撫育間伐對(duì)大興安嶺天然用材林冠層結(jié)構(gòu)及光環(huán)境特征的影響1)

張?zhí)?朱玉杰 董希斌

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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撫育間伐對(duì)大興安嶺天然用材林冠層結(jié)構(gòu)及光環(huán)境特征的影響1)

張?zhí)?朱玉杰 董希斌

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

以大興安嶺天然用材林為研究對(duì)象，利用冠層分析儀對(duì)不同撫育間伐后的冠層結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性進(jìn)行測(cè)定，分析冠層結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)之間的相關(guān)性、撫育間伐后冠層結(jié)構(gòu)及光環(huán)境特征的變化情況，并運(yùn)用主成分分析法對(duì)間伐后冠層結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：大興安嶺天然用材林主要冠層指標(biāo)林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度、葉面積指數(shù)、總定點(diǎn)因子和冠下總光合有效輻射通量之間有顯著相關(guān)性(P<0.01)，并且這些指標(biāo)的相關(guān)性不受間伐強(qiáng)度的影響；隨著間伐強(qiáng)度的增加，葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其余冠層指標(biāo)林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度、直接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子和冠下直接光合有效輻射通量及冠下總光合有效輻射通量均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；中等間伐強(qiáng)度能極大改善冠層結(jié)構(gòu)和光分布的合理性，間伐強(qiáng)度為19%時(shí)撫育效果最佳。

撫育間伐；天然用材林；森林冠層結(jié)構(gòu)；林內(nèi)光環(huán)境；大興安嶺

The forest canopy geometry and understory light characters were measured with the Winscanopy. The relationship between canopy structure parameters was studied the changes of forest canopy geometry and understory light after different tending intensity, and principal component analysis method was used to make the comprehensive evaluation of canopy geometry after the cutting. The gap fraction, openness and LAI had a significant relationships with the total site factors and the PPFD under canopy, and the correlation of these indicators was not affected by the cutting intensity. With the increase of cutting intensity, the LAI was increased and then decreased, the gap fraction, openness, direct site factor, total site factor, direct PPFD under per day and total PPFD under per day were decreased and then increased. The medium cutting strength could greatly improve the rationality of the canopy structure and light distribution, and the tending effect was the best when the cutting strength of 19%.

森林冠層結(jié)構(gòu)及組成影響著林木對(duì)降水、光輻射的截留能力，對(duì)林內(nèi)環(huán)境，比如地表植被、土壤等產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而決定著林木的生長(zhǎng)能力和質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外對(duì)冠層的研究多側(cè)重于對(duì)冠層結(jié)構(gòu)與植物生產(chǎn)力關(guān)系研究[1-4]，對(duì)林下光環(huán)境及林下幼苗對(duì)光環(huán)境的響應(yīng)也有初步研究；但缺乏較大空間尺度上的研究。對(duì)于冠層結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究，主要集中在對(duì)林分葉面積指數(shù)的直接與間接測(cè)定方法[5]。在光環(huán)境研究上，張彥雷等人[6]在林分密度變化條件下，對(duì)山西省太岳山馬泉林場(chǎng)油松人工林林分冠層結(jié)構(gòu)與林內(nèi)光環(huán)境響應(yīng)進(jìn)行了研究。

