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间伐强度对落叶松次生林冠层结构和林内光环境的影响

管惠文 董希斌

管惠文, 董希斌. 间伐强度对落叶松次生林冠层结构和林内光环境的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 11-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
引用本文: 管惠文, 董希斌. 间伐强度对落叶松次生林冠层结构和林内光环境的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 11-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
Guan Huiwen, Dong Xibin. Influence of thinning intensity on canopy structure and light environment inside Larix gmelinii secondary forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 11-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
Citation: Guan Huiwen, Dong Xibin. Influence of thinning intensity on canopy structure and light environment inside Larix gmelinii secondary forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 11-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021

间伐强度对落叶松次生林冠层结构和林内光环境的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2017YFC0504103

中央高校基本科研业务费专项资金项目 2572017AB20

详细信息
    作者简介:

    管惠文,博士生。主要研究方向:森林作业与环境。Email: 861623036@qq.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学工程技术学院

    通讯作者:

    董希斌,教授,博士生导师。主要研究方向:森林作业与环境。Email: xibindong@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S753.51

Influence of thinning intensity on canopy structure and light environment inside Larix gmelinii secondary forest

  • 摘要: 目的为改善林分结构和促进林木生长,对大兴安岭落叶松次生林进行不同强度的抚育间伐,研究落叶松冠层结构和光合特性指标的相关关系,进而探讨改善林内光环境特征的最佳间伐强度。方法设置间伐强度为9.43%、16.75%、29.00%、40.01%、53.09%、67.25%的实验样地和未进行间伐作业的对照样地。对不同样地落叶松冠层结构参数和光合特征参数指标值间的差异进行描述性统计,运用相关系数法确定不同指标间的相关关系进而剔除有显著正相关的部分指标,同时运用灰色关联法对各个样地的光环境特征进行综合评价。其中冠层结构选取林隙分数、开度、叶面积指数、叶倾角、直接定点因子、间接定点因子、总定点因子、冠上直接辐射、冠上间接辐射、冠上总辐射、冠下直接辐射、冠下间接辐射、冠下总辐射13项指标,光合特征参数选取蒸腾速率、光合速率、CO2参考值、叶片表面P.A.R、叶片温度、胞间CO2浓度、水蒸气气孔导度7项指标。结果各样地林隙分数表现为随间伐强度的增加先减少后增加,开度、直接定点因子、总定点因子与之变化趋势相同,各项指标值均在间伐强度为29.00%的样地中最小;叶面积指数在间伐强度为29.00%时达到最大值;不同间伐强度样地的冠上辐射通量无显著差异性;冠下直接辐射通量和冠下总辐射通量随间伐强度的增加先减少后增加。随着间伐强度的增加,落叶松的蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度均呈现先增加后减少的趋势,叶片表面P.A.R、叶片温度先增加后趋于稳定,间伐增加了林地内的CO2浓度;胞间CO2浓度随着间伐强度的增加先减小再增加后减小。林隙分数与开度、直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下总辐射呈显著正相关,与叶面积指数呈显著负相关;蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度之间呈显著正相关性。剔除相关性极强的指标后,冠层结构的林隙分数与光合速率呈显著负相关,叶面积指数与光合速率呈显著正相关。运用灰色关联综合评判林地内的光环境特征,关联度表现为间伐强度29.00%(0.823)>40.01%(0.794)>53.09%(0.739)>0%(0.724)>67.25%(0.713)>16.75%(0.701)>9.43%(0.673)。结论落叶松冠层结构与光合特征指标间存在相关性,落叶松冠层的透光率对于光合速率有明显的影响。结合二者综合评价不同间伐强度下的林地光环境特征,抚育间伐强度为29.00%、40.01%的落叶松天然次生林林地的林内光环境特征较好,说明29.00%~40.01%的中等强度间伐有利于林内光环境的改善。
  • 图  1  林隙分数与光合速率拟合曲线

    Figure  1.  Fitting curve of gap fraction and photosynthetic rate

    图  2  叶面积指数与光合速率拟合曲线

    Figure  2.  Fitting curve of leaf area index and photosynthetic rate

    表  1  样地概况

    Table  1.   General information of sample plots

    样地编号
    Sample No.
    采伐强度
    Cutting strength/%
    海拔
    Elevation/m
    伐前Before cutting 伐后After cutting 平均树高
    Average tree height/m
    平均胸径
    Average DBH/cm
    树种组成
    Tree species composition
    蓄积量/
    (m3·hm-2)Stock volume/
    (m3·ha-1)
    林分密度/
    (株·hm-2)Stand density/
    (tree·ha-1)
    郁闭度
    Coverage/%
    蓄积量/
    (m3·hm-2)Stock volume/
    (m3·ha-1)
    林分密度/
    (株·hm-2)Stand density/
    (tree·ha-1)
    郁闭度
    Coverage/%
    1 0 594 3L6B1Z 105.56 2175 65 105.56 2175 65 12.37 11.36
    2 9.43 635 7L3B 71.84 1659 65 65.06 1414 55 10.39 10.63
    3 16.75 571 10L 111.53 2175 70 92.85 1712 50 12.56 12.03
    4 29.00 670 10L 123.11 1512 70 87.41 1010 50 10.91 9.89
    5 40.01 587 8L2B 146.39 2850 65 87.82 1950 45 11.38 11.40
    6 53.09 554 9L1B 163.73 2000 65 76.81 1123 40 10.91 9.89
    7 67.25 544 8L2B 179.74 2150 70 58.86 1200 40 12.96 12.67
    注:L为落叶松,B为白桦,Z为樟子松; 在树种比例中,比例小于0.5的树种忽略不计。Notes: L for Larix gmelinii, B for Betula platyphylla, Z for Pinus sylvestris var. mongolica; in the proportion of tree species, trees with a ratio of less than 0.5 are neglected.
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    表  2  冠层结构参数

