李祥 朱玉杰 董希斌

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

責任編輯:張 玉。

林木冠層，是包括樹葉、枝條和層內(nèi)空氣等在內(nèi)的一個有機結(jié)構(gòu)，是森林的綠色覆蓋層［1］;它的大小、方位、形狀、生長發(fā)育情況等，都對森林生態(tài)系統(tǒng)有著重要影響［2－4］。冠層結(jié)構(gòu)，影響著森林對太陽能獲取程度;林內(nèi)光照、風速、空氣溫濕度、地表持水量、土壤溫度等，進而改變了森林微氣候，它還能夠調(diào)節(jié)植物與環(huán)境的相互作用，對動植物生存和生長都有重大影響［5］。冠層結(jié)構(gòu)的各項指數(shù)，能夠直接反映植被的生長能力，研究冠層有助于探究該地區(qū)的環(huán)境因子［6］。森林冠層結(jié)構(gòu)，作為群落外觀的可視化判斷指數(shù)，已被廣泛應(yīng)用于森林生態(tài)系統(tǒng)研究［7－8］。用材林，是木制產(chǎn)品的主要原料來源，更是林業(yè)生產(chǎn)、木材加工等行業(yè)發(fā)展的必備條件。大興安嶺林區(qū)用材林蓄積量，在我國林木總蓄積量中占有很大比例;因而，對其進行合理的擇伐，有利于森林保護和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。采伐作業(yè)能夠改變林分冠層結(jié)構(gòu)，而冠層結(jié)構(gòu)通過改變森林微氣候影響林下植被繁殖速率和土壤中分解酶活性等，進而影響森林更新苗木發(fā)育、植被覆蓋度、土壤理化性質(zhì)等。目前，國內(nèi)外對于林木冠層截留性能、冠層尺度、光合蒸騰特性等方面的研究比較多［9－10］，也有很多研究致力于果樹、農(nóng)作物冠層對產(chǎn)量的影響［11－13］;而在采伐強度對用材林冠層的影響等方面的研究還很少［14－16］。本文以大興安嶺用材林為研究對象，進行不同強度的撫育采伐作業(yè)，并對其林木冠層進行測定，探討不同撫育強度對大興安嶺用材林冠層的影響，以期為大興安嶺大面積用材林可持續(xù)生產(chǎn)經(jīng)營提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于黑龍江省大興安嶺林區(qū)新林林業(yè)局的新林林場。該林場坐落于大興安嶺山脈伊勒呼里山的東北坡。地理坐標為東經(jīng)123°41'～125°25'，北緯51°20'～52°10'。該地海拔相對較高，地勢平緩，坡度多在6°以下;土壤種類為棕色森林土，平均厚度15 cm;氣候寒冷濕潤，年平均氣溫－2.6 ℃;降水分布不均勻，多集中在7、8月份，年降水量達到513.9 mm;無霜期平均為90 d 左右;全年日照時間約為2 357 h，日照百分率為51%～56%。用材林為天然林，生長旺季為6—8月份;林分主要是興安落葉松(Larix gmelinii)，也有少量的白樺(Betula platyphylla)、樟子松(Mongolica litv)和山楊(Populus davidiana)，具體樹種比例見表1。

表1 樣地概況

2 材料與方法

樣地設(shè)置:在2008年冬季設(shè)置20 塊規(guī)格為20 m×20 m 的樣地，依次編號為1～20，其中1 號樣地未經(jīng)過采伐，作為對照;在2～20 號樣地均進行不同強度的擇伐，且只采伐興安落葉松。

實驗儀器:Winscanopy 主要組成部分包括Winscanopy 分析軟件、XLScanopy 數(shù)據(jù)處理軟件、高分辨率專業(yè)數(shù)碼相機及180°魚眼鏡頭等，Winscanopy通過由數(shù)碼相機和魚眼鏡頭拍攝的半球圖像實現(xiàn)分析。選擇興安落葉松進行實地拍攝，使用魚眼鏡頭拍攝所要研究的植被冠層，獲得半球狀的圖像;再利用Winscanopy 軟件對圖像進行處理，獲得有關(guān)植被冠層相關(guān)數(shù)據(jù)后對太陽光直射透過系數(shù)進行計算。