目前，對(duì)撫育間伐條件下林分冠層結(jié)構(gòu)與林內(nèi)光環(huán)境響應(yīng)的研究較少。通過(guò)間伐，構(gòu)建合理的冠層結(jié)構(gòu)，使得林內(nèi)光分布趨于合理，提高光能利用率、林分生長(zhǎng)率，促進(jìn)森林可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)半球影像技術(shù)對(duì)分析冠層結(jié)構(gòu)具有較好的實(shí)用性[7-9]。本試驗(yàn)運(yùn)用魚(yú)眼照相技術(shù)(Winscanopy)對(duì)大興安嶺用材林撫育間伐后冠層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以期為用材林的生態(tài)經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)新林林業(yè)局的新林林場(chǎng)，地處黑龍江省西北部，大興安嶺伊勒呼里山的東北坡；地理座標(biāo)為北緯51°20′～52°10′、東經(jīng)123°41′～125°25′(見(jiàn)表1)。氣溫年較差和日較差都很大，屬于寒溫帶大陸性氣候。春季多旱風(fēng)，降水較少，季平均氣溫4.4 ℃；夏季短促而炎熱，太陽(yáng)幅射較強(qiáng)，日照最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)17 h，晝長(zhǎng)夜短，日夜溫差較大，并且降雨豐富，平均氣溫15.7 ℃；秋季氣溫平均2.5 ℃，平均最高氣溫為10.2 ℃，平均最低氣溫-3.6 ℃；冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，晴燥少雪，常出現(xiàn)冰霧天氣，冬季平均氣溫-20 ℃，平均最低氣溫-27 ℃，平均最高氣溫-7 ℃。年降水量513.9 mm，且分布不均，主要降水多集中在7—8月份；無(wú)霜期為90 d左右。全年日照時(shí)間2 357 h，日照百分率為51%～56%。主要的災(zāi)害性天氣為春季的大風(fēng)和冬季的低溫。該地區(qū)土壤主要類型為山地棕色針葉林土；植被類型以喬木樹(shù)種興安落葉松(Larixgmelinii)為主體，還有少量的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica)、云杉(Piceaasperata)、白樺(Populusdavidiana)、山楊(Populusdavidiana)。

表1 試驗(yàn)樣地概況

注：L代表興安落葉松，B代表白樺，Y代表云杉，Z代表樟子松。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器：采用的是WinSCANOPY Pro 2010a植物冠層分析系統(tǒng)，主要包括高分辨率數(shù)碼相機(jī)(Samsung NV3 Camera)、魚(yú)眼鏡頭、分析軟件(WinSCANOPY)、數(shù)據(jù)處理軟件(XLSanopy)等。

樣地設(shè)置：試驗(yàn)地位于新林林場(chǎng)106、107、108、109林班內(nèi)，每個(gè)樣地面積為0.04 hm2，即20 m×20 m。根據(jù)不同的間伐強(qiáng)度設(shè)置20塊不同的樣地(見(jiàn)表1)。

于2015年7月中旬在新林林場(chǎng)試驗(yàn)樣地進(jìn)行取樣，在每個(gè)樣地上選取2～3棵興安落葉松，找準(zhǔn)正北方向并調(diào)平儀器、測(cè)量?jī)x器鏡頭離地距離，從3～4個(gè)不同方向進(jìn)行觀測(cè)，采集圖像。

數(shù)據(jù)處理：使用冠層分析儀(Winscanopy)處理獲取到的魚(yú)眼照片，得到初步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件(XLScanopy)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到冠層結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)特性指標(biāo)，包括林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度、葉面積指數(shù)、平均葉角、定點(diǎn)因子、冠層輻射通量，運(yùn)用Excel2010、spss20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。

在葉面積指數(shù)方法選取上，有研究運(yùn)用葉面積指數(shù)反演方法對(duì)實(shí)測(cè)的結(jié)果與Winscanopy的分析結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與LAI(2000)-log方法的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.8[10]。因此選取LAI(2000)-log方法測(cè)得的葉面積指數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 冠層結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)相關(guān)性

運(yùn)用冠層分析儀以及數(shù)據(jù)處理軟件得到冠層各項(xiàng)指標(biāo)值(見(jiàn)表2)。林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度能很好地反映冠層的透光率，同時(shí)開(kāi)度是林隙分?jǐn)?shù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償計(jì)算剔除植被阻隔的影響得出的實(shí)際冠層林隙分?jǐn)?shù)[11]。由表3可見(jiàn)：林隙分?jǐn)?shù)與開(kāi)度相關(guān)性極強(qiáng)，達(dá)到0.981，因此在冠層結(jié)構(gòu)中枝葉對(duì)林隙分?jǐn)?shù)的影響很小，可以不用考慮。林隙分?jǐn)?shù)，與葉面積指數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性，與總定點(diǎn)因子、冠下直射輻射通量、冠下總輻射通量都呈現(xiàn)正相關(guān)性，即隨著林隙分?jǐn)?shù)的增加，冠層對(duì)光的截獲能力明顯下降，陽(yáng)光透過(guò)冠層到達(dá)下方的入射輻射數(shù)量越多，透光率增加，總定點(diǎn)因子和冠下總光合輻射量增加，造成單位種植面積上的葉面積減小，所以葉面積指數(shù)下降。

