基于營林數據林分郁閉度測算模型與檢驗

劉麗婷，李 田，李華強，郭昌慶，張港隆，歐陽天林★

（1.江西省林業(yè)科學院，江西南昌330013；2.中林集團雷州林業(yè)局有限公司，廣東雷州524043；3.江西林業(yè)實驗科技中心，江西贛州341600；4.華南農業(yè)大學，廣東廣州510642）

郁閉度是反映林相結構的重要因子，也是評價森林生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境的重要指標[1]，在水土保持、水源涵養(yǎng)、林內光照強度研究、林分質量評價、森林經營管理等方面應用廣泛。郁閉度反映了林下的光照條件及樹木對光資源的利用情況，同時間接地反映了樹木的生產力和林分潛在生產力。了解人工林的郁閉度情況，可以指導林下植被管理、林地資源利用等經營活動。營林生產中，郁閉度對林木蓄積量估測起決定性作用[2]。徐蕊等[3]研究發(fā)現不同郁閉度下群落的樹種組成、徑級分布、蓄積生產力、年均生長量、物種多樣性方面都具有顯著差異；崔寧潔等[4]通過對馬尾松（Pinus massiniana）人工林研究發(fā)現林下植物豐富度與林分郁閉度存在一定的相關性；周彬等[5]發(fā)現油松（P. tabulifomis）人工林林冠截留量與郁閉度表現出正相關關系；宋小帥等[6]也得到油松人工林林分枯落物儲量與郁閉度呈正相關關系。

郁閉度分為點郁閉度和垂直郁閉度，點郁閉度為從林地一點向上仰視，視野里被樹木枝葉所遮擋的天空球面的比例；垂直郁閉度[7]通常指樹冠的垂直投影面積與林地面積之比，可用來反映樹冠的郁閉程度和樹木對生長空間的利用程度[8]，在生產、研究中被廣泛應用，亦即本文所指的郁閉度。

目前，垂直郁閉度測量方法主要有目測法、樹冠投影法[8]、樣點法[8]、樣線法[9]、儀器測定法[10]、遙感圖像法[11]、照片法[12]、冠層分析儀法[13]和理論計算法[14]等。其中，目測法操作簡便，但受人為主觀因素影響較大，精度與準確度低；樹冠投影法雖精度高，但操作復雜，效率低下；樣點法和樣線法都沒有很好地考慮樹冠內枝葉空隙對郁閉度的影響；儀器測定法（冠層分析儀、球面密度計等）的精度和準確度高，但設備成本較高，難以推廣應用；遙感圖像法適用于大面積的郁閉度調查，但操作復雜，成本昂貴；照片法通過后期處理照片，計算林冠與天空的面積或像素比例算出郁閉度，經比較發(fā)現數碼相片能準確記錄更小的林冠空隙，其精度和準確度都高于普通相片；理論計算法可以省時省力，但僅適用于特定的樹種，范圍較窄。冠層分析儀如Hemiview、LAI-2000[16]等，測量的精度和準確度高但價格昂貴，且不便攜帶，故冠層分析儀法不適用于大范圍的森林郁閉度測定。

項目組通過選擇同齡的人工純林，調查林木樹冠面積、株間距、行間距、保存率等因子，結合照片法和理論算法，摸索出了一種基于人工林調查數據，精度高、操作簡便的林分郁閉度測算模型。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

紀家林場（20°26′-21°11′N，109°42′-110°23′E）位于廣東省雷州半島，屬亞熱帶濕潤性季風氣候，土壤為淺海沉積物磚紅壤；年平均氣溫22℃，年均最高和最低氣溫分別為38.5℃和1.1℃，年均相對濕度84%；熱帶風暴頻繁，6-10 月為臺風季節(jié)，10 月-翌年4 月為旱季，每年受臺風或熱帶風暴襲擊2～3 次，最大風力可達12 級以上。

1.2 調查樣地概況

2017 年6 月，選擇紀家林場1～5 年生桉樹（尾巨桉Eucalyptus urophylla×E. grandis無性系DH32-29）人工純林為調查樣地。樣地坡度均為0°。營林措施均為：全墾整地，深30 cm 左右，施基肥；機械開溝深度45 cm 后定穴，雨后造林；1～4 a 每年機械撫育一次，前3 a 每年追肥一次。

1.3 樣地調查

在林地里設置27 塊20 m×20 m 的調查樣地。分別記錄樣地的地理位置、小班面積、坡度、坡位、立地、造林撫育管理等基本情況和樣地的造林密度、成活率等。如圖1 設置樣木組：在樣地選取冠幅完好的成矩形排列的相鄰4 株樣木（A、B、C、D）為一組樣木，調查株間距、行間距，分別記為L1和L2；調查株間冠幅，記為P1A、P1B、P1C、P1D；調查行間冠幅，記為P2A、P2B、P2C、P2D。由此得出4 株樣木的平均株間冠幅為P1，平均行間冠幅為P2。每個樣地隨機選取9 組樣木。