    Table  2.   Canopy structural parameters

    样地编号
    Sample No.
    林隙分数
    Gap fraction/%
    开度
    Canopy opening/%
    叶面积指数
    Leaf area index
    叶倾角
    Leaf inclination/(°)
    定点因子Fixed-point factor 辐射通量Radiation flux/(mol·m-2·d-1)
    直接Direct 间接Indirect 总体Total 冠上On the crown 冠下Under the crown
    直射Direct 散射Scattering 总体Total 直射Direct 散射Scattering 总体Total
    1 6.937±1.01a 7.396±1.01ab 5.153±0.25a 14.76±0.73a 0.071±0.010a 0.132±0.021a 0.169±0.019a 29.87±0.36a 4.164±0.13a 34.03±0.24a 1.392±0.368ac 0.419±0.013a 1.627±0.134a
    2 5.525±1.19ab 5.915±0.85bc 5.629±0.31b 14.76±0.49a 0.068±0.003ab 0.124±0.037a 0.157±0.029a 29.89±0.29a 4.162±0.18a 34.05±0.27a 1.278±0.032ac 0.387±0.016a 1.492±0.042b
    3 4.107±1.11b 4.628±0.77c 6.716±0.24c 15.47±0.92a 0.042±0.009c 0.099±0.019ab 0.105±0.027bc 29.88±0.41a 4.165±0.24a 34.05±0.36a 0.965±0.029b 0.303±0.026b 1.113±0.027c
    4 3.962±1.22b 4.397±1.01c 6.814±0.41c 14.76±0.43a 0.041±0.013c 0.117±0.016a 0.091±0.015c 29.88±0.29a 4.162±0.19a 34.04±0.28a 0.916±0.010b 0.422±0.016a 1.092±0.014c
    5 5.293±1.25ab 5.614±0.91bc 5.927±0.14b 14.76±0.39a 0.053±0.006bc 0.102±0.030ab 0.139±0.031ab 29.73±0.38a 4.164±0.21a 33.89±0.34a 1.129±0.022bc 0.324±0.032b 1.289±0.033d
    6 5.418±1.28ab 5.819±0.80bc 5.891±0.27b 13.97±0.36a 0.061±0.010ab 0.148±0.043a 0.158±0.038a 29.85±0.27a 4.161±0.23a 34.01±0.25a 1.156±0.078bc 0.517±0.030c 1.371±0.031d
    7 7.261±1.43a 7.635±1.16a 5.017±0.17a 14.29±0.42a 0.072±0.007a 0.060±0.011b 0.173±0.014a 29.86±0.40a 4.139±0.41a 34.00±0.39a 1.491±0.034a 0.223±0.018d 1.623±0.037a
    注:表中数字为“平均值±标准差”。同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。下同。Notes: the number in the table is “average ± standard deviation”. different letters in each column indicate significant difference (P<0.05). The same below.
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    表  3  冠层结构参数相关性

    Table  3.   Correlation of canopy structural parameters

    冠层结构参数
    Canopy structure parameter
    林隙分数
    Gap fraction
    开度
    Canopy opening
    叶面积指数
    Leaf area index
    叶倾角
    Leaf inclina-tion
    直接定点因子
    Direct fixed-point factor
    间接定点因子
    Indirect fixed-point factor
    总定点因子
    Total fixed-point factor
    冠上直接辐射
    Direct radiation on the crown
    冠上间接辐射
    Indirect radiation on the crown
    冠上总辐射
    Total radiation on the crown
    冠下直接辐射
    Direct radiation under the crown
    冠下间接辐射
    Indirect radiation under the crown
    冠下总辐射
    Total radiation under the canopy
    林隙分数Gap fraction 1
    开度Canopy opening 0.999** 1
    叶面积指数Leaf area index -0.985** -0.979** 1
    叶倾角Leaf inclination -0.497 -0.475 0.508 1
    直接定点因子Direct fixed-point factor 0.931** 0.928** -0.971** -0.546 1
    间接定点因子Indirect fixed-point factor -0.247 -0.242 0.177 -0.168 -0.030 1
    总定点因子Total fixed-point factor 0.922** 0.915** -0.962** -0.599 0.970** -0.011 1
    冠上直接辐射Direct radiation on the crown -0.038 -0.003 0.062 0.113 0.093 0.141 -0.078 1
    冠上间接辐射Indirect radiation on the crown -0.607 -0.600 0.546 0.482 -0.485 0.726 -0.452 -0.104 1
    冠上总辐射Total radiation on the crown -0.139 -0.103 0.153 0.193 0.013 0.262 -0.154 0.986** 0.063 1
    冠下直接辐射Direct radiation under the crown 0.981** 0.980** -0.989** -0.463 0.965** -0.266 0.934** 0.042 -0.624 -0.062 1
    冠下间接辐射Indirect radiation under the crown -0.244 -0.243 0.197 -0.351 -0.052 0.961** -0.036 0.165 0.577 0.262 -0.280 1
    冠下总辐射Total radiation under the canopy 0.967** 0.967** -0.987** -0.485 0.989** -0.099 0.953** 0.084 -0.508 -2.7×10-5 0.985** -0.125 1
    注:**表示相关性显著(P < 0.01)。Note:** represents significant correlation at P < 0.01 level.
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    表  4  落叶松光合参数

    Table  4.   Vegetation photosynthetic parameters

    样地编号
    Sample No.
    蒸腾速率
    Transpiration rate/(mmol·m-2·s-1)
    光合速率
    Photosynthetic rate/(μmol·m-2·s-1)
    CO2参考值
    CO2 reference value/
    (μmol·mol-1)
    叶片表面
    P.A.Rleaf surface P.A.R/
    (μmol·m-2·s-1)
    叶片温度
    Leaf temperature/℃
    胞间CO2浓度
    Intercellular CO2 concentration/
    (μmol·mol-1)
    水蒸气气孔导度
    Stomatal conductance/
    (mmol·m-2·s-1)
    1 0.641±0.12a 1.743±0.22a 389.4±37.68a 425.9±41.64a 21.24±3.14a 395±31.83a 0.018±0.004a
    2 0.742±0.17a 1.872±0.36ab 401.7±41.40a 486.2±39.21a 23.79±4.17a 353.7±28.40ab 0.022±0.008a
    3 1.274±0.21bc 2.318±0.13b 428.5±52.12ab 579.2±76.01a 27.26±3.37ab 318.4±32.58b 0.031±0.003ab
    4 2.268±0.41d 2.729±0.35c 432.7±42.59ab 1236.7±113.37b 30.39±2.69b 375.4±23.42ab 0.046±0.006c
    5 1.635±0.32c 2.106±0.21ab 496.6±49.27b 1247.5±125.29b 37.13±4.25c 391.3±29.14a 0.035±0.007b
    6 1.286±0.19bc 1.887±0.13ab 432.7±38.28ab 1124.5±162.63b 41.78±3.68c 317.1±40.63bc 0.029±0.008ab
    7 0.992±0.12ab 1.759±0.24a 396.4±39.16a 1284.7±182.50b 43.54±4.43c 301.2±27.56c 0.021±0.007a
    注:表中数字为“平均值±标准差”,同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。Notes: the number in the table is “average ± standard deviation”. Different letters in each column indicate significant difference at P<0.05 level.
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    表  5  落叶松光合特征参数相关性

    Table  5.   Correlation of vegetation photosynthetic parameters

    光合参数
    Photosynthetic parameter
    蒸腾速率
    Transpiration rate
    光合速率
    Photosynthetic rate
    CO2参考值
    CO2 reference value
    叶片表面P.A.R
    leaf surface P.A.R
    叶片温度
    Leaf temperature
    胞间CO2浓度
    Intercellular CO2 concentration
    水蒸气气孔导度
    Stomatal conductance
    蒸腾速率Transpiration rate 1
    光合速率Photosynthetic rate 0.883** 1
    CO2参考值CO2 reference value 0.629 0.414 1
    叶片表面P.A.R Leaf surface P.A.R 0.662 0.274 0.509 1
    叶片温度Leaf temperature 0.281 -0.120 0.344 0.861* 1
    胞间CO2浓度Intercellular CO2 concentration 0.17 0.195 0.298 -0.176 -0.533 1
    水蒸气气孔导度Stomatal conductance 0.983** 0.929** 0.642 0.534 0.152 0.218 1
    注:**表示相关性显著(P < 0.01),*表示相关性显著(P < 0.05)。下同。Notes:** represents significant correlation(P < 0.01),* represents significant correlation(P < 0.05). The same below.
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    表  6  冠层与光合参数相关关系

