孫同高，李麗冰，張亨，許煉烽，陳紅躍

1. 華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東 廣州，510642；2. 環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州，510655；3. 廣州市從化區(qū)城郊街道辦事處，廣東 廣州，510900；4. 廣州普邦園林股份有限公司，廣東 廣州，510600

y為條件屬性的數(shù)值（鐘嘉鳴等，2008；張樂文等，2010），進而為中山地區(qū)的城市綠化和造林篩選出生長和適應(yīng)性均表現(xiàn)優(yōu)良的鄉(xiāng)土樹種。

基于粗糙集的林木水分生理和冠層結(jié)構(gòu)對凈光合速率的影響研究

孫同高1, 2，李麗冰1, 3，張亨1, 4，許煉烽2，陳紅躍1*

1. 華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東 廣州，510642；2. 環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州，510655；3. 廣州市從化區(qū)城郊街道辦事處，廣東 廣州，510900；4. 廣州普邦園林股份有限公司，廣東 廣州，510600

摘要：對廣東省中山市30個鄉(xiāng)土樹種的冠層結(jié)構(gòu)、水分生理及光合作用3種生態(tài)特性指標進行測定分析，結(jié)果表明：自然飽和虧、凈光合速率、蒸騰速率、瞬時水分利用率、葉面積指數(shù)和林下透光率均在各樹種間存在顯著差異（P<0.01）。自然飽和虧上升幅度為21.23%；蒸騰速率、瞬時水分利用率和凈光合速率三者的變化幅度分別為2.35 g·m-2·h-1、15.10 g·kg-1和7.96 μmol·m-2·s-1；葉面積指數(shù)和透光率二者的變化幅度分別為3.57 mol·m2·s-1·d-1和30.69%。自然飽和虧、蒸騰速率、瞬時水分利用率、葉面積指數(shù)和林下透光率都對樹種凈光合速率有較大影響，重要性分別為0.23、0.20、0.13、0.06、0.06?；诖植诩牧帜舅稚砗凸趯咏Y(jié)構(gòu)特性指標對凈光合速率的綜合影響力得分排序為合果木（Paramichelia baillonii）>鐵刀木（Cassia siamea）>黃桐（Endospermum chinense）>觀光木（Michelia odora)>山杜英（Elaeocarpus sylvestris）>大葉木蓮（Manglietia megphylla）>雙翼豆（Peltophorum pterocarpum）>黃樟（Cinnamomum porrectum）>苦梓含笑（Michelia balansae）>寶華玉蘭（Magnolia zenii）>紅花玉蘭（Magnolia wufengensis）>鐵冬青（Ilex rotunda）>竹節(jié)樹（Carallia brachiata）>云南擬單性木蘭（Parakmeria yunnanensis）>火力楠（Michelia macclurei）>五月茶(Antidesma bunius）>顯脈杜英（Elaeocarpus dubius）>白蘭（Michelia alba）>天竺桂（Cinnamomum japonicum）>樂昌含笑(Michelia chapensis）>黃蘭（Michelia champaca）>紅花玉蕊（Barringtonia racemosa）>亮葉含笑（Michelia fulgens）>魚木（Crateva formosensis）>二喬木蘭（Magnolia soulangeana）>水翁（Cleistocalyx perculatus）>海南木蓮（Manglietia hainanensis）>灰絨含笑（Michelia foveolata）>深山含笑（Michelia maudiae）>樂東擬單性木蘭（Parakmeria lotungensis）。

關(guān)鍵詞：水分生理；光合作用特性；冠層結(jié)構(gòu)；粗糙集

引用格式：孫同高，李麗冰，張亨，許煉烽，陳紅躍. 基于粗糙集的林木水分生理和冠層結(jié)構(gòu)對凈光合速率的影響研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(7): 1137-1142.

