青城山低山植物群落冠層結(jié)構(gòu)研究

曾曉陽(yáng)

【摘 要】將冠層分析儀與分析軟件WinScanopy2005a For Hemispherical Image Analysis應(yīng)用于青城山低山常綠闊葉林典型植物群落的冠層結(jié)構(gòu)研究中，采集照片，處理數(shù)據(jù)，從而得出各樣地植物群落冠層結(jié)構(gòu)中LAI、總空隙度、總開度等指標(biāo)的變化規(guī)律。以上冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)數(shù)據(jù)的取得有助于青城山低山常綠闊葉林典型植物群落的空間結(jié)構(gòu)的定量化觀測(cè)，奠定冠層結(jié)構(gòu)量化研究的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】冠層結(jié)構(gòu)；低山植物群落；半球影像；青城山

中圖分類號(hào)： Q948.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）17-0139-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.069

【Abstract】The canopy analyzer and analysis software WinScanopy2005a for Hemispherical Image Analysis was applied to the canopy structure study of typical plant communities in the low mountain evergreen broad-leaved forest in Qingcheng Mountain. The photos were collected and the data were processed to obtain the canopy structure， LAI， total gap fraction and total openness， for each plant community. These canopy structure indexes would be helpful to quantize the spatial structure of typical plant communities in the low mountain evergreen broad-leaved forest in Qingcheng Mountain.

【Key words】Canopy structure； Plant communities in the low mountain； Hemispherical image； Qingcheng mountain

本研究運(yùn)用冠層分析儀與分析軟件WinScanopy2005a For Hemispherical Image Analysis，定量研究青城山低山常綠闊葉林典型植物群落的冠層結(jié)構(gòu)的生理生態(tài)特征，可為成都等亞熱帶城市綠地近自然植物群落模式的研究和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要位于都江堰青城山核心區(qū)700-1200m的低山常綠闊葉林帶范圍內(nèi)，氣候溫和濕潤(rùn)，屬亞熱帶溫濕型氣候，年平均溫度15.2℃；平均相對(duì)濕度81%。植物區(qū)系組成以亞熱帶成分為主，低山區(qū)域分布的原生性植被群落優(yōu)勢(shì)種是樟科的楠木和四川潤(rùn)楠等，同時(shí)也有由山茶科的四川大頭茶和殼斗科的栲樹、江南石櫟為優(yōu)勢(shì)的常綠闊葉林出現(xiàn)。

2 研究方法

2.1 植物群落選擇

根據(jù)植物群落類型及其分布，結(jié)合專家推薦和當(dāng)?shù)貙?shí)際勘測(cè)調(diào)查的情況，在青城山海拔高度1200米以下的天然圖畫、天師洞、上清宮以及普照寺、都江堰的般若寺等處，選擇20個(gè)典型的低山植物群落樣地（每個(gè)樣地20m×20m）進(jìn)行相關(guān)調(diào)查。

2.2 測(cè)定冠層結(jié)構(gòu)的儀器和分析軟件

研究所用的冠層分析儀與分析軟件WinScanopy2005a For Hemispherical Image Analysis為加拿大Regent Instruments公司的產(chǎn)品。測(cè)定指標(biāo)為葉面積指數(shù)、空隙度、開度、光合光量子通量密度、平均葉傾角。

2.3 冠層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集與處理

在每個(gè)植物群落樣地中，根據(jù)群落結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性差異而隨機(jī)選擇6-10個(gè)拍攝點(diǎn)進(jìn)行半球圖像采集。在植物生長(zhǎng)旺季、葉面積值最大的8月進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，拍攝時(shí)間選擇在陰天、風(fēng)很小的天氣里。拍攝高度2m，拍攝時(shí)間選在8：00-9：00或16：00-18：00。

獲得的林冠照片為半球面影像。這種半球面影像的數(shù)碼照片可通過專用軟件WinScanopy2005a林冠影像分析軟件進(jìn)行分析，獲得林冠結(jié)構(gòu)、林下光照條件等一系列參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉面積指數(shù)

青城山栲樹群落的各個(gè)樣地LAI范圍為3.18-3.92，平均LAI為3.55，大平均值和小平均值分別為3.74和3.30，標(biāo)準(zhǔn)方差0.25，說明群落葉面積指數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差變動(dòng)幅度很小，葉面積指數(shù)值穩(wěn)定，明顯趨同。

3.2 空隙度、開度和郁閉度

栲樹群落的各個(gè)樣地的總空隙度和總開度及其標(biāo)準(zhǔn)差變動(dòng)幅度小。經(jīng)比較，可以看出兩者相關(guān)性極強(qiáng)，且兩組值差別不大，空隙度值在5.88%-8.13%之間，平均為7.07%，大平均值和小平均值為7.56%和6.57%，標(biāo)準(zhǔn)差很小。開度值在6.27%-8.62%之間，平均為7.52%，大平均值和小平均值為7.87%和6.99%，標(biāo)準(zhǔn)差僅0.60。

栲樹林的郁閉度值在91.38%-93.73%之間，平均為92.48%，大平均值和小平均值為93.01%和92.09%，標(biāo)準(zhǔn)差僅0.60，說明青城山低山植物群落栲樹林的各個(gè)樣地郁閉度及其標(biāo)準(zhǔn)差變動(dòng)幅度很小。