    Table  6.   Correlation of canopy and vegetation photosynthetic parameters

    参数
    Parameter
    林隙分数
    Gap fraction
    叶面积指数
    Leaf area index
    叶倾角
    Leaf inclination
    间接定点因子
    Indirect fixed-point factor
    冠上总辐射
    Total radiation on the crown
    光合速率
    Photosynthetic rate
    CO2参考值
    CO2 reference value
    叶片表面P.A.R
    Leaf surface P.A.R
    胞间CO2浓度
    Intercellular CO2 concentration
    林隙分数Gap fraction 1
    叶面积指数Leaf area index -0.985** 1
    叶倾角Leaf inclination -0.497 0.508 1
    间接定点因子Indirect fixed-point factor -0.247 0.177 -0.168 1
    冠上总辐射Total radiation on the crown -0.139 0.153 0.193 0.262 1
    光合速率Photosynthetic rate -0.875** 0.919** 0.459 0.006 0.108 1
    CO2参考值CO2 reference value -0.490 0.462 0.099 0.008 -0.790 0.414 1
    叶片表面P.A.R Leaf surface P.A.R -0.059 0.110 -0.526 -0.357 -0.566 0.274 0.509 1
    胞间CO2浓度Intercellular CO2 concentration -0.076 0.046 0.248 0.370 -0.264 0.195 0.299 -0.176 1
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    表  7  林地光环境各指标值

    Table  7.   Index values of woodland light environment

    样地编号
    Sample No.
    林隙分数
    Gap fraction/%
    叶面积指数
    Leaf area index
    叶倾角Leaf
    inclination/
    (°)
    间接定点因子
    Indirect fixed-point factor
    冠上总辐射
    Total radiation on the crown/
    (mol·m-2·d-1)
    光合速率
    Photosynthetic rate/(μmol·m-2·s-1)
    CO2参考值
    CO2 reference value/(μmol·mol-1)
    叶片表面P.A.R
    Leaf surface P.A.R/
    (μmol·m-2·s-1)
    胞间CO2浓度
    Intercellular CO2 concentration/
    (μmol·mol-1)
    1 6.937 5.153 14.76 0.132 34.034 1.743 389.4 425.9 395.0
    2 5.525 5.629 14.76 0.124 34.052 1.872 401.7 486.2 353.7
    3 4.107 6.716 15.47 0.099 34.045 2.318 428.5 579.2 318.4
    4 3.962 6.814 14.76 0.117 34.042 2.729 432.7 1236.7 375.4
    5 5.293 5.927 14.76 0.102 33.894 2.106 496.6 1247.5 391.3
    6 5.418 5.891 13.97 0.148 34.011 1.887 432.7 1124.5 317.1
    7 7.261 5.017 14.29 0.06 33.999 1.759 396.4 1284.7 301.2
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    表  8  林地光环境灰色关联评价

    Table  8.   Grey correlation evaluation of woodland light environment

    样地编号Sample No. 关联度Correlation degree
    1 0.724
    2 0.673
    3 0.701
    4 0.823
    5 0.794
    6 0.739
    7 0.713
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    [20] 刘鹏举, 王立海, 李雪华, 韦艳葵, 耿玉清, 刘剑锋, 朱小龙, 任强, 王兰珍, 周传艳, 薛康, 李义良, 党文杰, 汪杭军1, 李生宇, 赵铁珍, 方升佐, HUALi_zhong, 李国雷, 张冬梅, 王旭, 吴丽娟, 段文霞, 朱波, 刘勇, 苏晓华, 李建章, 黎明, 阎秀峰, 方陆明, 何茜, 刘勇, 高岚, JIANGXi_dian, 尹光彩, 崔同林, 李振基, 韩士杰, 雷加强, 周宇飞, 宋永明, 杨娅, 周亮, 周国逸, 余新晓, 杨慧敏, 柯水发, 唐小明, 赖志华, 王清文, 王新杰, 沈熙环, HEXiu_bin, 徐扬, 徐新文, 王春林, 虞木奎, 刘锐, 孙向阳, 喻理飞, 周国逸, 鹿振友, 李吉跃, 张冰玉, 宗文君, 玲, 程云清, 温亚利, , 齐涛, 李俊清, 王伟宏, 孙阁, 陈培金, 国庆, 陈峻崎, 陈实, 茹广欣, 周晓梅, 李丙文, 3, 郭蓓, 李晓兰, 宋爱琴, 张志毅, 唐旭利, 王晓静, 长山, 刘志明, 姚永刚, 蒋德明, 张可栋, 周玉平, 王建林, 王旭, 陈放, 关少华, 赵双荣, 宋湛谦, 王春林, 杨伟伟, 闫俊华, 郑凌峰.  间伐强度对油松人工林植被发育的影响 . 北京林业大学学报, 2007, 29(2): 70-75.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-16
  • 修回日期:  2018-07-05
  • 刊出日期:  2018-10-01

间伐强度对落叶松次生林冠层结构和林内光环境的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
    基金项目:

    国家重点研发计划项目 2017YFC0504103

    中央高校基本科研业务费专项资金项目 2572017AB20

    作者简介:

    管惠文,博士生。主要研究方向:森林作业与环境。Email: 861623036@qq.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学工程技术学院

    通讯作者: 董希斌,教授,博士生导师。主要研究方向:森林作业与环境。Email: xibindong@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: S753.51

