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(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州510642）

郁閉度是反映林相結(jié)構(gòu)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(biāo)[1]，在水土保持、水源涵養(yǎng)、林內(nèi)光照強度研究、林分質(zhì)量評價、森林經(jīng)營管理等方面應(yīng)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(chǎn)力和林分潛在生產(chǎn)力。了解人工林的郁閉度情況，可以指導(dǎo)林下植被管理、林地資源利用等經(jīng)營活動。營林生產(chǎn)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(xiàn)不同郁閉度下群落的樹種組成、徑級分布、蓄積生產(chǎn)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(xiàn)林下植物豐富度與林分郁閉度存在一定的相關(guān)性；周彬等[5]發(fā)現(xiàn)油松（P. tabulifomis）人工林林冠截留量與郁閉度表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)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(guān)關(guān)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(chǎn)、研究中被廣泛應(yīng)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(zhǔn)確度低；樹冠投影法雖精度高，但操作復(fù)雜，效率低下；樣點法和樣線法都沒有很好地考慮樹冠內(nèi)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(zhǔn)確度高，但設(shè)備成本較高，難以推廣應(yīng)用；遙感圖像法適用于大面積的郁閉度調(diào)查，但操作復(fù)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(jīng)比較發(fā)現(xiàn)數(shù)碼相片能準(zhǔn)確記錄更小的林冠空隙，其精度和準(zhǔn)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(zhǔn)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(diào)查林木樹冠面積、株間距、行間距、保存率等因子，結(jié)合照片法和理論算法，摸索出了一種基于人工林調(diào)查數(shù)據(jù)，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(jì)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(fēng)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(fēng)暴頻繁，6-10 月為臺風(fēng)季節(jié)，10 月-翌年4 月為旱季，每年受臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴襲擊2～3 次，最大風(fēng)力可達(dá)12 級以上。

1.2 調(diào)查樣地概況

2017 年6 月，選擇紀(jì)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(diào)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(diào)查

在林地里設(shè)置27 塊20 m×20 m 的調(diào)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(shè)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(diào)查株間距、行間距，分別記為L1和L2；調(diào)查株間冠幅，記為P1A、P1B、P1C、P1D；調(diào)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(diào)查示意Fig. 1 Schematic diagram of measurement

1.4 基于營林?jǐn)?shù)據(jù)的郁閉度測算模型

以圖1 所示的一組樣木（4 株）為例，設(shè)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(nèi)的重疊面積；Sd為橫向左右兩橢圓單位面積內(nèi)重疊面積。設(shè)Sk為單位面積內(nèi)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(jù)橢圓面積公式得

其次，根據(jù)相鄰木的樹冠投影相交情況，根據(jù)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(yīng)的公式組成了基于營林?jǐn)?shù)據(jù)的郁閉度測算模型。用此模型計算出同一調(diào)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(shù)平均值即為基于營林?jǐn)?shù)據(jù)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(zhǔn)數(shù)據(jù)，綜合模型測算郁閉度數(shù)據(jù)，應(yīng)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?zhǔn)數(shù)據(jù)的獲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(shù)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(yù)處理參考CCPS 法[17]，應(yīng)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(yù)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(shù)平均值即為樣地郁閉度。

圖3 全天空照片F(xiàn)ig. 3 Hemispherical photograph

2 結(jié)果與分析

2.1 模型法精度驗證結(jié)果

采用冠層分析系統(tǒng)得到27 個樣地的郁閉度的基準(zhǔn)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(zhǔn)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(jié)果見表2。

表2 兩組數(shù)據(jù)的獨立樣本t 檢驗結(jié)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)量比較大。而樹冠投影法選定的是冠幅完好的樣木，導(dǎo)致測算的郁閉度大于基準(zhǔn)值。樹冠投影法測得的郁閉度與基準(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)據(jù)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(jù)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(yīng)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(xiàn)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(xiàn)象比行間重疊現(xiàn)象普遍，38.9%的樣木有株間冠幅投影重疊現(xiàn)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(xiàn)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(jié)論與討論

根據(jù)樹冠面積和林木株行間距的關(guān)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(diào)查的需要，可以推廣應(yīng)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(chǔ)上，繼續(xù)開展相關(guān)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(shù)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(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)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(chǎn)量密切相關(guān)，需要經(jīng)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?jǐn)?shù)據(jù)的林分郁閉度模型，進行樣地調(diào)查獲得營林?jǐn)?shù)據(jù)后，導(dǎo)入模型，應(yīng)用Excel 等常見軟件即可獲得較為精準(zhǔn)的郁閉度值，是一種營林工作者可以應(yīng)用的林下光照判定工具，可廣泛應(yīng)用于判定人工林林下經(jīng)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。