論光資源研究對人工林復合經營的重要性

白 石 樊莉麗

（1.國有商丘市民權林場，河南 商丘 476800；2.河南省林業(yè)科學研究院，河南 鄭州 450008）

我國農林復合經營的發(fā)展形式多樣、內涵豐富。因歷史地理、社會經濟、科學技術等各種原因，各地區(qū)利用土地、選擇樹種、搭配作物等情況各不相同，產生了形式多樣、種類繁多、行之有效、因地制宜的生產類型。各種類型歸結起來，具有多用途的樹木種類、多種生物類型的結合、多種生物產品的生產、多年生系統(tǒng)的循環(huán)周期、多組分多結構多功能的體統(tǒng)關系等突出特點。在人工林內開展復合經營能夠有效避免林地結構單一、收獲周期長、經濟效益慢等問題，起到遠近結合、以短養(yǎng)長、協(xié)調發(fā)展的產業(yè)化效應。使農、林、牧等產業(yè)實現資源共享、優(yōu)勢互補、協(xié)調發(fā)展、循環(huán)相生，充分實現經濟、生態(tài)和社會綜合效益。然而，總結現階段我國農林復合經營發(fā)展狀況，不難發(fā)現：多數研究集中在不同經營模式的開發(fā)與成功經驗的總結以及效益分析上，林下特殊的光、熱、水等環(huán)境、氣候資源狀況未予以應有的關注，相關方面的基礎理論研究較為薄弱，系統(tǒng)模式的配置原理與優(yōu)化技術、結構調控及可持續(xù)經營管理技術等方面的研究相對匱乏，相關理論體系尚未建立。由于缺乏相關理論指導和相應的區(qū)域規(guī)劃，在實際生產中，農戶不能準確地選擇合適的模式，而出現盲從、跟風上的現象，導致林下經營系統(tǒng)不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢及綜合效益，制約了農林復合經營的良性循環(huán)和系統(tǒng)發(fā)展。

人工林復合經營是以林地資源為依托發(fā)展起來的林業(yè)多種經營，有學者認為，人工林內搞復合經營，對林地資源的關注點歸結起來主要是造林樹種、立地條件和林分的郁閉度。也有學者認為，發(fā)展農林復合經營主要是利用林下特殊的光、熱、水等氣候資源進行各種經營活動。兩種觀點雖提法不同，但并不沖突，互為補充。不同樹種具有不同的冠層結構特征，形成不同的林蔭空間類型，改變林下光、熱、水等環(huán)境、氣候因子，從而影響林下經營類型。農林復合系統(tǒng)內種間競爭諸多要素中，水肥競爭可通過投入的多寡來人為調控，而由于樹冠遮陰引起的光、熱資源的下降則是人力很難從根本上改變的。作物產量主要是受光、熱資源限制，光熱資源生產力是評價區(qū)域作物產量高低的重要指標。在光熱資源中，熱量資源的產生又主要靠太陽的光輻射，所以歸根到底光資源是能量產生的基礎與核心，是林下植被發(fā)育、生態(tài)系統(tǒng)作用過程的關鍵決定性因素。

1.人工林內光資源的主要特征

林下光環(huán)境的顯著特征是光照強度減弱、光質成分發(fā)生改變。林分的冠層結構和空間分布格局影響林冠中不同高度以及林下有效光總量；冠層高度、葉片的光學特性和葉片的分布特點等會使透過的光組成發(fā)生變化，影響林下光譜比率。林木的冠層改變了林內和林外光資源的分布，從而使熱量和水分的交換在時間和空間上與空曠地相比也發(fā)生了顯著變化，光照、降水等在進入林分后進行重新分配。通常林內溫度較低，亂流交換弱，濕度大，蒸發(fā)量小于林外。

另外，林分郁閉度引起的林下透光率變化會導致林下空氣溫、濕度，土壤溫、濕度等小氣候因子變化，從而影響林下植被類型和生長狀況。成年林郁閉度高，林下空氣濕度大，光照強度低，晝夜溫差小。高大的林木，夏天能對林下植物起到遮陰作用；冬季能減輕或防止林下植被凍害；雨季能攔截徑流，有利于蓄水保土。此外，也存在著光照不足、通風條件差等不利因素的影響，所以，在模式開發(fā)上要充分考慮優(yōu)劣因素的影響程度，選擇合適的種養(yǎng)對象。