葉面積指數(shù)決定了植被的生產(chǎn)能力，與林冠的蒸騰作用、光合作用等密切相關(guān)。由表3可見(jiàn)：葉面積指數(shù)，與總定點(diǎn)因子、冠下總輻射通量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性，葉面積指數(shù)增加，意味著單位面積上葉片面積增加，葉片覆蓋率增加，植被對(duì)光的截獲能力提高，使得透過(guò)葉片進(jìn)入林內(nèi)的光照減少，透光率減小，總定點(diǎn)因子減小，冠下總太陽(yáng)輻射量減小。

在森林環(huán)境中，太陽(yáng)輻射可以穿透整個(gè)群落，供給各層植物進(jìn)行光合作用，但是由于樹(shù)種組成、冠層結(jié)構(gòu)、枝葉分布狀況等因素的差異，太陽(yáng)輻射透過(guò)林冠層后會(huì)發(fā)生很大變化，使群落不同空間位置接受的有效光照產(chǎn)生明顯差別[12-13]。由表2可見(jiàn)：冠層上方的輻射總量在不同試驗(yàn)樣地中基本沒(méi)有差別，冠層上方直接輻射通量約為40.99 mol·m-2·d-1、冠層上方間接輻射通量為6.15 mol·m-2·d-1，說(shuō)明冠層上方太陽(yáng)輻射量并不能反映冠層的截獲能力。由表3可見(jiàn)：總定點(diǎn)因子與冠層下方總輻射通量、冠層下方直接輻射通量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，說(shuō)明冠層下方的太陽(yáng)輻射能主要來(lái)自于直射光。由表3、圖1～圖4可見(jiàn)：間接定點(diǎn)因子、冠下間接輻射，與總定點(diǎn)因子、冠下總輻射通量之間都沒(méi)有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明在光的輻射中反射、散射都對(duì)林內(nèi)光分布影響很小。

表2 冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)值

間伐強(qiáng)度/%冠上輻射通量/mol·m-2·d-1直射散射總輻射冠下輻射通量/mol·m-2·d-1直射散射總輻射0 40.99±0.316.15±0.0447.14±0.341.630±2.940.479±0.062.330±2.9034.3840.92±1.456.15±0.4647.07±1.851.186±3.230.301±0.421.597±3.646.2340.97±1.916.15±0.0947.12±2.011.430±3.110.423±0.262.191±3.1240.0140.89±1.986.15±0.9847.04±2.771.367±2.760.369±0.312.090±2.7820.8640.99±2.126.15±0.9947.14±1.531.021±3.160.400±0.421.274±3.5616.7540.92±2.226.15±0.7147.07±1.511.135±3.610.334±0.411.511±3.9812.5240.95±2.516.12±0.4747.07±2.961.243±5.100.397±0.191.740±5.1649.6340.98±1.846.15±0.5647.13±2.391.276±4.340.376±0.081.869±4.3213.7440.99±2.376.15±0.8547.14±2.511.284±4.440.273±0.141.907±4.4047.8740.99±1.946.15±0.9847.14±2.381.225±1.640.531±0.151.690±1.6656.5140.93±1.126.14±0.2647.07±1.061.514±5.680.769±0.162.276±5.773.4240.99±2.396.13±0.4747.12±2.261.555±2.510.550±0.152.230±2.5353.0940.95±2.116.14±0.2347.09±2.291.395±1.100.645±0.162.162±1.0459.9240.99±1.886.15±0.5447.14±2.201.692±9.980.600±1.012.492±10.9650.6240.99±2.696.15±0.3047.14±2.691.313±0.980.463±0.032.107±0.0225.4840.98±1.006.15±0.5147.13±1.351.047±8.040.343±0.701.322±8.7467.2540.96±3.586.15±0.2747.11±3.451.881±1.000.210±0.012.541±1.0027.8540.99±1.096.15±1.0147.14±0.951.121±3.020.457±0.571.445±3.5951.4840.99±1.136.15±1.3147.14±0.301.372±6.590.375±0.902.153±7.4119.0040.99±3.356.15±0.2547.14±3.281.102±1.870.230±0.051.340±1.90