圖1 樣木組調查示意Fig. 1 Schematic diagram of measurement

1.4 基于營林數據的郁閉度測算模型

以圖1 所示的一組樣木（4 株）為例，設每株樹的樹冠垂直投影均為軸長為P1/2、P2/2 的橢圓（圖2），矩形ABCD 的面積為1 個單位面積；Ss為橢圓的1/4 面積；Sc為縱向上下兩橢圓單位面積內的重疊面積；Sd為橫向左右兩橢圓單位面積內重疊面積。設Sk為單位面積內樹冠垂直投影面積（去除枝葉間空隙）；b為人工林郁閉度。

首先，根據橢圓面積公式得

其次，根據相鄰木的樹冠投影相交情況，根據微積分法測算單位面積橢圓相交面積，分以下4 種情形：

情形1：若P1≤L1（橫向左右橢圓不相交，即株間相鄰兩樹的樹冠無重疊），P2≤L2（縱向上下橢圓不相交，即行間相鄰兩樹的樹冠無重疊），見圖2-a，則綜合式（1）、式（2）求b值。

情形2：若P1＞L1（橫向左右橢圓不相交，即株間相鄰兩樹的樹冠無重疊），P2≤L2（縱向上下橢圓相交，即行間相鄰兩樹的樹冠有重疊），見圖2-b，則綜合式（1）、式（3）求b值。

情形3：若P1≤L1（左右橢圓相交，即株間相鄰兩樹的樹冠重疊），P2＞L2（上下橢圓不相交，即行間相鄰兩樹的樹冠無重疊），見圖2-c，則綜合式（1）、式（4）求b值。

情形4：若P1＞L2（橫向左右橢圓相交，即株間相鄰兩樹的樹冠重疊），P2＞L2（縱向上下橢圓相交，即行間相鄰兩樹的樹冠重疊），和≥1（斜對橢圓不相交，即對角兩樹的樹冠不重疊），見圖2-d，則綜合式（1）、式（5）求b值。

圖2 4 種樹冠位置情形及樹冠投影計算示意Fig. 2 Schematic diagram of four crown positions and crown projection calculation

4 種情形及對應的公式組成了基于營林數據的郁閉度測算模型。用此模型計算出同一調查樣地的9組樣木郁閉度值用SPSS 22.0 進行方差分析后，其算術平均值即為基于營林數據測算的樣地郁閉度。

1.5 模型檢驗

以照片法通過冠層分析系統(tǒng)所計算樣地郁閉度為基準數據，綜合模型測算郁閉度數據，應用SPSS 22.0 軟件進行方差分析及模型的精度檢驗。魚眼鏡頭所拍攝的全天空照片為林分天空球面形成的圓形投影，圖片像素為4 752×3 168 pixels，圓形直徑為1 536 pixels（圖3）?；鶞蕯祿墨@得方法為樹冠投影法[17]，在圖1 所示矩形ABCD 中心用魚眼鏡頭（獲得全天空照片）和普通鏡頭（獲得數碼照片）分別拍攝一張照片，每個樣地獲得9 組照片，樹冠投影法的照片預處理參考CCPS 法[17]，應用Side Look 1.1 確定全天空照片閥值和Hemiview 冠層分析系統(tǒng)對預處理后的全天空照片進行分析，測算樣點的垂直郁閉度，9 個樣點郁閉度的算術平均值即為樣地郁閉度。

圖3 全天空照片Fig. 3 Hemispherical photograph

2 結果與分析

2.1 模型法精度驗證結果

采用冠層分析系統(tǒng)得到27 個樣地的郁閉度的基準值見表1。

表1 Hemiview 冠層分析系統(tǒng)所測各樣地郁閉度的基準值Tab. 1 Reference value of canopy density in plots measured by Hemiview canopy analysis system

將樹冠投影法與Hemiview 冠層分析系統(tǒng)所測郁閉度值進行獨立樣本t檢驗，結果見表2。

表2 兩組數據的獨立樣本t 檢驗結果Tab. 2 Independent sample t-test results of two groups of data

可以看出，27 塊樣地的郁閉度模型值與基準值差異不顯著（P＞0.05），模型法在測定郁閉度時具有可行性。

由圖4 可以看出，2 號樣地模型法測算郁閉度與基準值的差值最大，絕對誤差為0.038，這是由于2 號樣地部分地方缺株，保存率為77.92%，存在較大的林冠空隙，使得全天照片中，天空影響像素數量比較大。而樹冠投影法選定的是冠幅完好的樣木，導致測算的郁閉度大于基準值。樹冠投影法測得的郁閉度與基準值差值在0.02～0.03 之間的樣地有3 塊，差值在0.01～0.02之間有8塊，其余15 塊樣地的差值均小于0.01。