摘要: 目的为改善林分结构和促进林木生长,对大兴安岭落叶松次生林进行不同强度的抚育间伐,研究落叶松冠层结构和光合特性指标的相关关系,进而探讨改善林内光环境特征的最佳间伐强度。方法设置间伐强度为9.43%、16.75%、29.00%、40.01%、53.09%、67.25%的实验样地和未进行间伐作业的对照样地。对不同样地落叶松冠层结构参数和光合特征参数指标值间的差异进行描述性统计,运用相关系数法确定不同指标间的相关关系进而剔除有显著正相关的部分指标,同时运用灰色关联法对各个样地的光环境特征进行综合评价。其中冠层结构选取林隙分数、开度、叶面积指数、叶倾角、直接定点因子、间接定点因子、总定点因子、冠上直接辐射、冠上间接辐射、冠上总辐射、冠下直接辐射、冠下间接辐射、冠下总辐射13项指标,光合特征参数选取蒸腾速率、光合速率、CO2参考值、叶片表面P.A.R、叶片温度、胞间CO2浓度、水蒸气气孔导度7项指标。结果各样地林隙分数表现为随间伐强度的增加先减少后增加,开度、直接定点因子、总定点因子与之变化趋势相同,各项指标值均在间伐强度为29.00%的样地中最小;叶面积指数在间伐强度为29.00%时达到最大值;不同间伐强度样地的冠上辐射通量无显著差异性;冠下直接辐射通量和冠下总辐射通量随间伐强度的增加先减少后增加。随着间伐强度的增加,落叶松的蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度均呈现先增加后减少的趋势,叶片表面P.A.R、叶片温度先增加后趋于稳定,间伐增加了林地内的CO2浓度;胞间CO2浓度随着间伐强度的增加先减小再增加后减小。林隙分数与开度、直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下总辐射呈显著正相关,与叶面积指数呈显著负相关;蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度之间呈显著正相关性。剔除相关性极强的指标后,冠层结构的林隙分数与光合速率呈显著负相关,叶面积指数与光合速率呈显著正相关。运用灰色关联综合评判林地内的光环境特征,关联度表现为间伐强度29.00%(0.823)>40.01%(0.794)>53.09%(0.739)>0%(0.724)>67.25%(0.713)>16.75%(0.701)>9.43%(0.673)。结论落叶松冠层结构与光合特征指标间存在相关性,落叶松冠层的透光率对于光合速率有明显的影响。结合二者综合评价不同间伐强度下的林地光环境特征,抚育间伐强度为29.00%、40.01%的落叶松天然次生林林地的林内光环境特征较好,说明29.00%~40.01%的中等强度间伐有利于林内光环境的改善。

English Abstract

管惠文, 董希斌. 间伐强度对落叶松次生林冠层结构和林内光环境的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 11-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
引用本文: 管惠文, 董希斌. 间伐强度对落叶松次生林冠层结构和林内光环境的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 11-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
Guan Huiwen, Dong Xibin. Influence of thinning intensity on canopy structure and light environment inside Larix gmelinii secondary forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 11-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
Citation: Guan Huiwen, Dong Xibin. Influence of thinning intensity on canopy structure and light environment inside Larix gmelinii secondary forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 11-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180021
  • 森林冠层作为植物在地上部分的绿色覆盖层,对生态系统的稳定起着至关重要的作用[1]。冠层结构和组成影响着林木对降水、光辐射的截留能力[2-4],进而影响地表的植被[5]、土壤性质[6]等,决定着林地内林木生长质量[7-9]。冠层结构截留的光辐射通过光合作用转化为供植物生长的有机物质,参与生态系统能量流动,同时冠层结构的改变会造成林下光照量的不同[10-11],从而对林下植被的光合作用速率产生影响,改变太阳辐射的利用比率。因此,研究冠层结构以及林下光环境能够更加全面地反映森林内太阳辐射的利用情况。

    目前有许多针对冠层结构的相关研究,其中具有代表性的有:周晓果等[12]研究大明山常绿阔叶林上、中、下坡不同林冠层次林冠覆盖度与林下苗木多样性的各项指标之间的关系,结果表明冠层覆盖度显著影响着林下更新,中、下层林冠对林下更新植物多样性的作用更明显;张甜等[13]研究大兴安岭天然用材林经抚育间伐后的冠层参数之间的差异性和相关性,分析叶面积指数、林隙分数、开度等指标变化与间伐强度的关系,结果表明中等间伐强度的改造最有利于光环境的改善和冠层结构优化。国内外学者对林地内苗木的光合作用特性[14-16]展开研究,分析在施加不同干扰情况下对林下苗木光合作用产生的影响[17-19],提取光合作用指标进行研究分析。基于前人的研究成果,本文提出落叶松(Larix gmelinii)冠层结构与光合特征可能存在某种相关性,将二者结合能够更加完整地反映森林的光环境。

    近年来,大兴安岭林区由于自然和人为因素的双重影响,尤其是优势树种落叶松,形成大片的天然次生林,林分质量低下、郁闭度低[20-21],抵抗自然灾害的能力减弱。因此,对大兴安岭林区的落叶松次生林进行合理的抚育改造十分必要。本文通过对大兴安岭落叶松次生林进行不同强度的抚育间伐,研究落叶松冠层结构和光合特征指标是否存在相关性并对不同间伐强度光环境特征差异性展开研究,为更好地改善林分结构、提高光能利用率、促进林分生长提供可行性建议。

    • 试验区位于黑龙江省大兴安岭地区新林林业局13、106、108、109、165林班,林分类型为天然落叶松林。地理坐标为124°05′47″~124°30′01″E,51°38′14″~51°47′07″N,海拔在600m左右。地势平缓,平均坡度在10°以下。土壤类型为棕色森林土,质地为沙壤土,土壤厚度为16cm左右。试验区年平均气温为-2.6℃,冬季干燥寒冷,夏季时间较短,气候分明,属于典型的寒温带大陆性气候。年降水量为480~510mm,雨季集中在6—9月份,全年的冻结期大约为7个月,结冰一般出现在9月下旬,终冻在4月下旬[22]

      2007年3月,在试验区设置7个落叶松次生林抚育改造样地,编号为1~7,每个样地的面积为60m×60m,林地内灌木以兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)为主,平均盖度为27%,草本以越桔(Vaccinium vitis-idaea)为主,平均盖度为62%。其中1号样地未采伐,其他样地基于蓄积量进行不同强度的抚育间伐,经采伐后的剩余物采用堆腐法处理,具体样地设置如表 1所示。采伐后的林地内分别补植兴安落叶松(Larix gmelinii)、兴安樟子松(Pinus sylvestris)、红皮云杉(Picea koraiensis)、西伯利亚红松(Pinus sibirica)促进林分更新,后期进行适当的管理和维护,确保其成活率,并对其进行科学的抚育,主要包括浇水、除草、培土、扩穴等。