2.人工林內光資源研究的主要內容

現今對林分內光環(huán)境的主流研究主要是從光的能量角度出發(fā)，研究通常涉及光能在不同系統(tǒng)內的傳輸理論與途徑、時空分布規(guī)律、動態(tài)變化規(guī)律及系統(tǒng)內光能的再分配規(guī)律和利用率等問題。另外，基于氣象學、氣候學原理的林下光分布模型的模擬及應用的研究也是熱點之一，研究內容包括了可見、不可見光在林下的衰減，在森林自然生態(tài)系統(tǒng)或農林間作等半自然生態(tài)系統(tǒng)中的傳輸、分布及其與光合作用的關系等。相關模型的研究在對自然及半自然環(huán)境內光因子復雜生態(tài)效應的了解、模擬和預測中占有不可替代的位置。從光能分布角度研究林分光環(huán)境問題，太陽總輻射、直射輻射、散射輻射、各種分光譜輻射及日照時間等常作為研究要素。其中光合有效輻射是影響植物光合作用及干物質產量的最主要因子，一直以來是植物生態(tài)學生理學研究的重要內容之一。光合有效輻射（PAR）是指波長在 400～700nm的太陽短波輻射，它是植物光合作用可以利用的太陽輻射，是影響植物光合作用效率的關鍵因素。對于林下光資源來說，光合有效輻射是主要的生態(tài)因子。光合有效輻射不但影響林下植被的更新、生長和分布，而且與林上的光合有效輻射一起制約著林地的邊界氣候、水汽和 CO2等主要生命物質交換，并作為凈初級生產量模型、氣候模型、水文模型、生物地球化學模型等生態(tài)模型的關鍵變量而被重視。相較于林冠上方PAR，林冠下方PAR的時空差異較大，研究比較困難，國外有學者進行過單點觀測討論；還有學者設計了不同的多通道感光系統(tǒng)對林下PAR進行觀測，但多是使用磷砷化鎵光電極管(Ga AP)s進行集合點狀觀測，觀測精度和視角有限，并且多是短期觀測，最長的為5個月，較少考慮氣候情況或冠層葉面積季節(jié)變化帶來的林下PAR特征差異；也有學者通過魚眼鏡頭拍照技術間接表達林下PAR的時空特征，推算的PAR值與直接觀測的PAR值有較高的相關性，在一定程度上能反映冠層結構和林窗大小對林下PAR的影響，但該方法僅在天空散射輻射大于直射輻射或密閉冠層 (closed-canopy)的情況下有較高精度，存在一定的局限性。綜上所述，由于影響林下太陽輻射能的因素眾多，因此，多點和長期定位觀測是克服短期和局地觀測造成誤差的最準確、有效的方法。

冠層結構是人工林內光資源研究的重要內容之一。樹木的光合作用主要發(fā)生在冠層，林冠結構的不同會造成林下光環(huán)境的差異，這對植物生長和群落更替都有重要的生態(tài)學意義。林木的冠層幾何學特征不僅直接影響林木本身截獲太陽輻射的程度以及截留大氣降水的能力等，還影響到諸如風速、空氣溫濕度、土壤蒸發(fā)量、土壤熱儲量、土壤溫度等林內小氣候特征，并影響到林冠和外界大氣環(huán)境之間的能量交換。通常林業(yè)上對林下光環(huán)境的動態(tài)描述，多選取一些光環(huán)境指標比如：光合光量子通量密度（PPFD）和一些冠層結構形態(tài)學指標如：空隙度（Gapfraction）、平均葉傾角（MLA）、葉面積指數（LAI）等進行描述。早期有研究表明：林下的有效光和輻射最低，只有空曠地的1%～2%，而較大的林隙中心點的有效光輻射量甚至能達到20%～35%，說明光照強度的變化是大林隙＞小林隙＞林下。國外研究冠層結構，通常針對冠層的形態(tài)學指標如葉面積指數在不同層次、不同林齡的冠層中的變化規(guī)律和生態(tài)功能；冠層結構和林隙透光率之間的關系；林冠結構的季節(jié)性變化等。我國學者也對冠層結構與功能的關系、林窗和林隙動態(tài)、葉面積指數的年變化規(guī)律，以及冠層特性與產量之間的關系等做了大量研究。人工林冠層雖然沒有森林冠層的結構復雜，但同樣影響著不同層次林木平均日光合有效輻射的截獲、透射和吸收，決定了林內不同層次的光分布情況，對人工林下光資源特征的研究離不開冠層結構的相關研究。