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水分對植物的生長具有重要影響，各國專家都在開展水分生理指標的測定，并依此進行樹種評價和篩選（宋麗華等，2009；張和喜等，2013；何丹丹等，2014）。林木冠層是林木與外界環(huán)境最相關(guān)的部分（鄭元等，2010），是光合作用發(fā)生的主要場所，是森林生產(chǎn)力的基礎(chǔ)（鐘泳林等，2014）。因此，合理的水分、冠層結(jié)構(gòu)對林木的光合作用有及其重要的影響，在提高生物量生產(chǎn)方面具有重要作用。

粗糙集理論（Rough Set）是在1982年由波蘭數(shù)學家Pawlak（1982）提出的。作為客觀賦權(quán)法的一種，粗糙集理論在保持不變的分類能力的前提下，通過將知識約簡（Kang et al.，2013），從而得到相應(yīng)問題的分類規(guī)則與決策規(guī)則（王國胤等，2009；Yan et al.，2014）。目前，基于粗糙集理論的研究應(yīng)用于多個方面，包括計算機領(lǐng)域（Zhang et al.，2013）、電力領(lǐng)域（束洪春等，2004）和礦產(chǎn)領(lǐng)域（邵良杉，2009；蔣復(fù)量等，2009）等，但是基于粗糙集理論對鄉(xiāng)土樹種評價的領(lǐng)域幾乎是空白。凈光合速率是非常重要的光合效率指標，是反映光合功能狀況的基本參數(shù)（裴斌等，2013），反映了光合作用全過程的效率（呼和牧仁等，2009），因此，可以將林木其他類型的指標轉(zhuǎn)化為對其凈光合速率的影響，這樣可以更合理，更客觀的表達林木生產(chǎn)力的狀況（熊彩云等，2012），建立樹種評價和篩選的體系。

基于粗糙集的生態(tài)特性評價首先需要獲得權(quán)重的分配，但權(quán)重確定往往難以把握（王廣月等，2009），常見的層次分析法、德爾菲法等，通常以決策者的先驗知識為基礎(chǔ)，主觀因素較大（姜長虹等，2008）；而粗糙集可以通過分析剩余知識的重要程度，較為客觀地求出權(quán)重分配（柳炳祥等，2007）。本研究通過測定30個鄉(xiāng)土樹種的冠層結(jié)構(gòu)、水分生理及光合作用指標，包括自然飽和虧、蒸騰速率（Tr）、瞬時水分利用率（WUE）、葉面積指數(shù)（LAI）、林下透光率和凈光合速率（Pn）等，采用粗糙集理論，通過多個生態(tài)影響因子，定量討論各指標對林木凈光合速率的影響程度，為建立一個合理、客觀，又能夠全面系統(tǒng)描述中山市綠化樹種基本性狀的城市綠化鄉(xiāng)土樹種評價指標體系提供參考依據(jù)。

1　材料和方法

1.1試驗地概況

研究地點為中山市中山樹木園（N22°11′～22°47′，E113°09′～E113°46′），全年最熱為7月，日均溫度28.4 ℃；最冷為1月，日均溫度13.2 ℃，年平均降水量為1791.3 mm，屬于典型的南亞熱帶海洋性季風氣候。經(jīng)過漫長的氣候變化和風雨侵蝕，中山市形成了以沖積平原為主，低山丘陵臺地錯落其間的水鄉(xiāng)地形地貌（林俊新等，2013）。

1.2試驗材料

研究材料為中山市中山樹木園內(nèi)的30個鄉(xiāng)土樹種，隸屬于10個科，18個屬，包括：天竺桂Cinnamomum japonicum、鐵冬青Ilex rotunda、山杜英Elaeocarpus sylvestris、黃樟Cinnamomum porrectum、雙翼豆Peltophorum pterocarpum、水翁Cleistocalyx perculatus、魚木Crateva formosensis、竹節(jié)樹Carallia brachiata、五月茶Antidesma bunius、黃桐Endospermum chinense、大葉木蓮Manglietia megphylla、海南木蓮Manglietia hainanensis、灰絨含笑Michelia foveolata、白蘭Michelia alba、黃蘭Michelia champaca、亮葉含笑Michelia fulgens、苦梓含笑Michelia balansae、樂昌含笑Michelia chapensis、二喬木蘭Magnolia soulangeana、深山含笑Michelia maudiae、云南擬單性木蘭Parakmeria yunnanensis、觀光木Michelia odora、紅花玉蕊Barringtonia racemosa、紅花玉蘭Magnolia wufengensis、樂東擬單性木蘭Parakmeria lotungensis、合果木Paramichelia baillonii、火力楠Michelia macclurei、寶華玉蘭Magnolia zenii、顯脈杜英Elaeocarpus dubius、鐵刀木Cassia siamea。