      表 1  样地概况

      Table 1.  General information of sample plots

      样地编号
      Sample No.
      采伐强度
      Cutting strength/%
      海拔
      Elevation/m
      伐前Before cutting 伐后After cutting 平均树高
      Average tree height/m
      平均胸径
      Average DBH/cm
      树种组成
      Tree species composition
      蓄积量/
      (m3·hm-2)Stock volume/
      (m3·ha-1)
      林分密度/
      (株·hm-2)Stand density/
      (tree·ha-1)
      郁闭度
      Coverage/%
      蓄积量/
      (m3·hm-2)Stock volume/
      (m3·ha-1)
      林分密度/
      (株·hm-2)Stand density/
      (tree·ha-1)
      郁闭度
      Coverage/%
      1 0 594 3L6B1Z 105.56 2175 65 105.56 2175 65 12.37 11.36
      2 9.43 635 7L3B 71.84 1659 65 65.06 1414 55 10.39 10.63
      3 16.75 571 10L 111.53 2175 70 92.85 1712 50 12.56 12.03
      4 29.00 670 10L 123.11 1512 70 87.41 1010 50 10.91 9.89
      5 40.01 587 8L2B 146.39 2850 65 87.82 1950 45 11.38 11.40
      6 53.09 554 9L1B 163.73 2000 65 76.81 1123 40 10.91 9.89
      7 67.25 544 8L2B 179.74 2150 70 58.86 1200 40 12.96 12.67
      注:L为落叶松,B为白桦,Z为樟子松; 在树种比例中,比例小于0.5的树种忽略不计。Notes: L for Larix gmelinii, B for Betula platyphylla, Z for Pinus sylvestris var. mongolica; in the proportion of tree species, trees with a ratio of less than 0.5 are neglected.
    • 2017年8月在7个样地内分别设置20m×30m的实验样方。在各个样方内随机选取5株主林层兴安落叶松,用GPS分别测得每株树木的所在地点的经纬度和海拔高度,找准正北方向,将数据采集装置Mini-O-Mount 7MP调平,测量并记录镜头离地的距离,用Winscanopy冠层分析仪从东、南、西、北4个不同方向采集图像,用XLScanopy处理所得到的数据,得到冠层参数,包括林隙分数、开度、叶面积指数、叶倾角、定点因子、辐射通量指标。林隙分数、开度两项指标都能够反映出林分冠层的透光率,其中开度是林隙分数剔除植被间相互阻隔影响后经补偿计算得出的冠层实际林隙分数,叶面积指数指的是单位林地面积上植物叶片总面积占面积的比率。叶倾角指的是叶片法线与垂直方向间的夹角。定点因子和辐射通量反映透过冠层的太阳辐射量,进行冠层结构[23]的分析。同时,对选取的5株落叶松进行光合作用测定,选择天气晴朗时的07:00—19:00时间段,利用LCpro+便携式光合作用测定仪进行光合参数测定,测定间隔设置为2h,每次每株树测3组数据,将其平均值作为最后光合参数指标的值。指标包括蒸腾速率、光合速率、CO2参考值、叶片表面P.A.R、叶片温度、胞间CO2浓度、水蒸气气孔导度。叶片表面P.A.R表示叶片接受的光合有效辐射。水蒸气气孔导度反映气孔张开的程度,影响光合作用。

    • 研究不同间伐强度冠层结构和光合特征变化规律,建立合理的森林抚育光环境特征评价体系,对大兴安岭落叶松次生林抚育间伐强度的评价和应用有十分重要的影响[24]。试验得到的数据运用EXCEL进行数据整理和初步处理,并利用SPSS软件对不同间伐强度冠层结构和光合特征参数进行单因素方差分析,通过S-N-K检验分析不同组别各指标在0.05水平下是否存在差异性。对冠层和光合特征参数进行相关性分析,反映指标间的相互影响。

      应用灰色关联法[25-26]对抚育间伐后的林地光环境进行综合评价,首先通过相关性分析剔除掉具有强相关性的指标,平均分配剩余评价指标的权重,计算出不同间伐强度下林地光环境灰色关联度,依据关联度的大小评价林地光环境特征。得到的关联度越高,说明抚育间伐后林地的光环境更优,间伐强度最适宜,改造经营效果越好[27-29]

      对不同的测量指标进行无量纲化处理,计算出不同间伐强度的落叶松天然次生林林地光环境决策矩阵。

      根据公式(1)计算出林内光环境各个指标的灰色关联系数rij,得到灰色关联评价矩阵,通过计算得到不同间伐强度的灰色关联评度。

      $$ {r_{ij}} = \frac{{\mathop {\min }\limits_m \mathop {\min }\limits_n \left| {{s_i} - x_{ij}^\prime } \right| + \lambda \mathop {\max }\limits_m \mathop {\max}\limits_n \left| {{s_i} - x_{ij}^\prime } \right|}}{{\left| {{s_j} - x_{ij}^\prime } \right| + \lambda \mathop {\max }\limits_m \mathop {\max }\limits_n \left| {{s_i} - x_{ij}^\prime } \right|}} $$ (1)

      式中:si为初始化后的决策矩阵X′中第i行的最大值,λ=0.5。

    • 表 2可知,林隙分数与开度随间伐强度的变化情况趋于一致,均表现为随着间伐强度的增加先减少后增加,且在间伐强度为29.00%的4号样地二者值最小。不同间伐强度下的林隙分数和开度存在显著差异性(P < 0.05)。

      表 2  冠层结构参数

      Table 2.  Canopy structural parameters

      样地编号
      Sample No.
      林隙分数
      Gap fraction/%
      开度
      Canopy opening/%
      叶面积指数
      Leaf area index
      叶倾角
      Leaf inclination/(°)
      定点因子Fixed-point factor 辐射通量Radiation flux/(mol·m-2·d-1)
      直接Direct 间接Indirect 总体Total 冠上On the crown 冠下Under the crown
      直射Direct 散射Scattering 总体Total 直射Direct 散射Scattering 总体Total
      1 6.937±1.01a 7.396±1.01ab 5.153±0.25a 14.76±0.73a 0.071±0.010a 0.132±0.021a 0.169±0.019a 29.87±0.36a 4.164±0.13a 34.03±0.24a 1.392±0.368ac 0.419±0.013a 1.627±0.134a
      2 5.525±1.19ab 5.915±0.85bc 5.629±0.31b 14.76±0.49a 0.068±0.003ab 0.124±0.037a 0.157±0.029a 29.89±0.29a 4.162±0.18a 34.05±0.27a 1.278±0.032ac 0.387±0.016a 1.492±0.042b
      3 4.107±1.11b 4.628±0.77c 6.716±0.24c 15.47±0.92a 0.042±0.009c 0.099±0.019ab 0.105±0.027bc 29.88±0.41a 4.165±0.24a 34.05±0.36a 0.965±0.029b 0.303±0.026b 1.113±0.027c
      4 3.962±1.22b 4.397±1.01c 6.814±0.41c 14.76±0.43a 0.041±0.013c 0.117±0.016a 0.091±0.015c 29.88±0.29a 4.162±0.19a 34.04±0.28a 0.916±0.010b 0.422±0.016a 1.092±0.014c
      5 5.293±1.25ab 5.614±0.91bc 5.927±0.14b 14.76±0.39a 0.053±0.006bc 0.102±0.030ab 0.139±0.031ab 29.73±0.38a 4.164±0.21a 33.89±0.34a 1.129±0.022bc 0.324±0.032b 1.289±0.033d
      6 5.418±1.28ab 5.819±0.80bc 5.891±0.27b 13.97±0.36a 0.061±0.010ab 0.148±0.043a 0.158±0.038a 29.85±0.27a 4.161±0.23a 34.01±0.25a 1.156±0.078bc 0.517±0.030c 1.371±0.031d
      7 7.261±1.43a 7.635±1.16a 5.017±0.17a 14.29±0.42a 0.072±0.007a 0.060±0.011b 0.173±0.014a 29.86±0.40a 4.139±0.41a 34.00±0.39a 1.491±0.034a 0.223±0.018d 1.623±0.037a
      注:表中数字为“平均值±标准差”。同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。下同。Notes: the number in the table is “average ± standard deviation”. different letters in each column indicate significant difference (P<0.05). The same below.