3.光資源對植物生長的調節(jié)作用

光資源對于植物生長具有特殊重要的地位，因為它不僅影響著植物生長發(fā)育全過程，而且還為光合提供能量。光照是植物進行光合作用的基礎條件，光合作用過程中同化力的形成、酶活化、氣孔開放等都需要光照啟動和參與。光影響種子發(fā)芽，特別是小型種子需要一定的光照才能發(fā)芽良好，也有一些種子發(fā)芽不受光的影響，甚至會受到光抑制。光影響植物莖、葉的生長，研究表明白天許多植物莖的伸長速度不及夜間，這就是光對生長的抑制作用。高強度藍光對莖的伸長有抑制作用，而同等強度的紅光則促進莖伸長。藍光雖然阻止葉柄的伸長，但它卻可以增加葉面積。光促進的葉片擴大，主要是由于加強了細胞分裂，細胞最終的大小和保持在黑暗中的并沒有明顯不同。在完整葉片中，亮光下生長的葉片的細胞的分裂伸長的分化速度比在低強度光下更快。光對葉片發(fā)育和成熟也有一種全面刺激的效果，尤其是雙子葉植物。葉綠素的合成也離不開光的參與，黑暗中生長的細胞所含類胡蘿卜素總量很小，但在其變綠的過程中此含量能增長10倍。光質也影響葉綠素的合成，藍光下葉綠素含量最高，其次是白光和紅光，黑暗和綠光上最低。另外,光周期誘導開花。長日照植物要想開花，需要大于臨界日時長，日照時間越長則開花越早，在連續(xù)日照下開花最早。短日照植物則須在短于臨界日長時才能開花，日照時間短則開花提前，但這個時長不能短于光合作用的光需求。光周期誘導植物開花所需要的光照強度并不高，大約在50lx～100lx，所以光照強度不是誘導開花的絕對因素。紅光和遠紅光對開花反應具有反復的逆轉作用，決定植物開花的是最后一次光照射，若是紅光短日植物就不開花，弱是遠紅光就開花。

光除了作為一種能源控制著光合作用，還作為一種信號對植物的生長發(fā)育有廣泛的調節(jié)作用，種子發(fā)芽、脫黃化到形態(tài)建成，晝夜節(jié)律、基因表達、向光性和向地性，這些受光誘導和調節(jié)的發(fā)育統(tǒng)稱為植物的光形態(tài)建成。植物的光形態(tài)建成反應分為兩類：即紅光反應和藍光反應。葉片增大主要是紅光反應；而藍光反應包括氣孔的開合、葉綠體的分化和運動。另外光質對光合代謝也有重要的影響，植物在紅光下體內會積累較多的碳水化合物，而在藍光下葉片或種子總蛋白質含量比紅光下生長的高。另外，紅光在誘導植物開花、種子萌發(fā)、芽的休眠、去黃化、莖葉的伸長、葉片脫落、根莖和鱗莖的形成等方面起著重要作用；而藍光則在莖伸長的抑制、氣孔開閉、蛋白質含量的增加、延緩衰老、葉綠素合成、葉綠體的分化和運動、向光性反應等方面具有顯著作用。

4.林內光資源研究的重要性

人工林內光資源是決定林農復合經營的關鍵因子,是人為最難改變和補充的客觀環(huán)境因子，所以在制定農林復合經營方案時，應當進行充分的林地資源調查、科學的資源優(yōu)勢整合，把林地的光資源作為限制因素擺在首位考慮。植物生長和發(fā)育過程中，光輻射因子起著重要的作用。首先輻射是植物光合作用的能源，影響著光合作用過程中形成的產量和產品的質量。其次，光作為一種起調節(jié)作用的，還對植物的形態(tài)發(fā)生與發(fā)展、葉子的形狀與大小以及從營養(yǎng)生長到生殖生長的轉變速度起著重要的作用。太陽輻射中，波長范圍在400～700nm的短波輻射，即光合有效輻射（PAR），是植物可以利用的太陽輻射部分。植物的五種光合反應，即光合作用、色素合成、光周期現象、趨光性和光形態(tài)誘變，都集中在這個波段內。不同植物對光環(huán)境的需求不同，光飽和點和光補償點是反映植物需光特性的兩個主要指標，一般情況下光飽和點和光補償點均較高的植物屬于陽性植物，反之屬于陰性植物。光補償點較低、光飽和點較高的植物對光環(huán)境的適應性較強；而光補償點較高、光飽和點較低的植物對光照的適應性較弱。

在人工林內搞復合經營，特別是林下種植，要考慮植物生長所需的各種要素，其中水分、礦質營養(yǎng)最容易通過人為的灌溉、施肥等方式補給，而溫度也可通過地面覆蓋等措施加以調節(jié)，但光照條件，通常是人為因素最難以改變的，所以在選擇林下植物類型時，需重點考慮光環(huán)境特征。在人工林內搞復合經營就是要借助林地的生態(tài)環(huán)境，充分利用林下的自然條件、土地資源和林蔭空間，除了林下的資源，林中、林上都是可研究利用的空間。這就需要對直接影響林分光資源分布及儲量的林分冠層結構進行深入研究，對不同林齡、密度條件下林地光合有效輻射進行系統(tǒng)觀測，摸清規(guī)律，總結出經驗模型，然后再結合植物的需光特性進行相應模式的植物匹配。充分的調查研究和經驗模型的總結有助于農林復合經營科學體系的建立?？茖W的規(guī)劃布局有助于改變目前農林復合經營發(fā)展中存在的簡單模仿、盲目跟風等現象，促進產業(yè)的良性循環(huán)與發(fā)展。