1.3試驗內(nèi)容和方法

1.3.1樹冠結(jié)構(gòu)測定

利用WinScanopy植物冠層分析系統(tǒng)（加拿大）配套的Nikon Coolpix 4500數(shù)碼相機，外接Nikkor FC-E8魚眼鏡頭（180°），分別在研究樣地中拍攝林冠層半球面影像，每個樣地隨機選5個點拍照，并用1600×1200分辨率，按低壓縮比率（1∶4）的JPEG圖像格式保存照片（區(qū)余端等，2012；段文標等，2013）。因為這種設(shè)置不會對后續(xù)相關(guān)參數(shù)的分析產(chǎn)生影響，又不至于使圖像文件太大。本研究共采集了30個鄉(xiāng)土樹種的半球面照片，用Gap Light Analyzer Version 2.0（GLA）軟件對照片進行處理與分析，得到葉面積指數(shù)和林下透光率等指標（胡理樂等，2009）。

1.3.2葉片自然飽和虧的測定

選擇晴或晴間多云的天氣，在13:00─14:00時取各樣株3～5片正常無病蟲害的功能葉，取樣后及時測定鮮重，然后帶回室內(nèi)測定烘干恒重（80 ℃），確定自然含水率；再通過飽和含水率確定自然飽和虧（薛敏等，2011）。葉片自然飽和虧的計算公式如下：

式中：Wt─飽和鮮重（g）；Wf─初始鮮重（g）；Wd─干重（g）。

1.3.3瞬時光合特征測定

于2014年6月天氣晴朗的上午9:00─11:30時，每個樹種各挑選3株長勢相近的樣木，每株選取樹冠中部3片當年生成熟葉片進行活體測定，測定葉片選取的朝向一致，采用Li-Cor6400光合儀測定葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、瞬時水分利用率（WUE）等相關(guān)參數(shù)（高鶴等，2010；張毅龍等，2014），光源為儀器的紅藍光，光照強度800 μmol·m-2·s-1，測定溫度設(shè)為35 ℃，測定的最小匹配時間為120 s，最大匹配時間為200 s。氣源為試驗區(qū)2 m以外的空氣，每次記錄9個數(shù)據(jù)（趙曦陽等，2011）。

1.3.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel 2003和SAS 8.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析（康敏明等，2006；廖柏勇等，2011）。

1.3.5基于粗糙集理論的樹種綜合評價

本研究設(shè)置5個光合特性指標為條件屬性因子，依次為：C1（自然飽和虧）、C2（蒸騰速率）、C3（瞬時水分利用率）、C4（葉面積指數(shù)）、C5（林下透光率）；以凈光合速率（D）作為決策屬性的一個因子，分別劃分為4個等級，得到樹種各指標知識表達系統(tǒng)。根據(jù)粗糙集屬性約簡原理對知識表達系統(tǒng)進行約簡，得到各條件屬性對決策屬性的依賴度（rCi(D)=|posCi(D)|/|U|）、重要性（σCD(Ci)=rC(D)-r {C-C }(D)）、客觀權(quán)重：

最后得出各指標對林木凈光合作用的影響力得分值：

y為條件屬性的數(shù)值（鐘嘉鳴等，2008；張樂文等，2010），進而為中山地區(qū)的城市綠化和造林篩選出生長和適應(yīng)性均表現(xiàn)優(yōu)良的鄉(xiāng)土樹種。

2　結(jié)果與分析

2.1方差分析

30個樹種的6個評價指標如表1所示。方差分析表明，自然飽和虧、凈光合速率、蒸騰速率、瞬時水分利用率、葉面積指數(shù)和林下透光率均在各樹種間存在顯著差異（P<0.01）。各測定指標在樹種間的變化幅度各不相同，自然飽和虧以深山含笑最小，為8.08%，大葉木蓮的最大，為29.31%，后者相對提高了21.23%；蒸騰速率、瞬時水分利用率和凈光合速率三者的變化幅度分別為2.35 g·m-2·h-1、15.10 g·kg-1和7.96 μmol·m-2·s-1；葉面積指數(shù)和透光率二者的變化幅度分別為3.57 mol·m2·s-1·d-1和30.69%。