      叶面积指数在间伐强度在0%~9.43%时,只出现小幅度增长。间伐强度9.43%~29.00%,叶面积指数随着间伐强度的增加而迅速增加,且在间伐强度为29.00%时,叶面积指数达到最大值(6.814)。间伐强度40.01%~67.25%时,叶面积指数随着间伐强度的增加而减小,且在间伐强度67.25%时叶面积指数低于对照样地。29.00%和40.01%的间伐强度下叶面积指数与其他改造样地的指标值呈显著性差异(P < 0.05)。

      叶倾角指的是叶片法线与垂直方向间的夹角,影响光照穿过叶片的角度和方位,受树种遗传因素影响较大。不同间伐强度下的样地叶倾角差异不显著(P>0.05),说明叶倾角受林分密度、林内环境的影响不大。

      冠层直接定点因子的变化范围0.041~0.072,间接定点因子的变化范围0.060~0.148,总定点因子的变化范围0.091~0.173,随着间伐强度的增加,直接定点因子和总定点因子均先减小后增大。与对照样地相比,间伐强度为9.45%时变化趋势缓慢,后来随着间伐强度的增加总定点因子迅速减小,间伐强度为29.00%时达到最小值,之后总定点因子随间伐强度的增加而增加。

      不同间伐强度下的冠上辐射通量差异性不显著(P>0.05),说明冠层上方的辐射通量与林分的疏密程度、林分结构无显著关系。冠下直接辐射通量和冠下总辐射通量随着间伐强度的增加先减少后增加,在间伐强度为29%时总冠下辐射通量达到最小值。

    • 表 3可知,林隙分数与开度相关性极强,达到0.999,说明在冠层结构中叶片遮挡对林隙分数的影响很小,可以忽略不计。林隙分数与叶面积指数呈显著负相关,同时与直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下总辐射呈正相关。开度与叶面积指数同样呈现负相关性,与直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下总辐射之间表现为正相关。叶面积指数与直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下总辐射呈现显著的负相关性。直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下总辐射相互间呈显著正相关。间接定点因子与冠下间接辐射呈显著正相关性,冠上直接辐射与冠上总辐射呈正相关。且相关关系与间伐强度无关,即不同间伐强度下的林分冠层结构指标相关关系均表现出一致性。

      表 3  冠层结构参数相关性

      Table 3.  Correlation of canopy structural parameters

      冠层结构参数
      Canopy structure parameter
      林隙分数
      Gap fraction
      开度
      Canopy opening
      叶面积指数
      Leaf area index
      叶倾角
      Leaf inclina-tion
      直接定点因子
      Direct fixed-point factor
      间接定点因子
      Indirect fixed-point factor
      总定点因子
      Total fixed-point factor
      冠上直接辐射
      Direct radiation on the crown
      冠上间接辐射
      Indirect radiation on the crown
      冠上总辐射
      Total radiation on the crown
      冠下直接辐射
      Direct radiation under the crown
      冠下间接辐射
      Indirect radiation under the crown
      冠下总辐射
      Total radiation under the canopy
      林隙分数Gap fraction 1
      开度Canopy opening 0.999** 1
      叶面积指数Leaf area index -0.985** -0.979** 1
      叶倾角Leaf inclination -0.497 -0.475 0.508 1
      直接定点因子Direct fixed-point factor 0.931** 0.928** -0.971** -0.546 1
      间接定点因子Indirect fixed-point factor -0.247 -0.242 0.177 -0.168 -0.030 1
      总定点因子Total fixed-point factor 0.922** 0.915** -0.962** -0.599 0.970** -0.011 1
      冠上直接辐射Direct radiation on the crown -0.038 -0.003 0.062 0.113 0.093 0.141 -0.078 1
      冠上间接辐射Indirect radiation on the crown -0.607 -0.600 0.546 0.482 -0.485 0.726 -0.452 -0.104 1
      冠上总辐射Total radiation on the crown -0.139 -0.103 0.153 0.193 0.013 0.262 -0.154 0.986** 0.063 1
      冠下直接辐射Direct radiation under the crown 0.981** 0.980** -0.989** -0.463 0.965** -0.266 0.934** 0.042 -0.624 -0.062 1
      冠下间接辐射Indirect radiation under the crown -0.244 -0.243 0.197 -0.351 -0.052 0.961** -0.036 0.165 0.577 0.262 -0.280 1
      冠下总辐射Total radiation under the canopy 0.967** 0.967** -0.987** -0.485 0.989** -0.099 0.953** 0.084 -0.508 -2.7×10-5 0.985** -0.125 1
      注:**表示相关性显著(P < 0.01)。Note:** represents significant correlation at P < 0.01 level.
    • 表 4可知,不同间伐强度抚育后,各样地保留树种落叶松的光合参数不同,各间伐样地的落叶松光合速率、蒸腾速率与叶片表面P.A.R均高于对照样地,说明间伐使得落叶松的光照条件得到明显改善。随着间伐强度的增加,蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度均呈现先增加后减少的趋势,叶片表面P.A.R、叶片温度先增加后趋于稳定。间伐增加了林地内的CO2浓度,胞间CO2浓度表现为随着间伐强度的增加先减小后增加再减小的趋势。不同间伐强度下落叶松光合参数指标存在显著差异性(P < 0.05)。当间伐强度为29.00%时,落叶松蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度明显高于其他间伐样地和对照样地,间伐强度为40.01%时,林地内的CO2参考值、胞间CO2浓度在7个样地中为最高,说明29%~40.01%是适合于天然落叶松林光合作用的间伐强度。