圖4 模型法郁閉度測定值與Hemiview 冠層分析系統(tǒng)所測郁閉度基準值的差值分布Fig. 4 The method measured the difference of the value of the base value of the analysis system of Hemiview

模型法所測郁閉度值中第2、5、10 號樣地的百分誤差較大，分別為6.0%、3.8%和3.6%。其他樣地的百分誤差均小于3%。與Hemiview 冠層分析系統(tǒng)相比，該方法的相對誤差小于6%。

2.2 照片法測算獲得的K1、K2 數據對比分析

由表3、表4 可以看出，不同林齡的桉樹的K1和K2差異極顯著（P＜0.01），不同樣地間的K1和K2差異也極顯著（P＜0.01）。說明在用模型法測定不同林齡樣地郁閉度時，K1和K2需根據林齡重新評估。

表3 不同林齡間K1、K2 值比較Tab. 3 The comparison of K1 and K2 in different stand age

表4 不同樣地間K1、K2 值比較Tab. 4 The comparison of K1 and K2 in different plots

2.3 不同樣地和林齡林分平均冠幅和株行距的差異性分析

由表5、表6 可以看出，桉樹人工純林不同林齡間的平均株間冠幅和平均行間冠幅值差異性極顯著，同時不同樣地間的平均株間冠幅和平均行間冠幅差異性極顯著。平均株間冠幅和平均行間冠幅的大小受植物自身生長狀況、造林密度等因素的影響。不同樣地間的株行間冠幅差異性較大。

表5 不同林齡間平均冠幅值比較Tab. 5 The comparison of K1 and K2 in different stand age

表6 不同樣地間平均冠幅值比較Tab. 6 The comparison of K1 and K2 in different plots

2.4 模型法所選情形分析

由圖5 可以看出不同林齡的桉樹人工純林應用模型法計算郁閉度時所適用的情形和公式不同。桉樹人工純林所選的27 塊樣地243 組樣木中。1 年生的人工林逐漸郁閉，冠層重疊情況符合情形1、2、3、4的分別有31、9、2、12 組。有57.4%的樣木冠層投影沒有重疊現象，其中樣地的株行距比例有兩種：1.33 m×3 m 和1.5 m×3 m。株間距較短于行間距，株間冠幅投影重疊現象比行間重疊現象普遍，38.9%的樣木有株間冠幅投影重疊現象，25.9%的樣木有行間冠幅投影重疊。2 年生桉樹純林分別有10、44 組符合情形3、4，18.5%的樣木只有株間冠幅投影重疊現象。3、4、5年生的桉樹純林冠層投影重疊情況均符合情形4，株間和行間的冠幅投影均發(fā)生重疊，此時林分已基本郁閉。

圖5 不同林齡所用的模型中情形Fig. 5 Mathematical models used in different stand age

3 結論與討論

根據樹冠面積和林木株行間距的關系，把樹冠垂直投影模擬為橢圓，可測算林分的垂直郁閉度。樹冠投影法所測算的郁閉度值與Hemiview 冠層分析系統(tǒng)測得的郁閉度無顯著性差異，相對誤差小于6%。樹冠投影法能滿足桉樹人工林同齡純林精確調查的需要，可以推廣應用。作為一種新方法，其適用條件和優(yōu)化仍需深入研究探討，例如不同樹種的冠層厚度、疏密性會對林下光照有影響。需要在此基礎上，繼續(xù)開展相關試驗研究，以完善該方法。

多種計算林分郁閉度的方法中，通過照片測定林分冠層間隙率評估林下光照環(huán)境，具有較高的精確度，但對技術人員在拍攝、后期圖像處理上有一定的專業(yè)技能要求，適用于科研上對林下光照環(huán)境及林相結構的數據采集。發(fā)展林下種植時，林下光照條件與林下種植作物的生長、產量密切相關，需要經常性測定，通過區(qū)分不同分布情形可以做成一套基于營林數據的林分郁閉度模型，進行樣地調查獲得營林數據后，導入模型，應用Excel 等常見軟件即可獲得較為精準的郁閉度值，是一種營林工作者可以應用的林下光照判定工具，可廣泛應用于判定人工林林下經濟、林下種植的條件及林分生長情況分析。同時用模型法測算郁閉度時，每個樣組都可得到一個郁閉度值，在林下種植草珊瑚（Sarcandra glabra）、黃精（Polygonatum sibiricum）、茯苓（Poria cocos）等林藥、林菌時，需要在小尺度空間中進行林下光照環(huán)境的測定時該方法具有更大的優(yōu)勢。