表1　樹種的評價指標Table 1 Evaluation parameters of tree species

2.2基于粗糙集的生態(tài)影響評價

各指標按照表2的原則進行劃分，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)粗糙集的屬性約簡原理，對知識表達系統(tǒng)進行運算處理，結(jié)果如下：

k=rC(D)=|posC(D)|/|U|=28/30=0.93，所以D部分依賴于C（依賴度為0.93）。

kC1=r{C-C1}(D)=|pos{C-C1}(D)|/|U|=21/30=0.70<0.93，所以D部分依賴于C1（依賴度為0.70）；

kC2=r{C-C2}(D)=|pos{C-C2}(D)|/|U|=22/30=0.73 <0.93，所以D部分依賴于C2（依賴度為0.73）；

kC3=r{C-C3}(D)=|pos{C-C3}(D)|/|U|=24/30=0.80 <0.93，所以D部分依賴于C3（依賴度為0.80）；

kC4=r{C-C4}(D)=|pos{C-C4}(D)|/|U|=26/30=0.87 <0.93，所以D部分依賴于C4（依賴度為0.87）；

kC5=r{C-C5}(D)=|pos{C-C5}(D)|/|U|=26/30=0.87 <0.93，所以D部分依賴于C5（依賴度為0.87）；

各條件屬性Ci（i=1, 2, 3, 4, 5）關(guān)于D的重要性的計算過程如下：

δCD(C1)=rC(D)-r{C-C1}(D)=0.93-0.70=0.23；δCD(C2)=rC(D)-r{C-C2}(D)=0.93-0.73=0.20；

δCD(C3)=rC(D)-r{C-C3}(D)=0.93-0.80=0.13；δCD(C4)=rC(D)-r{C-C4}(D)=0.93-0.87=0.06；

δCD(C5)=rC(D)-r{C-C5}(D)=0.93-0.87=0.06。

表2　評價因子等級的劃分標準Table 2 Standard for classifying evaluation factor degrees

表3　樹種生態(tài)特性知識表達系統(tǒng)Table 3 Knowledge representation system for ecological characteristics of tree species

表4　各樹種綜合得分Table 4 The comprehensive score of each tree species

由以上結(jié)果可知，光合速率D對自然飽和虧C1、蒸騰速率C2、瞬時水分利用率C3、葉面積指數(shù)C4、林下透光率C5均部分依賴，C1、C2、C3、C4、C5都為D的重要指標，重要性分別為0.23、0.20、0.13、0.06、0.06，沒有任何一個屬性為冗余屬性，不可約簡刪除，這說明自然飽和虧、蒸騰速率、瞬時水分利用率、葉面積指數(shù)和林下透光率都對樹木凈光合速率有較大影響，其貢獻不可忽略。

根據(jù)運算結(jié)果，代入客觀權(quán)重公式可以計算出各指標的客觀權(quán)重：qC1=0.34，qC2=0.29，qC3=0.19，qC4=qC5=0.09，代入綜合判定式為：M=0.34×yC1+ 0.29×yC2+0.19×yC3+0.09×yC4+0.09×yC5。應(yīng)用綜合判定式得到30個試驗樹種的自然飽和虧C1、蒸騰速率C2、瞬時水分利用率C3、葉面積指數(shù)C4、林下透光率C5、凈光合速率D的綜合影響力，并對其排序，如表4。

由表4可知，中山市30個鄉(xiāng)土樹種的自然飽和虧、蒸騰速率、瞬時水分利用率、葉面積指數(shù)和林下透光率對凈光合速率的綜合影響力得分超過3.0的只有合果木、鐵刀木、黃桐這3個樹種，其中合果木得分最高，達3.44分。其余大部分樹種的綜合影響力得分在2.0～3.0分之間，魚木、二喬木蘭等7個樹種的綜合影響力得分低于2.0分，又以樂東擬單性木蘭的綜合影響力得分最低，僅為1.75。

3　結(jié)論與討論

3.1討論

除了本研究中所運用的自然飽和虧、蒸騰速率、瞬時水分利用率、葉面積指數(shù)和林下透光率等指標之外，還有很多評價指標例如植物的抗逆性指標（溫陽等，2006；馮志堅等，2014），觀賞價值指標（曾憲鋒等，2009；童麗麗等，2010）均可以作為鄉(xiāng)土樹種選育的評價因子，這些指標都從一定程度上反應(yīng)了該樹種的優(yōu)良特性。然而，不同的評價因子對樹種的重要值并不相同，如何篩選評價指標，如何確定評價指標的權(quán)重尤為重要。樹種的評價指標是多樣的，本研究采用自然飽和虧、蒸騰速率、瞬時水分利用率、葉面積指數(shù)、林下透光率和凈光合速率等指標，是否能最準確反映樹種的特性，還有待進一步的研究。