      表 4  落叶松光合参数

      Table 4.  Vegetation photosynthetic parameters

      样地编号
      Sample No.
      蒸腾速率
      Transpiration rate/(mmol·m-2·s-1)
      光合速率
      Photosynthetic rate/(μmol·m-2·s-1)
      CO2参考值
      CO2 reference value/
      (μmol·mol-1)
      叶片表面
      P.A.Rleaf surface P.A.R/
      (μmol·m-2·s-1)
      叶片温度
      Leaf temperature/℃
      胞间CO2浓度
      Intercellular CO2 concentration/
      (μmol·mol-1)
      水蒸气气孔导度
      Stomatal conductance/
      (mmol·m-2·s-1)
      1 0.641±0.12a 1.743±0.22a 389.4±37.68a 425.9±41.64a 21.24±3.14a 395±31.83a 0.018±0.004a
      2 0.742±0.17a 1.872±0.36ab 401.7±41.40a 486.2±39.21a 23.79±4.17a 353.7±28.40ab 0.022±0.008a
      3 1.274±0.21bc 2.318±0.13b 428.5±52.12ab 579.2±76.01a 27.26±3.37ab 318.4±32.58b 0.031±0.003ab
      4 2.268±0.41d 2.729±0.35c 432.7±42.59ab 1236.7±113.37b 30.39±2.69b 375.4±23.42ab 0.046±0.006c
      5 1.635±0.32c 2.106±0.21ab 496.6±49.27b 1247.5±125.29b 37.13±4.25c 391.3±29.14a 0.035±0.007b
      6 1.286±0.19bc 1.887±0.13ab 432.7±38.28ab 1124.5±162.63b 41.78±3.68c 317.1±40.63bc 0.029±0.008ab
      7 0.992±0.12ab 1.759±0.24a 396.4±39.16a 1284.7±182.50b 43.54±4.43c 301.2±27.56c 0.021±0.007a
      注:表中数字为“平均值±标准差”,同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。Notes: the number in the table is “average ± standard deviation”. Different letters in each column indicate significant difference at P<0.05 level.
    • 表 5可知,蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度之间呈显著正相关性。此外,叶片表面P.A.R与叶片温度之间也呈现正相关(P < 0.05), 说明叶片表面获得的有效光辐射会促使叶片温度的升高,二者之间存在正相关关系。其他各光合特征参数间无显著相关关系,由此可以认为其余各指标相互独立。

      表 5  落叶松光合特征参数相关性

      Table 5.  Correlation of vegetation photosynthetic parameters

      光合参数
      Photosynthetic parameter
      蒸腾速率
      Transpiration rate
      光合速率
      Photosynthetic rate
      CO2参考值
      CO2 reference value
      叶片表面P.A.R
      leaf surface P.A.R
      叶片温度
      Leaf temperature
      胞间CO2浓度
      Intercellular CO2 concentration
      水蒸气气孔导度
      Stomatal conductance
      蒸腾速率Transpiration rate 1
      光合速率Photosynthetic rate 0.883** 1
      CO2参考值CO2 reference value 0.629 0.414 1
      叶片表面P.A.R Leaf surface P.A.R 0.662 0.274 0.509 1
      叶片温度Leaf temperature 0.281 -0.120 0.344 0.861* 1
      胞间CO2浓度Intercellular CO2 concentration 0.17 0.195 0.298 -0.176 -0.533 1
      水蒸气气孔导度Stomatal conductance 0.983** 0.929** 0.642 0.534 0.152 0.218 1
      注:**表示相关性显著(P < 0.01),*表示相关性显著(P < 0.05)。下同。Notes:** represents significant correlation(P < 0.01),* represents significant correlation(P < 0.05). The same below.
    • 由于落叶松冠层结构和光合参数各指标间分别存在相关关系,首先剔除呈显著正相关的部分指标,其中冠层结构保留参数为林隙分数、叶面积指数、叶倾角、间接定点因子、冠上总辐射,植被光合保留参数为光合速率、CO2参考值、叶片表面P.A.R、胞间CO2浓度,进而分析冠层与光合参数相关关系,结果如表 6所示。冠层林隙分数与落叶松的光合速率呈显著负相关关系,叶面积指数与落叶松的光合速率表现出正相关,拟合曲线如图 12所示,这表明落叶松冠层结构的透光率对光合速率有着十分重要的影响。

      表 6  冠层与光合参数相关关系

      Table 6.  Correlation of canopy and vegetation photosynthetic parameters

      参数
      Parameter
      林隙分数
      Gap fraction
      叶面积指数
      Leaf area index
      叶倾角
      Leaf inclination
      间接定点因子
      Indirect fixed-point factor
      冠上总辐射
      Total radiation on the crown
      光合速率
      Photosynthetic rate
      CO2参考值
      CO2 reference value
      叶片表面P.A.R
      Leaf surface P.A.R
      胞间CO2浓度
      Intercellular CO2 concentration
      林隙分数Gap fraction 1
      叶面积指数Leaf area index -0.985** 1
      叶倾角Leaf inclination -0.497 0.508 1
      间接定点因子Indirect fixed-point factor -0.247 0.177 -0.168 1
      冠上总辐射Total radiation on the crown -0.139 0.153 0.193 0.262 1
      光合速率Photosynthetic rate -0.875** 0.919** 0.459 0.006 0.108 1
      CO2参考值CO2 reference value -0.490 0.462 0.099 0.008 -0.790 0.414 1
      叶片表面P.A.R Leaf surface P.A.R -0.059 0.110 -0.526 -0.357 -0.566 0.274 0.509 1
      胞间CO2浓度Intercellular CO2 concentration -0.076 0.046 0.248 0.370 -0.264 0.195 0.299 -0.176 1

      图  1  林隙分数与光合速率拟合曲线

      Figure 1.  Fitting curve of gap fraction and photosynthetic rate

      图  2  叶面积指数与光合速率拟合曲线

      Figure 2.  Fitting curve of leaf area index and photosynthetic rate

    • 经相关性分析剔除部分指标后,选取反映林内光环境的9项指标进行综合评价分析,具体测量值如表 7所示。

      表 7  林地光环境各指标值

      Table 7.  Index values of woodland light environment

      样地编号
      Sample No.
      林隙分数
      Gap fraction/%
      叶面积指数
      Leaf area index
      叶倾角Leaf
      inclination/
      (°)
      间接定点因子
      Indirect fixed-point factor
      冠上总辐射
      Total radiation on the crown/
      (mol·m-2·d-1)
      光合速率
      Photosynthetic rate/(μmol·m-2·s-1)
      CO2参考值
      CO2 reference value/(μmol·mol-1)
      叶片表面P.A.R
      Leaf surface P.A.R/
      (μmol·m-2·s-1)
      胞间CO2浓度
      Intercellular CO2 concentration/
      (μmol·mol-1)
      1 6.937 5.153 14.76 0.132 34.034 1.743 389.4 425.9 395.0
      2 5.525 5.629 14.76 0.124 34.052 1.872 401.7 486.2 353.7
      3 4.107 6.716 15.47 0.099 34.045 2.318 428.5 579.2 318.4
      4 3.962 6.814 14.76 0.117 34.042 2.729 432.7 1236.7 375.4
      5 5.293 5.927 14.76 0.102 33.894 2.106 496.6 1247.5 391.3
      6 5.418 5.891 13.97 0.148 34.011 1.887 432.7 1124.5 317.1
      7 7.261 5.017 14.29 0.06 33.999 1.759 396.4 1284.7 301.2