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

表3 冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)性

注：** 表示達(dá)0.01顯著性水平。

圖1 間接定點(diǎn)因子與總定點(diǎn)因子擬合曲線

圖2 間接定點(diǎn)因子與冠下總輻射通量擬合曲線

圖3 冠下散射通量與總定點(diǎn)因子的擬合曲線

圖4 冠下散射通量與冠下總輻射通量的擬合曲線

3.2 撫育間伐后冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)變化

由表2可見(jiàn)：撫育間伐后，各個(gè)試驗(yàn)樣地冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)變化情況不同。林隙分?jǐn)?shù)變化范圍

3.148%～7.755%，開(kāi)度變化范圍3.52%～7.95%，林隙分?jǐn)?shù)最小值出現(xiàn)在間伐強(qiáng)度為20.86%，此時(shí)林隙分?jǐn)?shù)為3.148%。由圖5可見(jiàn)：隨著間伐強(qiáng)度的不斷增加，林隙分?jǐn)?shù)和開(kāi)度均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；通過(guò)單因素方差分析，不同間伐強(qiáng)度下的林隙分?jǐn)?shù)和開(kāi)度存在顯著性差異，主要是在小間伐強(qiáng)度、中等間伐強(qiáng)度、高間伐強(qiáng)度之間差異性顯著。在低間伐強(qiáng)度0～13.74%時(shí)，林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度與對(duì)照樣地相比變化緩慢，即差異性不顯著；隨著間伐強(qiáng)度的不斷增加，林隙分?jǐn)?shù)下降迅速，在中等間伐強(qiáng)度19.00%～20.86%時(shí)，達(dá)到最??；此后，林隙分?jǐn)?shù)隨著間伐強(qiáng)度的增加逐漸升高，并且上升的幅度在間伐強(qiáng)度49.63%后逐漸放緩。與對(duì)照樣地相比，在中等間伐強(qiáng)度下，林隙分?jǐn)?shù)變化較為明顯；而低間伐強(qiáng)度和高間伐強(qiáng)度下，變化不太顯著。

建立林隙分?jǐn)?shù)與間伐強(qiáng)度的回歸模型，擬合各種模型后發(fā)現(xiàn)，兩者在建立多項(xiàng)式模型時(shí)擬合效果最好。

由表2可見(jiàn)：葉面積指數(shù)的變化范圍在4.92～7.42之間，最小值出現(xiàn)在間伐強(qiáng)度為59.92%，最大值出現(xiàn)在間伐強(qiáng)度為20.86%。由圖5可見(jiàn)：葉面積指數(shù)的變化，與林隙分?jǐn)?shù)的變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。隨著間伐強(qiáng)度的不斷增加，葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并且處于不同等級(jí)的間伐強(qiáng)度之間差異性顯著。在間伐強(qiáng)度為0～13.74%時(shí)，與對(duì)照樣地相比，葉面積指數(shù)變化緩慢，即差異性不顯著；隨著間伐強(qiáng)度的不斷增加，葉面積指數(shù)迅速增長(zhǎng)，在間伐強(qiáng)度為20.86%時(shí)，達(dá)到最大；此后，隨著間伐強(qiáng)度的增加逐漸下降，并且下降的幅度在間伐強(qiáng)度49.63%后逐漸放緩；在高間伐強(qiáng)度56.51%、59.92%，葉面積指數(shù)急速下降。

建立葉面積指數(shù)與間伐強(qiáng)度的回歸模型，擬合各種模型后發(fā)現(xiàn)，兩者在建立多項(xiàng)式模型時(shí)擬合效果最好。

圖5 林隙分?jǐn)?shù)、葉面積指數(shù)與間伐強(qiáng)度的關(guān)系

由表2可見(jiàn)：各個(gè)間伐樣地的平均葉傾角約為14.76°。由表3可見(jiàn)：葉傾角與定點(diǎn)因子、光能輻射通量都不具有很強(qiáng)的相關(guān)性，且不同間伐強(qiáng)度下的葉傾角相差不大。說(shuō)明葉傾角的變化主要受樹(shù)種遺傳因素影響較大，而與林分的疏密程度、林內(nèi)環(huán)境無(wú)明顯關(guān)系，對(duì)冠層光能截獲量影響不大。

