠層下方或森林地面向上取像，然后將影像載入HemiView分析軟件，通過調(diào)整閾值(本研究閾值范圍230～250)，計(jì)算輻射、葉面積、葉角等指標(biāo)。

本研究采用空間結(jié)構(gòu)分析軟件Winkelmass1.0完成每株林木的角尺度、混交度、大小比數(shù)的計(jì)算，評價森林經(jīng)營的迫切性，確定被伐木；用HemiView 2.1半球影像圖片分析軟件得到冠層結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合excel 2013及spss16.0完成各指標(biāo)的單因素方差分析和多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同經(jīng)營方式側(cè)柏人工林的光合有效輻射特征

冠層截獲的太陽輻射又稱為光合有效輻射，為冠上輻射與冠下輻射的差值，一定程度上表征了植物冠層轉(zhuǎn)化利用光能能力。從表3可知，4種處理下側(cè)柏人工林冠層截獲的散射輻射和總輻射間差異不顯著，截獲直接輻射間差異顯著，且截獲直接輻射所占比例較大，約占85%;截獲散射輻射所占比例較小，約占15%，4種處理間的關(guān)系從大到小均為D、B、A、C。其中截獲散射輻射的范圍為(1 939.0±56.9)～(1 976.1±31.2)MJ·m-2·a-1，不同處理間差異不顯著。截獲直接輻射的范圍為(11 373.0±383.4)～(11 872.0±292.4)MJ·m-2·a-1，D顯著高于C，與A和B無顯著差異，A、B和C間也無顯著差異。總光合有效輻射范圍為(13 312.00±502.74)～(13 848.00±272.96)MJ·m-2·a-1，4種處理間差異性未達(dá)顯著水平。

表3 側(cè)柏人工林冠層截獲光輻射能 MJ·m-2·a-1

注：同一指標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

3.2 不同經(jīng)營方式側(cè)柏人工林的葉面積指數(shù)

表4表明，不同森林經(jīng)營方式下側(cè)柏人工林的葉面積指數(shù)從大到小依次為D(2.32±0.28)、A(2.31±0.21)、B(2.25±0.27)、C(2.04±0.34)。方差分析結(jié)果顯示，A、B和D處理下的葉面積指數(shù)顯著高于C，但A、B和D三者間葉面積指數(shù)差異未達(dá)顯著水平。

3.3 不同經(jīng)營方式側(cè)柏人工林的葉傾角

從表4可知，側(cè)柏人工林葉傾角為(39.4°±6.1°)～(45.7°±5.5°)，4種處理間差異顯著，其中C(對照)處理顯著高于其它3種林分，A、B和D間差異不顯著，分別為39.5°±3.4°、40.5°±4.6°和39.4°±6.1°。這在一定程度上說明，割灌和結(jié)構(gòu)化經(jīng)營降低了側(cè)柏人工林的葉傾角。

表4 側(cè)柏人工林葉面積指數(shù)及葉傾角

注：同一指標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

4 結(jié)論與討論

結(jié)構(gòu)化經(jīng)營是近年來我國學(xué)者首先提出來的現(xiàn)代化可持續(xù)經(jīng)營方法[15-16]，從林木個體在水平地面分布[17-18]、樹種空間隔離程度[19]及林木個體競爭狀態(tài)[19-20]3個林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)來衡量林分狀態(tài)[21]，建立樹體間的直觀關(guān)系，在國內(nèi)外林分經(jīng)營中頗受歡迎[22]。從本研究結(jié)果來看，4種處理間的冠層特性有顯著差異，結(jié)構(gòu)化經(jīng)營和割灌兩種經(jīng)營下林內(nèi)植被空間分布格局發(fā)生了改變，為林木生長提供了更為廣闊的空間、光照、養(yǎng)分、水分等資源，林內(nèi)有效光合輻射和葉片發(fā)育特性也發(fā)生顯著變化，林冠層截獲直接輻射和葉面積指數(shù)顯著提高，林內(nèi)光異質(zhì)性增強(qiáng)，林分冠層空間分布的片段化程度增大[23-25]，沿森林經(jīng)營理想狀態(tài)趨勢發(fā)展。

光合有效輻射是影響生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)生產(chǎn)的重要生態(tài)因子，與群落碳獲取呈顯著正相關(guān)關(guān)系[26]，其在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的分布是由進(jìn)入冠層的總輻射經(jīng)植物體和下墊面的多次透射、反射和吸收等一系列物理作用后形成的[27]。本研究中冠層截獲直接輻射在D處理下顯著高于C，其它處理間差異不明顯；不同行距下夏玉米群體的光總截獲在大寬窄行處理下的層透光率增加，群體光總截獲降低，而小寬窄行處理的穗位層光截獲顯著增加，更利于光合作用進(jìn)行和干物質(zhì)的積累[28]；隨光合有效輻射增強(qiáng)，集約經(jīng)營(施肥)毛竹林的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度的變化幅度與粗放經(jīng)營相近，最大凈光合能力顯著高于其它經(jīng)營方式[29]，說明植物群體內(nèi)光合有效輻射強(qiáng)度與經(jīng)營措施密切相關(guān)，森林經(jīng)營對林內(nèi)光合產(chǎn)物積累等關(guān)鍵生態(tài)過程乃至更大時空尺度上的群落結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)演替具有重要意義[30-31]。因此本研究中D處理對冠層截獲直接輻射的表現(xiàn)說明了該經(jīng)營措施對提高林分光合能力和干物質(zhì)積累潛在的有效性。

