郭素娟，熊 歡，鄒 鋒，呂文君，李廣會，謝 鵬，彭晶晶

(北京林業(yè)大學 林學院，省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京100083)

冠層分析儀在板栗冠層光輻射特征研究中的應用

郭素娟，熊 歡，鄒 鋒，呂文君，李廣會，謝 鵬，彭晶晶

(北京林業(yè)大學 林學院，省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京100083)

采用WinsCanopy 2006a冠層分析儀測定燕山地區(qū)遷西縣23個典型的板栗園115棵板栗樹的冠層光輻射參數(shù)，通過計算獲得光合有效輻射（PAR）透過率與消光系數(shù)K，并對各參數(shù)進行相關(guān)性分析。同時采用LI-3000C葉面積儀測定葉面積指數(shù)（LAIdi），與冠層分析儀提供的方法測定的葉面積指數(shù)（LAIin）進行相關(guān)性比較。結(jié)果表明：（1）板栗冠層光輻射參數(shù)中，林隙分數(shù)、開度和葉面積指數(shù)與冠下總輻射和定點因子顯著相關(guān)，并且不同樹體間差異較大，表明林隙分數(shù)、開度、葉面積指數(shù)對板栗冠層光截獲能力影響較大，而平均葉傾角與冠層光輻射其他參數(shù)無顯著相關(guān)性。（2）葉面積指數(shù)LAI(Ellips)-Lin與LAIdi呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.893（P＜0.05），表明采用冠層分析儀提供的LAI(Ellips)-Lin方法測定板栗葉面積指數(shù)具有較高的可靠性。（3）PAR透過率和消光系數(shù)K的最小值分別達到0.666和0.037，說明板栗冠層光截獲能力較強。因此，修剪對板栗冠層結(jié)構(gòu)的調(diào)控非常必要，冠層分析儀在板栗冠層光輻射特征研究中的應用前景廣闊。

板栗；冠層分析儀；冠層；光輻射；葉面積指數(shù)

板栗Castanea mollissima Bl.是我國重要的木本糧食樹種，在我國栽培歷史悠久，被稱之為“鐵桿莊稼”。但是，板栗因其果枝頂端結(jié)果和枝芽的頂端優(yōu)勢等生長特性，板栗園易郁閉、光照不良已成為影響我國板栗主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量品質(zhì)低下的重要因素，而解決這一問題的關(guān)鍵在于對板栗園采取合理有效的整形修剪措施，形成與品種、年齡及栽植密度相適應的冠層結(jié)構(gòu)，來保證通風透光良好，從而大面積提高板栗產(chǎn)量。

WinSCANOPY For Canopy Analysis冠層分析儀屬于半球面影像技術(shù)的一種，可以方便、 準確地測定群落光輻射與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且具有良好的穩(wěn)定性[1]，多被用在林分和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中。單株樹冠內(nèi)的光環(huán)境很大程度上取決于樹木本身的結(jié)構(gòu)[2]。目前，已經(jīng)有學者將冠層分析儀用在蘋果Malus pumila Mill.[3-4]、梨Pyrus pyrifolia Nakai cv. Sunhwang[5]、 柿 Diospyros kaki Thunb.[6]、 核 桃Juglans regia L.[7]等果樹上，研究其冠層結(jié)構(gòu)光輻射特征，作為判斷樹體結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標，但針對板栗冠層結(jié)構(gòu)光輻射特征的研究甚少。

葉面積指數(shù)是研究植物許多生物化學過程的關(guān)鍵參數(shù)和研究植被冠層結(jié)構(gòu)的重要指標[8]，其大小與植被種類、生長周期、葉傾角、葉簇以及非葉生物量等因素有關(guān)，此外還受葉面積指數(shù)的定義和測定方法的影響。因此，對于特定對象應該選擇適宜不同算法[3,9]。Winscanopy 2006a具有10種以 LAI 為體系的基本反演算法，在對葉面積指數(shù)進行數(shù)據(jù)分析之前，應篩選出適宜板栗葉面積指數(shù)的計算方法，而試驗中往往忽略了這一步，只是盲目的參考已有的計算方法。

因此，本試驗運用WinsCanopy 2006a冠層分析儀對我國板栗河北省遷西縣23個板栗園的115棵板栗樹冠層結(jié)構(gòu)光輻射特征進行了研究，通過對林隙分數(shù)、開度、葉面積指數(shù)、定點因子、冠下總輻射等指標的測定以及冠層PAR的透過率與消光系數(shù)K之間的相關(guān)性分析，旨在探討冠層分析儀在板栗冠層光輻射特征研究中的可行性，以期為板栗整形修剪技術(shù)提供理論指導。通過將直接測定的葉面積指數(shù)（LAIdi）與采用冠層分析儀提供的10種方法測定的葉面積指數(shù)（LAIin）進行相關(guān)性比較，來篩選出適宜板栗的葉面積指數(shù)測定方法。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

在河北省遷西縣選擇具有代表性的板栗園23個，并選擇9～12 a生，長勢中庸、樹形為自然開心形、管理水平中等的板栗樹共115株。

1.2 試驗方法

1.2.1 冠層結(jié)構(gòu)光輻射特征參數(shù)測定方法

試驗于2012年7月中旬選擇陰天條件下進行。在23個板栗園中隨機選取了觀測樹115株，采用WinsCanopy 2006a冠層分析儀對每棵試驗樹從東、南、西、北4 個不同方向進行拍攝, 每個方位拍攝3次，拍攝高度距地面約50 cm，采集圖像[10-11]。