冠層消光特性，是衡量林分分布合理性的重要依據(jù)[14]。它指光在冠層內(nèi)部被吸收、散射而降低的程度，能真正反映冠層中枝葉本身的受光情況及其光學(xué)性質(zhì)[15]。消光系數(shù)的變化主要由太陽(yáng)高度角和冠層結(jié)構(gòu)引起的[16]，隨著林木生長(zhǎng)，當(dāng)枝葉變得茂盛(即葉面積指數(shù)增加)時(shí)，冠層郁閉度增加，透光率減小，到達(dá)冠層下方的光減小，消光系數(shù)隨之增大。根據(jù)Beer-Lambert方程k=-ln(I0/Iz)/Ila[17](I0為冠層下方光能輻射通量、Iz為冠層上方光能輻射通量、Ila為葉面積指數(shù))計(jì)算，得到不同間伐強(qiáng)度下消光系數(shù)變化范圍0.48～0.60。針葉樹(shù)消光系數(shù)一般在0.4～0.65之間，說(shuō)明各間伐樣地林分生長(zhǎng)穩(wěn)定。

3.3 撫育間伐對(duì)光環(huán)境特征影響

由表2可見(jiàn)：冠層直接定點(diǎn)因子的變化范圍0.039～0.076，間接定點(diǎn)因子的變化范圍0.033～0.243，總定點(diǎn)因子的變化范圍0.078～0.178。隨著間伐強(qiáng)度的增加，直接定點(diǎn)因子和總定點(diǎn)因子均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，并且不同間伐強(qiáng)度間差異性顯著。在低間伐強(qiáng)度為0～13.74%時(shí)，與對(duì)照樣地相比，總定點(diǎn)因子變化緩慢；此后，隨著間伐強(qiáng)度的不斷增加，總定點(diǎn)因子迅速下降，在中等間伐強(qiáng)度19.00%～20.85%時(shí)達(dá)到最小；隨著間伐強(qiáng)度的增加逐漸升高，并且上升的幅度在間伐強(qiáng)度49.63%后逐漸放緩；在高間伐強(qiáng)度56.51%、59.92%，總定點(diǎn)因子上升幅度增加。

建立總定點(diǎn)因子與間伐強(qiáng)度的回歸模型，擬合各種模型后發(fā)現(xiàn)，兩者在建立多項(xiàng)式模型時(shí)擬合效果最佳。

由表2可見(jiàn)，冠層下方直接輻射通量變化范圍1.021～1.881 mol·m-2·d-1、冠下間接輻射通量變化范圍0.210～0.76 mol·m-2·d-1、冠下總輻射通量變化范圍1.322～2.541 mol·m-2·d-1。不同間伐強(qiáng)度間冠下光輻射通量存在顯著性差異，隨著間伐強(qiáng)度的增加，冠層下方直接輻射通量和冠下總輻射通量均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在低間伐強(qiáng)度為0～13.74%時(shí)，與對(duì)照樣地相比，冠下總輻射通量變化緩慢；此后，隨著間伐強(qiáng)度的不斷增加，冠下總輻射通量迅速下降；在中等間伐強(qiáng)度為20.86%時(shí)達(dá)到最小值；隨著間伐強(qiáng)度的增加逐漸升高，在間伐強(qiáng)度為49.63%后上升的幅度逐漸放緩；在高間伐強(qiáng)度56.51%、59.92%，冠下總輻射通量上升幅度增加。