3.2結(jié)論

研究結(jié)果表明，參試的30個樹種中，林木水分生理和冠層結(jié)構(gòu)特性指標對凈光合速率的綜合影響力得分排名最高的3個樹種，其單項評價指標的得分也較高，如綜合影響力得分最高的合果木，其自然飽和虧的數(shù)值為25.98%，凈光合速率為10.93 μmol·m-2·s-1，均居于30個樹種的前列；而合果木的蒸騰速率、葉面積指數(shù)、林下透光率、瞬時水分利用率的數(shù)值均處于30個樹種的上游水平。因此，可以得出林木的自然飽和虧、蒸騰速率、瞬時水分利用率、葉面積指數(shù)和林下透光率對凈光合速率的綜合影響力得分基本和樹種的各項評價指標得分基本呈正相關(guān)的結(jié)論，凈光合速率可以作為評判林木生長的最有效、最直觀的指標。

本研究用粗糙集理論得出的林木水分生理和冠層結(jié)構(gòu)對凈光合速率的綜合影響力得分排名和依據(jù)各個單項指標的排名并不相同，但是總體上跟單項指標的排名呈正相關(guān)，該理論比依賴專家意見進行評價的其它方法（如層次分析法等）更為客觀，用于鄉(xiāng)土樹種生態(tài)特性評價的結(jié)果更加真實可靠。

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Study on the Effects of Tree Moisture Physiology and Canopy Structure on Net Photosynthesis Photosynthetic Rate Based on the Rough Set Theory

SUN Tonggao1, 2, LI Libing1, 3, ZHANG Heng1, 4, XU Lianfeng2, CHEN Hongyue1*
1. College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. South China Institute of Environmental Sciences, MEP, Guangzhou 510650, China; 3. Chengjiao Sub-district Office in Conghua District, Guangzhou 510900, China; 4. Pubang Landscape Architecture Co., Ltd., Guangzhou 510600, China

Abstract:Data of ecological characteristics including the photosynthesis, canopy structure and water physiological of 30 native species in Zhongshan city of Guangdong province were collected and compared in this study and a comprehensive evaluation was carried out with variance analysis and rough set theory. The results indicated that there were significant differences of natural saturation deficit, net photosynthetic rate, transpiration rate, instantaneous water use efficiency, leaf area index and transmittance among different tree species (P<0.01). Natural saturation deficit increased by 21.23%; Transpiration rate, instantaneous water use efficiency and net photosynthetic rate increased by 2.35 g·m-2·h-1, 15.10 g·kg-1and 7.96 μmol·m-2·s-1; Leaf area index and transmittance increased by 3.57 mol·m2·s-1·d-1and 30.69%. Natural saturation deficiency, transpiration rate, instantaneous water use rate, leaf area index and understory light transmittance showed great influence on net photosynthetic rate with the importance of 0.23, 0.20, 0.13, 0.06 and 0.06. Based on the rough set theory, comprehensive influence score of moisture physiology and canopy structure on net photosynthesis photosynthetic rate ranked from high to low were Paramichelia baillonii > Cassia siamea > Endospermum chinense > Michelia odora > Elaeocarpus sylvestris > Manglietia egphylla > Peltophorum pterocarpum > Cinnamomum porrectum > Michelia balansae > Magnolia zenii > Magnolia wufengensis > Ilex rotunda > Carallia brachiate > Parakmeria yunnanensis > Michelia macclurei > Antidesma bunius > Elaeocarpus dubius > Michelia alba > Cinnamomum japonicum > Michelia chapensis > Michelia champaca > Barringtonia racemosa > Michelia fulgens > Crateva formosensis > Magnolia soulangeana > Cleistocalyx perculatus > Manglietia hainanensis > Michelia foveolata > Michelia maudiae > Parakmeria lotungensis.

Key words:water physiology; photosynthetic characteristics; canopy structure; rough set

收稿日期：2015-06-09

*通信作者：陳紅躍（1964年生），男，教授，博士，主要從事森林培育研究。E-mail: chenhongyuetz@126. com

作者簡介：孫同高（1990年生），男，碩士研究生，主要從事森林培育研究。E-mail: stonggao@163.com

基金項目：廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項目（2014KJCX015）；中山市科技基金資助項目（4400-H13527）

中圖分類號：Q945.79

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）07-1137-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.010