歷胤男 劉盛 李國偉 劉慶忠

(北華大學，吉林，132013)

?

落葉松人工林冠下光環(huán)境對更新幼樹生長的影響1)

歷胤男 劉盛 李國偉 劉慶忠

(北華大學，吉林，132013)

采用冠層分析系統(tǒng)對落葉松人工林冠下人工更新落葉松幼樹的光環(huán)境進行了調查。依據調查數據分析了直射光指數、散射光指數、綜合光指數與幼樹死亡率、樹高生長量和地徑生長量的關系，結果表明：所選3個光照指數大小對落葉松幼樹死亡率、樹高和地徑生長量均有顯著影響，冠下落葉松幼樹死亡率隨光照指數的增大而減小，樹高和地徑生長量隨光照指數的增大而增大。光照指數在小于0.25時，死亡率最高，樹高和地徑生長量處于最低水平；當直射光指數和綜合光指數在0.25～0.45時，是落葉松幼樹在林下維持生存的基本光照平衡區(qū)間；在大于0.45時，幼樹的保存率和生長表現出了旺盛的狀態(tài)，說明落葉松在林冠下更新造林的直射光指數和綜合光指數不應小于0.45。3個光照指數之間沒有顯著的好壞差別，呈現了相同的規(guī)律性。只是對于幼樹死亡率的影響，散射光指數不如直射光指數敏感，同時也說明直射光對于幼樹的生存具有更重要的意義。

落葉松人工林；冠下更新；光照指數；死亡率；生長量

Using canopy analysis system (HemiView) under canopy of artificial regeneration artificial larch, we investigated the sapling light environment. According to the survey data we analyzed the direct light index (DSF), light scattering index (ISF), integrated optical index (GSF) and sapling mortality, tree height growth quantity and diameter growth. The three selected light index sizes of larch sapling mortality, tree height and diameter growth were significantly affected. Under the canopy of larch, the sapling mortality was decreased with the increase of light index, the growth of tree height and ground diameter was increased with the increase of the index of light. Under the light index of less than 0.25, there was the highest mortality, tree and lowest height and diameter growth. When the direct light index and comprehensive index were in 0.25-0.45, the light was in forest survive basic lighting balance interval for larch sapling. When light index was greater than 0.45, the survival rate and growth of young trees showed a strong state, indicating that larch under the canopy of reforestation direct light index and comprehensive index should not be less than 0.45. For stand and fall, there was no significant difference between three light indexes with the same regularity. For the mortality rate of young trees, the sensitive effect of ISF was less than DSF, indicating that direct light was important in the survival of the young trees.

中國人工林面積已居世界首位[1]，占全國森林面積的20%；在我國東北林區(qū)，落葉松(Larixolgensis)是人工更新的主要樹種[2]，到目前為止，在所有人工造林樹種中的保有面積是最大的。長期的人工林經營使人們發(fā)現，大面積的人工純林存在很多弊端[3]，如群落結構簡單、缺乏生物多樣性、林地退化、病蟲害嚴重等[4]。

對于進入主伐年齡的人工林，目前的經營方式主要是皆伐，然后在皆伐跡地上再造林，這種主伐方式易造成水土流失；在環(huán)境條件較好的地方，光環(huán)境的巨大變化使林地上的雜草迅速生長，由于造林幼樹的高生長速度趕不上雜草，使造林幼樹被雜草欺死的現象普遍存在，造林保存率不高，形成了大量的人天混林分。同時，這種主伐方式一般需要撫育3 a，多采用3-2-1撫育方式，增加了人工撫育的成本。因此，在大量人工林陸續(xù)進入主伐年齡的今天，探討人工林經營方式，特別是主伐利用方式是我國東北林區(qū)仍至全國面臨的重要課題。

在近自然森林經營理念等現代森林經營理論的影響下，我國對人工林的近自然經營也進行了大量的研究探索，形成了一定的共識，即對成過熟的人工林進行擇伐后，在其林冠下再造人工林，由于上層林冠的庇蔭，林地光環(huán)境不致于變化劇烈，為下層造林幼樹的生長提供了保護，避免了上述人工林主伐利用所產生的弊端。逐步將單層的人工同齡純林改造成復層異齡林或復層異齡混交林，并最終向近自然的天然林相轉變[5]。