數(shù)據(jù)采集與處理:于2013年6月下旬，在各樣地中分別隨機選取8 棵興安落葉松，用GPS 分別測得每棵樹木的所在地點的經(jīng)緯度和海拔高度;找準正北方向后，將數(shù)據(jù)采集裝置Mini －O －Mount 7MP調(diào)平，并測量儀器鏡頭離地距離;從三到四個不同方向進行觀測，采集圖像。使用冠層分析儀Winscanopy 處理采集到的圖像，得到初步的實驗數(shù)據(jù);再用XLScanopy 對數(shù)據(jù)進行校正等預(yù)處理;最后導入Excel 和SPSS19.0 對數(shù)據(jù)進行計算處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 采伐后樣地冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)值

由表2可知:林隙分數(shù)變化范圍2.915%～7.137%，平均為5.511%;開度變化范圍3.799%～8.255%，平均為6.417%;葉面積指數(shù)變化范圍4.422～7.348，平均為5.799;葉傾角范圍14.760°～17.348°，平均為15.175°;總定點因子變化范圍0.580～0.143，平均為0.109;冠上總輻射通量22.05～22.19 mol·m－2·d－1，平均為22.11 mol·m－2·d－1;冠下總輻射通量變化范圍0.729～1.784 mol·m－2·d－1，平均為1.38 mol·m－2·d－1;冠層的光截獲通量為20.73 mol·m－2·d－1。

3.2 采伐后冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性

實驗區(qū)興安落葉松用材林冠層的林隙分數(shù)與開度相關(guān)系數(shù)達0.954，呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P ＜0.01);說明試驗樣地興安落葉松用材林冠層，植被阻隔對林隙分數(shù)影響很小。林隙分數(shù)和開度與直接定點因子、總定點因子、冠下直射輻射通量以及冠下總輻射通量，都呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜0.01)，與葉面積指數(shù)呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P ＜0.01)(見表3)。這是由于隨著林隙分數(shù)和開度增加，林分變得疏松，單位土地面積上可光合作用的綠葉面積減少，葉面積指數(shù)隨之減少，使得林地透光率增加，到達地面的太陽輻射通量增加，冠下直射輻射通量和冠下總輻射通量隨之增加;由于總太陽輻射通量不變，冠層對太陽光的截獲量減少，因而直接定點因子和總定點因子也隨之減少。

由表3可知:冠層的冠下總輻射通量與冠下直射輻射通量呈顯著正相關(guān)(P ＜0.01);而與冠下散射輻射通量相關(guān)系數(shù)為0.312，相關(guān)關(guān)系不顯著;說明直射輻射在總輻射通量中起到?jīng)Q定性作用。直接定點因子與總定點因子呈顯著正相關(guān)(P ＜0.01)，且它們均與冠下直射輻射通量及總輻射通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜0.01);間接定點因子與冠下散射輻射之間的線性相關(guān)系數(shù)達0.986，相關(guān)性極顯著(P ＜0.01);說明定點因子很大程度上能夠代表復(fù)雜的輻射通量。冠上直射、散射、總體輻射通量，兩兩之間有著顯著相關(guān)性(P ＜0.01)，但與其它冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)間沒有明顯相關(guān)關(guān)系。

表2 興安落葉松用材林冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)值

葉傾角是葉片法線與垂直方向的夾角，平均葉傾角越大，葉子越傾向直立，它能夠影響太陽光照射葉片的角度和方位［12－14］。葉傾角，與間接定點因子、冠下散射輻射有著顯著相關(guān)性(P ＜0.05)，而與葉面積指數(shù)、林隙分數(shù)、開度、直接、總體定點因子以及冠下直射、總體輻射通量等相關(guān)性均不顯著;表明葉傾角的變化，極大程度上影響著林分內(nèi)散射光透光率，而對林分疏密、光合總作用面積以及冠層對太陽光的截獲量影響不大。