建立冠下總輻射通量與間伐強(qiáng)度的回歸模型，擬合各種模型后發(fā)現(xiàn)，兩者在建立多項(xiàng)式模型擬合效果最佳。

圖6 總定點(diǎn)因子與間伐強(qiáng)度的關(guān)系

圖7 冠下總輻射通量與間伐強(qiáng)度的關(guān)系

3.4 撫育間伐對(duì)冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合影響

適度的間伐改良了林內(nèi)環(huán)境，促進(jìn)林木葉片生長(zhǎng)，從而增加了林分密度，林分間隙也隨之減少[18]。葉面積指數(shù)增加，林隙分?jǐn)?shù)和開(kāi)度減小，所以葉面積指數(shù)屬于正向指標(biāo)，林隙分?jǐn)?shù)和開(kāi)度屬于逆向指標(biāo)。在光分布上，隨著林隙分?jǐn)?shù)和開(kāi)度的減小，林地透光率減小，冠層對(duì)太陽(yáng)光的截獲量增加，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量減小，因而定點(diǎn)因子也隨之減少；一般冠上總太陽(yáng)輻射通量不隨間伐強(qiáng)度的變化而變化，所以冠下輻射通量和定點(diǎn)因子屬于逆向指標(biāo)。在冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的其他指標(biāo)中，因?yàn)槿~傾角和冠上太陽(yáng)輻射通量受間伐的影響很小，所以在主成分分析時(shí)，不予考慮。在運(yùn)用主成分分析時(shí)，選用的冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)，包括林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度、葉面積指數(shù)、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射通量、冠下間接輻射通量、冠下總輻射通量。

利用spss 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到主成分因子的特征值和貢獻(xiàn)率，主成分1特征值6.769、貢獻(xiàn)率75.148%、累計(jì)貢獻(xiàn)率75.148%，主成分2特征值1.896、貢獻(xiàn)率21.071%、累計(jì)貢獻(xiàn)率96.220%；2個(gè)主成分特征值大于1，并且累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.22%。由表4可見(jiàn)：林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度、葉面積指數(shù)、直接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射、冠下總輻射通量，在第1主成分有很高的載荷，說(shuō)明第1主成分基本反映了這些指標(biāo)的信息；間接定點(diǎn)因子、冠下間接輻射通量，在第2主成分中占有很大的載荷，說(shuō)明第2主成分反映了這2個(gè)指標(biāo)的信息。所以，提取2個(gè)主成分是可以基本反映全部指標(biāo)的信息。

運(yùn)用主成分分析法對(duì)冠層結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，得到綜合模型，模型中的各項(xiàng)系數(shù)即為各項(xiàng)指標(biāo)最終所占的權(quán)重，分別為0.289、0.284、0.278、0.293、0.196、0.282、0.265、0.237、0.293。根據(jù)各因子得分得到最終的綜合得分以及排名(見(jiàn)表5)。由表6可見(jiàn)：中等間伐強(qiáng)度為19.00%時(shí)綜合得分最高，其次為間伐強(qiáng)度20.86%、25.48%、27.85%、16.75%，低間伐強(qiáng)度3.42%、6.23%分別排在第17、第15，高間伐強(qiáng)度53.09%、56.51%、59.92%、67.25%分別排在第16、第18、第20、第13。

從綜合得分和排名可見(jiàn)：除了間伐強(qiáng)度59.92%，綜合得分低于對(duì)照樣地，其余均高于對(duì)照樣地，說(shuō)明間伐極大地改善了冠層結(jié)構(gòu)和光分布合理性；中等間伐強(qiáng)度主成分分析的綜合得分都比較高，說(shuō)明中等強(qiáng)度間伐后，林內(nèi)冠層結(jié)構(gòu)趨于合理，極大促進(jìn)了林分生長(zhǎng)。

表4 因子載荷

表5 各試驗(yàn)樣地綜合得分

4 結(jié)論與討論

通過(guò)不同強(qiáng)度的撫育間伐后，對(duì)大興安嶺地區(qū)興安落葉松林冠層結(jié)構(gòu)的分析，可以得到冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)中，林隙分?jǐn)?shù)變化范圍為3.148%～7.755%、開(kāi)度變化范圍為3.52%～7.95%、葉面積指數(shù)變化范圍為4.92～7.42、直接定點(diǎn)因子變化范圍為0.039～0.076、間接定點(diǎn)因子的變化范圍為0.033～0.243、總定點(diǎn)因子變化范圍為0.078～0.178、冠下直接輻射通量變化范圍為1.021～1.881 mol·m-2·d-1、冠下間接輻射通量變化范圍為0.210～0.76 mol·m-2·d-1、冠下總輻射通量變化范圍為1.322～2.541 mol·m-2·d-1、平均葉傾角約為14.76°、冠層上方直接輻射通量約為40.99 mol·m-2·d-1、冠層上方間接輻射通量為6.15 mol·m-2·d-1、冠層上方總輻射通量約為47.14 mol·m-2·d-1。

在冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)中，林隙分?jǐn)?shù)與開(kāi)度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，與葉面積指數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)性；林隙分?jǐn)?shù)與總定點(diǎn)因子以及冠下總輻射通量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，并且其相關(guān)程度不受間伐作業(yè)的干擾；說(shuō)明間伐后林隙分?jǐn)?shù)的變化會(huì)引起其他冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)的變化，影響著冠層的光截獲能力。隨著間伐強(qiáng)度的增加，林分林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，葉面積指數(shù)變化趨勢(shì)為先增大后減小，并且不同間伐強(qiáng)度間差異性顯著。上述研究結(jié)果與高登濤[10]、李祥[19]的研究成果一致。在光環(huán)境特征上，不同間伐樣地間冠上光輻射通量沒(méi)有差別，說(shuō)明間伐并不對(duì)冠層上方太陽(yáng)輻射量產(chǎn)生影響；總定點(diǎn)因子，與冠層下方總輻射通量、冠層下方直接輻射通量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，而與間接定點(diǎn)因子、冠下間接輻射通量沒(méi)有顯著相關(guān)性，說(shuō)明冠層下方接受到的光輻射主要為直射光。這一結(jié)果，與劉立鑫[20]對(duì)天然次生林冠層結(jié)構(gòu)及光照分布的研究成果一致。隨著間伐強(qiáng)度的增加，直接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射通量、冠下總輻射通量，均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，并且不同間伐強(qiáng)度間存在顯著性差異。通過(guò)對(duì)間伐后平均葉傾角的分析，得出不同間伐強(qiáng)度下的葉傾角相差不大，并且其對(duì)冠層光截獲能力無(wú)明顯影響，原因主要是由于葉傾角的變化受樹(shù)種遺傳因素影響較大。在對(duì)消光特性的研究中，計(jì)算得到不同間伐強(qiáng)度下消光系數(shù)變化范圍為0.48～0.60，說(shuō)明各間伐樣地林分生長(zhǎng)穩(wěn)定。

應(yīng)用主成分分析對(duì)冠層結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，表明：中等間伐強(qiáng)度后冠層結(jié)構(gòu)和光分布更趨于合理化，19.00%間伐強(qiáng)度下?lián)嵊Ч罴选Ｆ湓颍哼m度的間伐使得林內(nèi)空間結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)分布趨于合理，郁閉度減小，透過(guò)上層林冠達(dá)到中下層的光合輻射量增加，促進(jìn)了林冠中下層葉片的生長(zhǎng)，導(dǎo)致葉面積指數(shù)增加；這樣增加了林分密度，林分間隙也隨之減少，此時(shí)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量減小，林隙分?jǐn)?shù)、開(kāi)度、總定點(diǎn)因子、冠下總輻射通量都達(dá)到最小。隨著間伐強(qiáng)度的持續(xù)增大，林分變得稀疏，間伐后林木生長(zhǎng)量遠(yuǎn)不及間伐時(shí)失去的生物量，因此林隙分?jǐn)?shù)和開(kāi)度逐漸增加；此時(shí)中下層林冠所受光合照射達(dá)到飽和，冠層光截獲能力下降，更多的光輻射照射到林地中，總定點(diǎn)因子和冠下總輻射通量迅速增加，促進(jìn)了灌木層植物的生長(zhǎng)[19]；養(yǎng)分的缺失以及不適宜的環(huán)境都會(huì)抑制葉片的生長(zhǎng)，葉面積指數(shù)下降。

冠層的分析還只是進(jìn)行單一的結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，對(duì)于冠層對(duì)林下植被、土壤等的影響的研究還是很少。有研究結(jié)果表明：采用強(qiáng)度為21%左右的中等強(qiáng)度撫育方式，對(duì)林地生物多樣性、土壤肥力、土壤呼吸情況均有促進(jìn)作用，有利于林分的生長(zhǎng)[21]，將這些指標(biāo)與冠層相結(jié)合，分析冠層與林內(nèi)環(huán)境的相互影響，這將是今后研究的重點(diǎn)。

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Zhang Tian, Zhu Yujie, Dong Xibin

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Tending felling; Natural timber forest; Forest canopy structure； Forest light environment; Daxing’an Mountains

張?zhí)?，女?993年1月生，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，博士研究生。E-mail：346168733@qq.com。

董希斌，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，教授。E-mail：xibindong@sina.com。

2016年6月8日。

S753.7

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201204509)。

責(zé)任編輯：張 玉。