在人工林冠下再造林時，林下光環(huán)境是林冠下造林幼樹生長、發(fā)育的重要限制性因子[6]。上層林冠結構對光的透射、反射和吸收有很大的影響，并且改變著光照的成分[7]。冠下光照可分為直射光(穿過林冠空隙直接照射到林下的光)和散射光(從任意方位反射到林下的光)[8]。林冠結構的不同導致了直射光和散射光對林下總光照貢獻率不同[9-10]，從而對林冠下幼樹的生長產生不同的影響。目前,對林冠下光照強度的研究存在一定的局限性，如光照指標的選擇較為單一，光照強度多為間接測定，準確程度不高等[11]。近年來，一種基于半球面影像技術的冠層分析系統(tǒng)使林分光環(huán)境研究進入到了精確定量研究的階段，通過野外數碼取樣，然后在專用軟件中進行分析，它可以準確、方便地確定林分光輻射與冠層結構參數，并且具有良好的穩(wěn)定性和精確度[12]。

本文運用冠層分析系統(tǒng),對吉林蛟河落葉松人工林冠下的光環(huán)境結構特性進行了分析，共測定了483株落葉松冠下更新幼樹的直射光指數、散射光指數和綜合光指數[13]，并分析了這3個光照指數與冠下更新幼樹的生長之間的關系，為探索人工林冠下更新幼樹的生長和存活條件問題，研究更新幼樹對冠下光環(huán)境的響應提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗地選在吉林省蛟河林業(yè)實驗區(qū)管理局葦塘溝，行政區(qū)域位于蛟河市東北部42 km處的前進鄉(xiāng)境內，地理坐標為北緯43°51′～44°05′，東經127°35′～127°51′。屬長白山系張廣才嶺西南坡余脈，海拔高度在330～1 176 m，該區(qū)多為中山低山地貌，屬于溫帶大陸性季風氣候，全區(qū)年均氣溫4.1 ℃，最低平均氣溫為-31.8 ℃，最高平均氣溫為29.5 ℃，年平均降水量為723.2 mm，土壤類型主要以暗棕壤為主，表土層厚度平均為20 cm，土壤比較肥沃，利于森林植被生長。轄區(qū)內植被屬長白山植物區(qū)系，原地帶性頂極群落為紅松闊葉林，主要林分類型為天然針闊混交林。

2 材料與方法

選擇林地平坦，立地條件一致的近成熟落葉松人工林2.0 hm2，2014年1月對試驗地進行了擇伐，2014年4月在林冠下選取苗齡、遺傳性狀一致的人工落葉松幼樹進行栽植。試驗地上層落葉松林的平均直徑22.4 cm，平均樹高19.6 m；下層栽植長白落葉松幼樹483株，苗齡2 a，平均苗高40 cm，苗木地徑平均值為0.6 cm，造林株行距1.5 m×2.0 m。在栽植前對冠下更新試驗地進行了清林，并于2014、2015年的7月調查了試驗地冠下栽植幼樹的成活情況、樹高生長量、地徑生長量。

冠下光環(huán)境指標的測定：2014年8月末在試驗地內，應用冠層分析儀(Nikon Coolpix 8400型數碼相機+180°魚眼鏡頭)，對在落葉松人工林冠下栽植的483株幼樹的上方天空全部進行了拍攝，獲取幼樹的半球形數碼圖像，將所拍攝圖像輸入到計算機上(如圖1)，應用HemiView軟件逐一分析幼樹得到了多個光環(huán)境指標，從中選用了有代表性的3個光環(huán)境指標，即直射光指數(冠下直射光輻射與冠上直射光輻射的比值)、散射光指數(冠下散射光輻射與冠上散射光輻射的比值)、綜合光指數(冠下總光輻射與冠上總光輻射的比值)。本文通過光照指數值來表示光照強度，光照指數值小，表示光照較弱；光照指數值大，表示光照較強。

圖1 HemiView冠層分析儀獲取的造林幼樹上方光環(huán)境圖像

數據的處理：為了便于統(tǒng)計分析，對HemiView軟件計算得到的3個光照指數(I)分別按I≤0.25，0.25

3 結果與分析

3.1 冠下光照指數與長白落葉松死亡率的關系

調查結果顯示，在落葉松人工林冠下栽植落葉松幼樹共計483株，其中，成活幼樹總數336株，死亡幼樹147株，栽植的第1、2年分別有68株和79株幼樹死亡。落葉松幼樹的2 a保存率為69.57%，死亡率30.43%，其中,第1年死亡幼樹數量占死亡幼樹總數量的46.26%，第2年死亡幼樹數量占死亡幼樹總數量53.74%。

由表1可知，從死亡率的綜合趨勢來看，隨著光照指數的增大，落葉松幼樹的死亡率總體呈下降趨勢，這說明落葉松在冠層下的耐蔭性較差，光照是制約落葉松冠下造林苗木成活的關鍵因素之一。