表3 興安落葉松冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)性

3.3 采伐強度對冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

3.3.1 采伐強度對葉面積指數(shù)的影響

由表2可見:隨著采伐強度的增加，葉面積指數(shù)整體趨勢先增加后減小。當采伐強度在0～12.52%時，隨著采伐強度增加，葉面積指數(shù)出現(xiàn)小幅波動，且略大于對照樣地，說明較低強度的采伐對林分結(jié)構(gòu)的改良效果不明顯。當采伐強度為12.52%～19.00%時，葉面積指數(shù)隨著采伐強度的增加而迅速增加。采伐強度在19.00%～34.38%之間時，葉面積指數(shù)保持最大，且在采伐強度為20.86%時，葉面積指數(shù)達到最大值(7.137);原因是，在一定強度的采伐下，林分變得疏密均勻，結(jié)構(gòu)更為合理，林冠郁閉度減小，透過上層林冠達到中下層的光合輻射量增加，促進了林冠中下層葉片的生長，最終導致葉面積指數(shù)增加。采伐強度在34.38%～40.01%時，葉面積指數(shù)隨著采伐強度的增加而迅速下降;在采伐強度為47.87%之后，葉面積指數(shù)低于對照樣地(59.92%除外)，且下降趨勢減小。這是由于采伐強度的持續(xù)增大，使得林分稀疏，中下層林冠所受光合照射達到飽和，更多的光輻射照射到林地中，促進了灌木層植物的生長;一方面，減少了林木冠層葉片生長所需要的養(yǎng)料，另一方面，林地裸露使得林內(nèi)溫度升高，水分喪失較快等，降低了蒸騰拉力，林冠光合作用受到影響，抑制了葉片生長，因而葉面積指數(shù)減小。

3.3.2 采伐強度對林隙分數(shù)和開度的影響

由表2可見:隨著采伐強度的增加，林隙分數(shù)和開度先減小后增加。采伐強度在0～12.52%時，林隙分數(shù)和開度略小于對照樣地，且隨采伐強度增加變化不明顯;這是由于弱度采伐未能有效改良林分結(jié)構(gòu)，林冠中下層光照條件沒有明顯改善。當采伐強度在12.52%～20.86%之間時，林隙分數(shù)和開度迅速減少，并在采伐強度為20.86%時，達到最小;之后，隨著采伐強度增加而迅速增加。這是由于適度采伐改良了林內(nèi)環(huán)境，促進林木葉片生長，從而增加了林分密度，林分間隙也隨之減少;但隨著采伐強度增加，林木在采伐后生長量遠遠小于被采伐掉生物量，林分間隙也逐漸增加，因而林隙分數(shù)和開度也逐漸增加。在采伐強度達到40.01%之后，增加趨勢緩慢;這是因為采伐強度達到一定程度后，林分密度極為疏松，在180°魚眼鏡頭的拍攝范圍內(nèi)，天空部分占總圖像的比例很小，比例變化顯得很不明顯。

3.3.3 采伐強度對定點因子的影響

由表2可見:隨著采伐強度的增加，直接定點因子和總定點因子先減小后增加;原因是，采伐改變了林冠郁閉度，透過林冠達到地表的光照輻射增加，在冠上輻射通量相同的情況下，總定點因子隨著林冠透光率變化而變化。采伐強度在0～12.52%內(nèi)時，直接定點因子和總定點因子保持穩(wěn)定，且均略小于對照樣地。采伐強度在12.52%～20.86%之間時，直接定點因子和總定點因子隨著采伐強度增加而迅速減小，且在采伐強度為20.86%時，直接定點因子和總定點因子達到最小。采伐強度在20.86%～40.01%之間時，直接定點因子和總定點因子隨著采伐強度的增加而迅速增加;而當采伐強度達到40.01%之后(59.92%除外)，增加趨勢緩慢，原因是，當采伐使得林冠較為稀疏時，透過冠層的光照輻射量變化不明顯。采伐強度為20.86%時，樣地直接定點因子和總定點因子遠小于對照樣地以及其他采伐樣地。這表明，強度為20.86%的中等強度采伐更有利于林分中透光率的改善。