葉面積指數(shù)是森林生態(tài)過程的關(guān)鍵參數(shù)，也是描述森林冠層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，林分葉面積指數(shù)受林分結(jié)構(gòu)特征、地形、水分條件以及人類活動等多種因素的影響，具有高度的空間異質(zhì)性，即使在林分結(jié)構(gòu)單一的同齡林中，葉面積指數(shù)也有較大的變化[32-34]。一般林木的葉面積指數(shù)最適值域?yàn)?～10[35-36]，不同植被類型葉面積指數(shù)空間相關(guān)性的變程存在差異，如山楊林、硬闊葉林和針葉林3種森林類型的葉面積指數(shù)變程在53～91m[37]。本研究4種處理下側(cè)柏林的葉面積指數(shù)為(2.04±0.34)～(2.32±0.28)，方差分析表明A、B和D顯著高于C，相關(guān)研究表明，集約經(jīng)營的楊樹人工林葉面積的數(shù)值明顯大于粗放經(jīng)營林木的葉面積數(shù)值，且整個生長季節(jié)內(nèi)，集約經(jīng)營林木冠層葉面積數(shù)值較大，林分生長季節(jié)較長，而粗放經(jīng)營林木葉面積相對較小，生長季較短[38]。葉面積較大，生長季較長是導(dǎo)致集約經(jīng)營林分生產(chǎn)力較高的主要原因之一。Bequet的研究表明，葉面積指數(shù)與胸徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與樹高、冠長、冠幅呈正相關(guān)。因此，本研究中結(jié)構(gòu)化經(jīng)營、全面割灌及二者的有效結(jié)合3種經(jīng)營方式對側(cè)柏林葉面積指數(shù)產(chǎn)生了正向影響，一定程度上說明研究區(qū)側(cè)柏人工林有較大的經(jīng)營潛力。

葉傾角是葉片法線方向與垂直軸的夾角，一個冠層內(nèi)葉傾角的分布模式可以從0°(水平葉)到90°(垂直葉)，因此說，葉傾角越小，葉子越平展，越利于冠層截獲太陽輻射和利用太陽光能。本研究中森林經(jīng)營后葉傾角顯著降低，說明結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(A)、割灌(B)和二者的有效結(jié)合(D)降低了側(cè)柏人工林的葉傾角，更利于冠層截獲太陽能，實(shí)現(xiàn)更高的光合能力，與本研究中不同處理間冠層截獲有效光能及葉面積指數(shù)的變化規(guī)律呼應(yīng)。

從本研究冠層截獲有效光能、葉面積指數(shù)、葉傾角與林分密度間的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)化經(jīng)營和割灌(D)下林分密度最小，但較其他處理在截獲直接有效光能、葉面積指數(shù)及葉傾角上卻表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，顯著高于C，充分表明D處理下側(cè)柏人工林冠層具更高的光能利用潛能，能更有效改善側(cè)柏人工林內(nèi)光照、水分、養(yǎng)分等資源利用和分配，結(jié)構(gòu)化經(jīng)營與割灌協(xié)作的經(jīng)營，有益于森林可持續(xù)高效經(jīng)營。

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EffectonCanopyCharacteristicofPlatycladusorientalisPlantationinDifferentForestManagement

Feng Huanying, Zhang Lianjin, Du Manyi, Sun Changzhong, Wu Di

(Experimental Centre of Forestry in north China, Chinese academic of forestry, Beijing 102300, P. R. China)Journal of Northeast Forestry University，2017,45(12)：12-15，37.

Canopy structure; Structure-based forest management; Photosynthetically active radiation; Leaf area index; Mean leaf angle

1)中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助(CAFYBB2014QA036)；華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心主任基金項(xiàng)目(ECFNC2014-06)。

封煥英，女，1983年9月生，中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，工程師。E-mail：fenghuanying905@163.com。

杜滿義，中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，高級工程師。E-mail：dumanyi198426@126.com。

2017年4月6日。

戴芳天。

S750

In order to find out more about the change and adapted characteristic of canopy structure under different management measures, we studied thePlatycladusorientalisplantation lied on Jiulong Mountain. Four types of management forests were designed, structure-based forest management (A), cutting bush (B), control (C, without any management), structure-based forest management+cutting bush (D). The characteristic of canopy ofP.Orientalisplantation was investigated by using HemiView data plant canopy analyzer. The results showed that fractional interception of direct radiation (IDR), leaf area index (LAI), and mean leaf angle (MLA) all changed significantly, however there was no different fractional interception of scattered radiation (ISR) and interception of total radiation (ITD) inP.orientalisplantation. LAI was 2.04±0.54-2.32±0.48, which change trend was in C much lower than that was in the others, whereas there was no significantly different between A, B and D. MLA was 45.7°±5.5° in C, much higher than that in A, B and D. In addition, IDR was 11 373.0±383.4-11 872.0±292.4 MJ·m-2·a-1in theP.orientalisplantation. IDRin D was much higher than that in C, but there was no significant difference between A and B. These results collectively suggest that both cutting bush and structure-based forest management have significantly effect to canopy structure characteristic ofP.orientalisplantation, and they would play greater potential if they are effectively combined.