對落葉松幼樹的死亡率按光照強度進行區(qū)間統(tǒng)計發(fā)現：綜合光指數I≤0.25時，死亡率最高，占死亡總數的66.67%，綜合光指數在0.25～0.45時死亡率趨于平緩，綜合光指數在大于0.45之后，死亡率大大降低，不足10%。按直射光指數區(qū)間分的落葉松幼樹死亡率趨勢與綜合光指數相同。按散射光指數區(qū)間分：散射光指數小于0.3時，死亡率最高達50%，然后隨散射光指數的增加死亡率逐漸降低，在散射光指數大于0.45之后，死亡率趨近于0。也就是說，直射光和散射光對幼樹的存活表現出了不同的規(guī)律性。

表1 不同冠下光照指數與造林幼樹死亡率的關系

如表2所示的雙因素方差分析結果，不同光照指數區(qū)間有顯著差異，說明不同光照強度對死亡率有顯著影響，高光照強度的死亡率顯著低于低光照強度。不同光照指數類型差異不顯著，說明直射光指數、散射光指數、綜合光指數對死亡率的影響沒有顯著差異。如表3所示，多重比較結果表明具有相同字母的光照指數區(qū)間(0.25～0.30、0.30～0.35、0.35～0.40和0.40～0.45)差異不顯著，也就是說在光照指數區(qū)間小于0.25時，平均死亡率為61.11%，與其他光照指數區(qū)間均差異顯著，且死亡率最大。光照指數區(qū)間在0.45～0.50和0.50～0.55之間沒有顯著差異。

表2 落葉松幼樹死亡率雙因素方差分析

表3 不同光照指數區(qū)間幼樹平均死亡率的多重比較

注：表中不同字母表示差異顯著。

3.2 光照指數對落葉松幼樹樹高生長量的影響

根據調查數據發(fā)現，冠下栽植的落葉松幼樹樹高生長量范圍是0～75 cm，均值是11.85 cm，標準差是10.93 cm。由表4可見，樹高生長量隨著光照指數的增加呈明顯增大的趨勢，說明落葉松屬于陽性樹種，對陽光的需求較大，較強的光照對落葉松樹高生長有較強的增益效果。

表4 冠下光照指數對樹高生長量的影響

如表5所示的雙因素方差分析結果，不同光照指數區(qū)間有顯著差異，說明不同光照強度對樹高生長量有顯著影響。不同光照指數類型之間差異不顯著，說明直射光指數、散射光指數、綜合光指數對樹高生長量的影響沒有顯著差異。如表6所示，多重比較結果表明具有相同字母的光照指數區(qū)間差異不顯著，也就是說在光照指數區(qū)間小于0.2時，平均樹高生長量為6 cm，與其他光照指數區(qū)間均差異顯著，且生長量最小。光照指數區(qū)間在0.25～0.45之間樹高生長量變化不大，維持在10～12 cm。光照指數在大于0.40之后，樹高生長量迅速增加超過平均值，這一規(guī)律與幼樹死亡率是相同的，進一步說明林冠下的直射光、散射光或綜合光照指數應該大于0.40。

表5 落葉松幼樹樹高生長量雙因素方差分析

表6 不同光照指數區(qū)間幼樹平均樹高生長量的多重比較

注：表中不同字母表示差異顯著。

3.3 冠下光照指數對落葉松幼樹地徑生長量的影響

根據統(tǒng)計數據表明，冠下栽植落葉松幼樹的地徑生長量范圍為0～0.77 cm，均值為0.16 cm，標準差為0.13 cm。由表7可見，地徑生長量的趨勢與樹高生長量相近，隨著光照指數的增加呈明顯增大的趨勢，較強的光照能夠促進落葉松地徑的生長。

表7 冠下光照指數對地徑生長量的影響

如表8所示的雙因素方差分析結果，不同光照指數區(qū)間有顯著差異，說明不同光照強度對地徑生長量有顯著影響。不同光照指數類型(直射光指數、散射光指數、綜合光指數)之間差異不顯著。如表9所示，多重比較結果表明具有相同字母的光照指數區(qū)間差異不顯著，也就是說在光照指數區(qū)間小于0.25時，與其他光照指數區(qū)間均差異顯著，且生長量最小。光照指數區(qū)間在0.25～0.45之間均沒有顯著差異，地徑生長量略有下降，變化幅度不大，光照指數在大于0.45之后，生長量迅速增加超過平均值。