3.3.4 采伐強度對冠下輻射通量的影響

冠下輻射通量是太陽光穿過冠層的部分，能夠表征冠層對太陽光的截獲量。從表2可見:隨著采伐強度的增加，冠下直射、總體輻射通量，先減小后增加。采伐強度低于12.52%時，冠下直射、總體輻射略低于對照;較低強度采伐未能有效改善林分結(jié)構(gòu)，林冠疏密不均勻，因而導致林冠透光率增加，冠下輻射隨之增加。采伐強度在20.86%時，樣地內(nèi)直射輻射通量和總輻射通量達到波谷。這表明，在相同強度的太陽光輻射照射的條件下，中度采伐更有利于林冠截獲太陽光;當采伐強度大于40.01%時，過度的人工干擾使得林冠郁閉度急劇降低，因而冠下輻射也隨之增加。

4 結(jié)論與討論

應(yīng)用冠層分析儀，對不同強度采伐后興安落葉松天然用材林冠層結(jié)構(gòu)各參數(shù)指標進行了分析，結(jié)果表明:在8月中旬，各參數(shù)指標均值分別為:林隙分數(shù)5.511%、葉傾角15.175°、開度6.417%、葉面積指數(shù)5.799、總定點因子0.109、冠下總輻射通量1.380 mol·m－2·d－1;冠層對太陽光的截獲通量均值為20.73 mol·m－2·d－1。

林隙分數(shù)和開度，是冠層通光率的指標，可以用來表征光、水等環(huán)境因子通過林冠進入林內(nèi)的再分布狀況［17］;因此，在營林中，合理、精確的確定林分內(nèi)的郁閉狀況，對于森林生態(tài)研究有著重要影響。崔莉等［1］對大興安嶺白樺林、山楊林、蒙古櫟林3 種林型的冠層參數(shù)進行研究，高登濤等［18］對蘋果樹冠層光學特性進行研究，一致得出:冠層林隙分數(shù)和開度有顯著正相關(guān)性(P ＜0.01);從而說明，植被阻隔對林隙影響很小。這與本文研究結(jié)果相同。表明，采伐對冠層林隙分數(shù)和開度間相關(guān)性沒有影響;而隨著采伐強度的增加，林隙分數(shù)和開度先減小后增加。

葉面積指數(shù)，是用來表示冠層呼吸、光合和蒸騰等作用總面積的指數(shù)，它與生態(tài)系統(tǒng)蒸散量、冠層光截獲能力、總初級生產(chǎn)力等生態(tài)學重要參數(shù)指標有直接的關(guān)系［19－21］。在本文研究中，葉面積指數(shù)與林隙分數(shù)、開度、總定點因子、冠下總輻射通量，呈顯著負相關(guān)(P ＜0.01);這一結(jié)果，在崔莉等［1］對大興安嶺不同林型的冠層參數(shù)的分析比較中得以體現(xiàn)。這表明，葉面積指數(shù)與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性，不受采伐干擾的影響;但葉面積指數(shù)隨著采伐強度增加表現(xiàn)為先增大后減小。

冠下總輻射通量，能夠直觀的反應(yīng)冠層對太陽光的截獲能力;在輻射總量一定時，冠下總輻射通量越小，則冠層的光截獲量越多［15］。本研究得知，林隙分數(shù)、開度、總定點因子、冠下直射輻射通量，與冠下總輻射通量顯著正相關(guān)(P ＜0.01);葉面積指數(shù)與冠下總輻射通量顯著負相關(guān)(P ＜0.01)。這表明，興安落葉松天然用材林冠層的林隙分數(shù)、開度、總定點因子、冠下直射輻射通量、葉面積指數(shù)，對其冠層截獲光的能力影響較大。而對于不同的采伐撫育強度，冠下直射、總體輻射通量變化不同，總體上表現(xiàn)為，隨著采伐強度的增加先減小后增大;這表明，冠層的光截獲能力隨著采伐強度增加表現(xiàn)為先增加后減小。