研究表明，栲樹群落的空隙度、開度很小，均不大于10%，而郁閉度值不低于91%；小空隙、小開度、高郁閉度直接決定栲樹林內(nèi)植物的光可獲得量、太陽(yáng)輻射較少，空隙形成的光斑等光環(huán)境對(duì)植物光合作用、林下幼苗萌發(fā)生長(zhǎng)有顯著影響，林下的灌叢和幼苗、草本植物以耐陰喜濕的油茶、格藥柃、細(xì)齒柃、老鼠矢、蕨類等為主。

3.3 光合光量子通量密度

青城山栲樹林典型群落中的冠層上方總PPFD和冠層下方總PPFD及其標(biāo)準(zhǔn)差的比較，表明冠層上方總PPFD值在55.95Mol/m2day-51.72Mol/m2day范圍變化，平均值為54.08Mol/m2day，大平均值和小平均值為54.62Mol/m2day和52.09Mol/m2day，標(biāo)準(zhǔn)差1.20；冠層下方總PPFD值在1.60Mol/m2day-6.72Mol/m2day之間，平均為4.46Mol/m2day，大平均值和小平均值為5.73Mol/m2day和3.19Mol/m2day，標(biāo)準(zhǔn)差為1.54。由此可知青城山栲樹群落的各個(gè)樣地冠層上方總PPFD、林下總PPFD及其標(biāo)準(zhǔn)差變動(dòng)幅度較小。冠層上方的總PPFD與冠層下方的總PPFD之差即為冠層的光截獲密度，栲樹林的平均光截獲密度為49.62Mol/m2day，標(biāo)準(zhǔn)差為1.50。到達(dá)底部的光合光量子通量密度值越小，表明冠層的光截獲能力越強(qiáng)，該結(jié)構(gòu)對(duì)林內(nèi)光輻射及其相互作用對(duì)森林植物的更新、種類組成等具有重要作用，低光強(qiáng)、短光照使得耐陰、喜濕植物或幼苗如油茶、格藥柃、細(xì)齒柃等山茶科植物和低山蕨類植物占據(jù)林下優(yōu)勢(shì)，形成低山植物群落的典型結(jié)構(gòu)。

3.4 平均葉傾角

栲樹林的各個(gè)樣地MLA 及其標(biāo)準(zhǔn)差變動(dòng)幅度小，MLA的范圍在14.76°-17.77°之間，平均為16.01°，大平均值和小平均值為16.98°和15.04°，標(biāo)準(zhǔn)差為1.1。由于青城山低山常綠闊葉林的栲樹林總空隙度、總開度低而郁閉度高，林下總的PPFD很低，光強(qiáng)、光照弱，使得林中植物以小于18°的銳角、接近水平葉的性質(zhì)截獲輻射較弱的陽(yáng)光，符合理論上在群落中隨光強(qiáng)弱MLA小的規(guī)律；同時(shí)，MLA 的近水平狀態(tài)，使得林中葉片對(duì)太陽(yáng)光的截獲和光能利用更加有效和充分，也是總空隙度、總開度低而郁閉度高、林下總的PPFD低產(chǎn)生的原因之一。

3.5 林冠的均勻性分析

青城山栲樹林各個(gè)樣地的各指數(shù)變異系數(shù)在9%以下，分布呈現(xiàn)顯著均勻狀態(tài)，不存在樣地的異質(zhì)性，栲樹林冠層的各研究指標(biāo)均相對(duì)穩(wěn)定，冠層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變異很??；只有林下PPFD出現(xiàn)一定的異質(zhì)性分布（CV=34.53%），且較不均勻，但并未影響栲樹群落林冠對(duì)光的截獲能力，冠層的光截獲密度分布仍然顯著均勻分布。

4 結(jié)語(yǔ)與討論

4.1 結(jié)語(yǔ)

通過比較分析，研究區(qū)內(nèi)的典型園林植物群落類型的冠層結(jié)構(gòu)可知，栲樹林葉面積指數(shù)在3.18-3.92之間變化，平均葉傾角以近水平葉分布，并能充分利用水平葉面進(jìn)行光合作用。栲樹林的總空隙度和總開度低于8.20%，林冠更加蔥郁密閉且具有很高的光截獲能力，使得林下PPFD不高于6.72Mol/m2day。通過對(duì)各指標(biāo)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)植物群落林冠結(jié)構(gòu)各指標(biāo)值的穩(wěn)定性和均勻性較高。

綜上，城市園林的近自然植物群落配置必須遵循自然頂極植物群落的林冠結(jié)構(gòu)，模擬其在LAI、Gap fraction、Openness、Closure、PPFD、MLA的均勻分布和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，結(jié)合景觀服務(wù)、生態(tài)服務(wù)、以人為本等多元功能和理念，在人工植物群落中再現(xiàn)自然森林不同群落林冠結(jié)構(gòu)的和諧和統(tǒng)一。

4.2 討論

在今后的研究過程中，要加大人力和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入，最好是在每個(gè)樣地分別布置實(shí)驗(yàn)人員和儀器，獲得每個(gè)樣地的更多指標(biāo)的詳盡數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高小氣候條件調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

應(yīng)該長(zhǎng)期堅(jiān)持使用冠層分析儀對(duì)自然頂極植物群落的林冠結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行野外調(diào)查，充分獲取頂極植物群落LAI、Gap fraction、Openness、PPFD、MLA各項(xiàng)指標(biāo)的詳盡量化數(shù)據(jù)，以此指導(dǎo)和規(guī)范城市園林的近自然植物群落的構(gòu)建和對(duì)結(jié)構(gòu)不合理的人工植物群落的近自然化改造。