表8 落葉松幼樹地徑生長量雙因素方差分析

表9 不同光照指數區(qū)間地徑平均生長量的多重比較

注：表中不同字母表示差異顯著。

4 結論與討論

林下光照強度是制約落葉松冠下造林苗木成活和生長的關鍵因素之一，光照強度的增加會顯著降低落葉松造林幼樹的死亡率，提高樹高和地徑生長量。冠下落葉松幼樹死亡率隨所選3個光照指數的增大而減小，樹高和地徑生長量隨光照指數的增大而增大。光照指數I≤0.25時，死亡率最高，樹高和地徑生長量處于最低水平；當光照指數在0.25～0.45時，落葉松幼樹的死亡率占死亡總株數的比例維持在30%～35%(除散射光指數外)，同時樹高生長量維持在10～12 cm之間、地徑生長量維持在0.12～0.16 cm之間，在這一區(qū)間內不隨光照指數的變化而變化，說明這一區(qū)域是幼樹存活和生長的基本光照平衡區(qū)間；當光照指數大于0.45時，幼樹表現出生長旺盛的狀態(tài)，存活率大幅度提高；綜合來看，落葉松在林冠下更新造林的直射光指數和綜合光指數不應小于0.45。對落葉松造林幼樹存活和生長的影響，所選3個光照指數之間沒有顯著的好壞差別，呈現了相同的規(guī)律性。只是對于幼樹死亡率的影響，散射光指數不如直射光指數敏感，同時也說明直射光對于幼樹的生存具有更重要的意義。

通過對上述數據的分析可見，在林冠下營造落葉松，當光照指數I≤0.25時，造林成活率不能滿足造林技術規(guī)程的要求；當光照指數大于0.45時，落葉松幼樹的死亡率會迅速下降、樹高生長量和地徑生長量迅速增加。單從這一數據來看，林冠下營造落葉松的光照強度不應低于0.45，但是，此時對應的林下郁閉度小于0.3，在造林幼樹高速生長的同時，林下雜草的種類增多，蓋度大大增加，在撫育不及時的時候，存在雜草欺苗現象。因此，在此種光照強度的林下造林，前3年每年應清除苗木周圍雜草2～3次。

[1] 彭舜磊,王得祥,趙輝,等.我國人工林現狀與近自然經營途徑探討[J].西北林學院學報,2008,23(2):184-188.

[2] 馬常耕,孫曉梅.我國落葉松遺傳改良現狀及發(fā)展方向[J].世界林業(yè)研究,2008,21(3):58-63.

[3] 金正道.我國人工林必須進行集約經營[J].中國林業(yè),2001(19):35-37.

[4] 陳傳國,李曉東,張孜.長白落葉松人工林的生長與生態(tài)因子相關關系的研究[J].內蒙古林業(yè)科技.1986(9):6-8.

[5] 趙敬東,何東進,洪偉,等.森林資源可持續(xù)經營的景觀生態(tài)學原理[J].亞熱帶農業(yè)研究,2010,6(1):56-62.

[6] BELLOW J G, NAIR P. Comparing common methods for assessing understory light availability in shaded-perennial agroforestry systems[J]. Agricultural and Forest Meteorology,2003,114(3/4):197-211.

[7] SONG X Z, XIAO W F. Research advances of microsites and regeneration within canopy gap[J]. Scientia Silvae Sinicae,2006,42(5):114-119.

[8] 趙瑾.鮮黃梨3種不同樹形樹冠結構特征與光照分布的研究[D].雅安:四川農業(yè)大學,2010.

[9] MESSOER C, PUTTONEN P. Spatial and temporal variation in the Bight environment of developing Scots pine stands: the basis for a quick and efficient method of characterizing Bight[J]. Canadian Journal of Forest Research,1995,25(2):343-354.

[10] GENDRON F, MESSIER C, COMEAU P G. Comparison of various methods for estimating the mean growing season percent photosynthetic photon flux density in forests[J]. Agricultural and Forest Meteorology,1998,92(1):55-70.

[11] 于相洋,張日升,李玉航,等.沙地樟子松人工林冠下人工更新研究[J].防護林科技,2011(2):27-28.

[12] 陳繼東,紀曉林,屈柏林,等.應用hemiview冠層分析系統(tǒng)估測人工復層林郁閉度[J].河北林業(yè)科技,2007(4):5-7.

[13] 吳祥云,陳梅,屈雯雯,等.遼東地區(qū)次生林林窗生長季初期的光環(huán)境特征[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2010,29(4):667-669.

Effect of Light Environment on Updating Sapling Growth under Artificial Larch Forest Canopy//

Li Yinnan, Liu Sheng, Li Guowei, Liu Qingzhong

(Beihua University, Jilin 132013, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(10)：8-11.

Artificial larch forest; Updating under the canopy; Light index; Mortality rate; Growth rate

1)國家林業(yè)局“948”項目(2013-4-73)。

歷胤男，男，1989年3月生，北華大學林學院，碩士研究生。E-mail:904316358@qq.com。

劉盛，北華大學林學院，教授。E-mail:shliu64@sina.com。

2016年3月2日。

S725

責任編輯：潘 華。