直接定點因子與總定點因子呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)，且它們均與其他冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜0.01)。這是由于，隨著林隙分數(shù)和開度減小，林分變得疏松，單位土地面積上可光合作用的綠葉面積減少，林地透光率增加，冠層對太陽光的截獲量減少，到達地面的太陽輻射通量增加;而總太陽輻射通量不變，因而定點因子也隨之減少。表明，定點因子在很大程度上能夠表示冠層接受的光強輻射量;而這與撫育采伐強度有著密切聯(lián)系，隨著采伐強度增加，直接和總體定點因子先減小后增加。

葉傾角對太陽光照射葉片的角度和方位有很大影響［14－15］。在本研究中，葉傾角與冠下散射輻射通量和間接定點因子都有著顯著正相關(guān)(P ＜0.05)，而與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)無顯著相關(guān)性;因此也對興安落葉松天然用材林冠層的光截獲能力無明顯影響。這一研究結(jié)果，與高登濤等［18］對蘋果樹冠層光學特性的研究中結(jié)果類似。且葉傾角基本保持穩(wěn)定，不受撫育強度大小的影響;其原因可能是受到研究對象是針葉樹種的影響，或者針葉樹種葉片在觀測時期處于完全舒展狀態(tài)［22－23］，興安落葉松生長完全，葉傾角變化不明顯等。在采伐強度為20.86%的樣地內(nèi)，用材林冠層林隙分數(shù)、開度、冠下總輻射通量均為最小，而其葉面積指數(shù)和冠層對光截獲通量最大。這是因為，適當采伐使得林分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原先互相重疊、遮蔽的枝葉減少，樹冠中下層受光面積增大，為樹冠的生長創(chuàng)造了有利條件。另外，撫育改造后土壤理化性質(zhì)的改善也可能是促進林冠生長的重要原因。有研究發(fā)現(xiàn)，19.00%～23%的撫育采伐強度，更有利于大興安嶺天然用材林土壤化學性質(zhì)的改善［24－25］;趙朝輝等［26］研究得出，適當間伐能夠改變林內(nèi)微環(huán)境，提高土壤肥力。此外，由于采伐引起的林中水文變化，也可能是造成冠層各個參數(shù)不同的重要原因。李超等［27］研究發(fā)現(xiàn)，采伐對林地枯落物持水性產(chǎn)生影響。至于更多的影響因素還有待進一步試驗和論證。

［1］ 崔莉，董希斌，宋啟亮，等.大興安嶺低質(zhì)林不同林型主要樹種冠層分析與比較［J］.東北林業(yè)大學學報，2013，41(9):1 －5.

［2］ 鮑文，包維楷，何丙輝，等.森林生態(tài)系統(tǒng)對降水的分配與攔截效應(yīng)［J］.山地學報，2004，22(4):483 －491.

［3］ 余敏.山西靈空山林分冠層結(jié)構(gòu)與草本植物群落分析［D］.北京:北京林業(yè)大學，2013.

［4］ 李佳.酸雨脅迫下典型森林群落的冠層淋溶規(guī)律及其對土壤化學性質(zhì)的影響研究［D］.北京:北京師范大學，2010.

［5］ 劉曉東，朱春全，雷靜品，等.楊樹人工林冠層光合輻射分布的研究［J］.林業(yè)科學，2000，36(3):2 －7.

［6］ 孫婧，王剛，孟艷瓊，等.不同環(huán)境下黃山杜鵑光合特性及其與主要環(huán)境因子的關(guān)系［J］.東北林業(yè)大學學報，2013，41(3):9－12.

［7］ 李崇巍，劉世榮，孫鵬森，等.岷江上游植被冠層降水截留的空間模擬［J］.植物生態(tài)學報，2005，29(1):60 －67.