      得到由林地光环境各个指标的灰色关联系数rij构成的灰色关联评价矩阵R

      $$ {\boldsymbol{R = }}\left[ \begin{gathered} 0.882\;\;0.578\;\;0.879\;\;0.756\;\;0.998\;\;0.481\;\;0.608\;\;0.333\;\;1.000 \hfill \\ 0.583\;\;0.658\;\;0.879\;\;0.673\;\;1.000\;\;0.516\;\;0.636\;\;0.350\;\;0.762 \hfill \\ 0.435\;\;0.959\;\;1.000\;\;0.502\;\;0.999\;\;0.689\;\;0.709\;\;0.378\;\;0.633 \hfill \\ 0.424\;\;1.000\;\;0.879\;\;0.615\;\;0.099\;\;1.000\;\;0.722\;\;0.899\;\;0.871 \hfill \\ 0.552\;\;0.720\;\;0.879\;\;0.518\;\;0.986\;\;0.594\;\;1.000\;\;0.920\;\;0.973 \hfill \\ 0.568\;\;0.712\;\;0.775\;\;1.000\;\;0.996\;\;0.520\;\;0.722\;\;0.728\;\;0.629 \hfill \\ 1.000\;\;0.559\;\;0.814\;\;0.360\;\;0.995\;\;0.485\;\;0.624\;\;1.000\;\;0.585 \hfill \\ \end{gathered} \right] $$

      本文设定每个参与评价因子的权重都相同,结合灰色关联判断矩阵R和指标权重W,根据公式(2)计算出各样地指标的关联度bj,结果如表 8所示。

      $$ \begin{array}{*{20}{c}} {{b_j} = \sum\limits_{i = 1}^m {\left( {{w_i}{r_{ij}}} \right)} } \\ {i = 1, 2, \cdots , m;j = 1, 2, \cdots , n} \end{array} $$ (2)

      表 8  林地光环境灰色关联评价

      Table 8.  Grey correlation evaluation of woodland light environment

      样地编号Sample No. 关联度Correlation degree
      1 0.724
      2 0.673
      3 0.701
      4 0.823
      5 0.794
      6 0.739
      7 0.713

      表 8可以看出,关联度间伐强度29.00%(0.823)>40.01%(0.794)>53.09%(0.739)>0%(0.724)>67.25%(0.713)>16.75%(0.701)>9.43%(0.673)。29.00%~40.01%的中等强度间伐样地关联度较高。

    • 以不同抚育间伐强度改造后的大兴安岭落叶松天然次生林为研究对象,分析落叶松冠层结构和光合特征,并采用综合评价的方式评判林地内整体的光环境特征,研究结果表明:林隙分数、开度、直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射通量、冠下总辐射通量在间伐强度为29%时数值达到最小,与叶面积指数随间伐强度变化趋势相反,除叶倾角和冠上辐射通量外,不同间伐样地间的冠层结构各指标值存在显著性差异。这与张甜[13]等人的研究结果相似。究其原因,在合理的间伐强度下,林分郁闭度减小,在冠上辐射通量保持稳定的情况下,总定点因子会随透光率变化而变化,穿过上层林冠到达中下层的光合辐射量增加,从而促进林冠中下层叶片的生长,使得叶面积指数增加。随着间伐强度的持续增大,林分变得稀疏,林冠中下层的光合辐射达到饱和,更多的光辐射进入林地中,使灌木迅速增长与林木生长争夺养分,且裸露的林地水分丧失很快,植物蒸腾减弱,光合作用也受到影响,抑制叶片生长,叶面积指数减小。

      当间伐强度为29.00%时,落叶松蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度明显高于其他间伐样地和对照样地,间伐强度为40.01%时,林地内的CO2参考值、胞间CO2浓度在7个样地中为最高,说明29.00%~40.01%是适合于天然落叶松光合作用的间伐强度。这与朱玉杰[22]等人通过研究得到的适宜兴安落叶松幼苗生长的间伐强度区间基本相同,主要是因为抚育间伐改变了林分的郁闭度和疏密度,穿过冠层结构到达林地内的光照辐射量增多,既为主林层光合作用提供足够的光辐射,也为落叶松幼苗的光合作用提供更多的能量,林地内温度升高从而加快光合酶的反应。当间伐强度较低时,对林分结构的改造不彻底,林分郁闭度过高,不能为落叶松进行光合作用提供足够的光照和合适的温度,林地内落叶松得到的光辐射较弱,光合作用受到抑制,胞间CO2减少。随着间伐强度的增加,因林地内温度升高导致叶片气孔导度变大,光合速率增大,胞间CO2浓度升高,但当间伐强度过高时,叶片气孔关闭,落叶松的蒸腾和光合作用都随之减弱,胞间CO2浓度减少。

      林隙分数与开度、直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下总辐射呈正相关,与叶面积指数呈显著负相关。叶面积指数与直接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下总辐射呈现显著的负相关性,间接定点因子与冠下间接辐射呈显著正相关性,冠上直接辐射与冠上总辐射呈正相关。不同间伐强度下的林分冠层结构指标相关关系均表现出一致性。王平[30]通过对西南山地两种阔叶林冠层结构特征展开研究,认为叶面积指数与开度和林隙分数均有较强的线性相关关系,叶面积指数与林下地表散射、冠层下散射的光通量密度有弱线性相关关系。蒸腾速率、光合速率、水蒸气气孔导度之间呈显著正相关性,叶片表面P.A.R与叶片温度之间也呈现正相关,说明落叶松蒸腾和光合作用具有一致性。这主要是因为当蒸腾作用剧烈时,释放出大量的水分,叶片气孔导度增大,有利于植物进行光合作用,加速与外部环境的能量交换,水蒸气气孔导度也随之增大。相关的研究结果[31-33]表明,不同类型的植被光合作用日变化曲线,水分利用效率都存在差异。因此,本文的结果不能适用于所有植被类型,其他树种的冠层结构、光合参数相关性有待进一步研究。冠层林隙分数与落叶松的光合速率呈显著负相关关系,叶面积指数与林下落叶松的光合速率表现出正相关。这方面的相关研究比较少,但郭江[34]等人通过对玉米的研究表明冠层结构的透光率对光合作用有着十分重要的影响,姚文秀[35]等人得到旱柳的光截获与蒸腾速率、净光合速率均呈显著正相关关系的结论,与本文结果相似。穿过冠层结构到达林地内的光照辐射量为光合作用提供必要的反应条件。

      通过灰色关联法综合评价不同抚育间伐强度下林地的光环境特征,灰色关联度表现为29.00%(0.823)>40.01%(0.794)>53.09%(0.739)>0%(0.724)>67.25%(0.713)>16.75%(0.701)>9.43%(0.673),因此综合分析冠层结构和光合特征,结果表明抚育间伐强度为29.00%、40.01%的落叶松天然次生林的林内光环境特征为最佳,说明29.00%~40.01%的中等强度间伐有利于林地光环境的改善。研究结果可为大兴安岭落叶松天然次生林的抚育间伐经营提供理论依据,确定适宜的落叶松间伐强度。通过提升林内的光环境质量,加快林分生长速度和物质交换,促进森林整体质量的恢复和发展。但目前研究仅局限于林内光环境特征,但森林经营效果评价还与土壤质量、生物多样性等因素相关,分析林内光环境与其他森林环境因子的相互影响,更加全面地评价森林经营效果将是今后研究的重点。

参考文献 (35)

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