［8］ 徐麗宏，時忠杰，王彥輝，等.六盤山主要植被類型冠層截留特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學報，2010，21(10):2487 －2493.

［9］ 許文滔，趙平，王權(quán)，等.基于樹干液流測定值的馬占相思(Acacia mangium)冠層氣孔導度計算及數(shù)值模擬［J］.生態(tài)學報，2007，27(10):4122 －4131.

［10］ 宋文龍，楊勝天，溫志群，等.貴州典型森林群落植被冠層的酸雨淋溶特征及緩沖作用［J］.環(huán)境科學學報，2010，30(1):15 －23.

［11］ 劉寧，孫鵬森，劉世榮.陸地水－碳耦合模擬研究進展［J］.應(yīng)用生態(tài)學報，2012，23(11):3187 －3196.

［12］ 霍宏，王傳寬.冠層部位和葉齡對紅松光合蒸騰特性的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學報，2007，18(6):1181 －1186.

［13］ 時忠杰，張寧南，何常清，等.桉樹人工林冠層、凋落物及土壤水文生態(tài)效應(yīng)［J］.生態(tài)學報，2010，30(7):1932 －1939.

［14］ 張彌，關(guān)德新，吳家兵，等.植被冠層尺度生理生態(tài)模型的研究進展［J］.生態(tài)學雜志，2006，25(5):563 －571.

［15］ 邱建麗，李意德，陳德祥，等.森林冠層結(jié)構(gòu)的生態(tài)學研究現(xiàn)狀與展望［J］.廣東林業(yè)科技，2008，24(1):75 －82.

［16］ 李德志，臧潤國.森林冠層結(jié)構(gòu)與功能及其時空變化研究進展［J］.世界林業(yè)研究，2004，17(3):12 －16.

［17］ 劉立鑫.應(yīng)用冠層分析儀對天然次生林冠層結(jié)構(gòu)及光照分布的研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學，2009.

［18］ 高登濤，韓明玉，李丙智，等.冠層分析儀在蘋果樹冠結(jié)構(gòu)光學特性方面的研究［J］.西北農(nóng)業(yè)學報，2006，15(3):166－170.

［19］ Chen J M，Cihlar J.Retrieving leaf area index of boreal coniferforests using Landsat TM images［J］.Remote Sensing of Environment，1996，55(2):153 －162.

［20］ Chason J W，Baldocchi D D，Huston M A.A comparison of directand indirect methods for estimating forest canopy leaf area［J］.Agricultural and Forest Meteorology，1991，57(1):107－128.

［21］ 李軒然，劉琪璟，蔡哲，等.濕地松林葉面積指數(shù)測算［J］.生態(tài)學報，2006，26(12):4099 －4105.

［22］ 劉志理，金光澤.小興安嶺三種林型葉面積指數(shù)的估測［J］.應(yīng)用生態(tài)學報，2012，23(9):2437 －2444.

［23］ Watson D J.Comparative physiological studies on the growth of field crops(I):Variation in net assimilation rate and leaf area between species and varieties，and within and between years［J］.Annals of Botany，1947，11(1):41 －76.

［24］ 高明，朱玉杰，董希斌，等.撫育間伐對小興安嶺用材林土壤化學性質(zhì)的影響［J］.東北林業(yè)大學學報，2013，41(10):14 －18，39.

［25］ 崔莉，朱玉杰，董希斌.集對分析法在大興安嶺用材林土壤養(yǎng)分評價中的應(yīng)用［J］.森林工程，2014，30(1):9 －13.

［26］ 趙朝輝，方晰，田大倫，等.間伐對杉木林林下地被物生物量及土壤理化性質(zhì)的影響［J］.中南林業(yè)科技大學學報，2012，32(5):102 －107.

［27］ 李超，董希斌，宋啟亮.大興安嶺白樺低質(zhì)林皆伐改造后枯落物水文效應(yīng)［J］.東北林業(yè)大學學報，2013，41(10):23 －27.