采集圖像后，采用冠層分析儀配套軟件對圖像進行分析處理，得林隙分數(shù)、開度、葉面積指數(shù)、定點因子、冠下總輻射等指標。其中葉面積指數(shù)由10種計算方法獲得，即LAI(Bonhom)-Lin、LAI(2000)-Lin、LAI(2000G)-Lin、LAI(Sphere)-Lin、LAI(Ellips)-Lin、LAI(Bonhom)-Log、LAI(2000)-Log、LAI(2000G)-Log、LAI(Sphere)-Log、LAI(Ellips)-Log。

1.2.2 實際葉面積指數(shù)測定方法

參考張小衛(wèi)實際葉面積指數(shù)測定方法[12]，根據(jù)板栗的生長特性進行了相應改變。在其中一個板栗園，隨機選擇樹體中庸、樹勢健康的5株試驗樹，數(shù)出每一棵樹上的結(jié)果母枝數(shù)并測量樹體的冠徑（東西、南北），計算投影面積。將樹體分為上、中、下3層，每層選3個典型的結(jié)果母枝，數(shù)其葉片數(shù)，將所選的結(jié)果母枝上的葉片數(shù)相加后取平均值，即為一個結(jié)果母枝上的葉片數(shù)。采用LI-3000C葉面積儀測定所選的結(jié)果母枝上每片葉的葉面積，取平均值，即為平均葉面積?？?cè)~片數(shù)=結(jié)果母枝數(shù)×平均一個結(jié)果母枝上的葉片數(shù)；實際葉面積指數(shù)（LAIdi）=總?cè)~片數(shù)×平均葉面積/投影面積。

1.2.3 冠層PAR透過率與消光系數(shù)K計算方法

消光系數(shù)K是衡量林分冠層對有效光合輻射吸收的一個重要指標，也是計算冠層光合產(chǎn)量及光能利用率的一個重要參數(shù)[13]。 由 Beer-Lambert方程求出[14]，K 表達式為：K=-ln （I0/Iz）/ILA。

其中：K為消光系數(shù)； I0為穿透林冠到達林下的總輻射；Iz為冠層林上總輻射；ILA葉為葉面積指數(shù)。

根據(jù)林上及林下總光合有效輻射可計算得出：冠層PAR透過率= I0/Iz。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用Office Excel和SPSS 18.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冠層結(jié)構(gòu)光輻射特征參數(shù)分析

由表1和表2可知，除平均葉傾角和冠上總輻射以外，其他冠層特征參數(shù)因樹體不同差異很大。平均葉傾角與其他冠層結(jié)構(gòu)光輻射參數(shù)間的相關(guān)性不顯著，冠上輻射與冠下輻射間的相關(guān)性不顯著，其他冠層結(jié)構(gòu)光輻射參數(shù)間均存在極顯著相關(guān)性。造成平均葉傾角差異小的原因可能是，因為平均葉傾角只與樹種等遺傳因素有關(guān)，也可能與冠層特征參數(shù)數(shù)據(jù)采集的時期有關(guān)，試驗選擇在7月中旬進行，此時板栗葉片的生長已停止[15]。在同一時期、立地條件相似的情況下，因單棵樹體結(jié)構(gòu)差異大，導致板栗樹體枝葉分布不同，而冠層上方的光合有效輻射基本相同，以致其他冠層光輻射特征參數(shù)差別很大，且透過冠層到達樹下的各種輻射也在一定程度上反映了冠層光截獲能力。

表1 冠層結(jié)構(gòu)的光輻射特征參數(shù)Table 1 Light radiation characteristic parameters of canopy structure

表2 冠層光輻射特征參數(shù)間的相關(guān)性Table 2 Correlations among light radiation characteristic parameters of canopy structure

2.2 林隙分數(shù)與開度、總定點因子、冠下總輻射

林隙分數(shù)是圖像中象素等級作為開放的天空（不被植被阻隔的）所占圖像（在兩個空間間隔中）中天空網(wǎng)格區(qū)域的指數(shù)（所占百分比），開度是圖像得來的林隙分數(shù)經(jīng)過補償計算剔除了枝干阻隔的影響得出的實際冠層林隙分數(shù)[3]。由圖1可知，林隙分數(shù)與開度呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.998（P＜0.01），因此，對于板栗樹而言，

圖1 林隙分數(shù)與開度Fig. 1 Gap fraction and openness

2.3 消光系數(shù)K與冠層PAR透過率

消光系數(shù)K主要受太陽高度角和林冠結(jié)構(gòu)的運用WinsCanopy 2006a 冠層分析儀得到的林隙分數(shù)基本不受枝干阻隔的影響。定點因子則是指冠層下方接收到的日平均輻射與冠層上方接收到的日平均輻射比值，相當于透光率。由圖2、3可知，林隙分數(shù)與定點因子、冠下總輻射呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.900（P＜0.01）、0.811（P＜0.01），即林隙分數(shù)越大，透光率也就越大、冠下總輻射也越大。影響[16]，針葉樹、闊葉樹和農(nóng)田作物的差異也很大。本研究通過計算得，消光系數(shù)最小值為0.666，最大值為1.470，明顯大于針葉樹種的消光系數(shù)[1]，與丁圣彥等在其他闊葉林上的研究結(jié)果一致[17]。消光系數(shù)總體相對較大，說明其冠層截獲光的能力較強，林下光環(huán)境相對較差。PAR透過率只是粗略反映太陽輻射的在林冠中的傳輸狀況，只有消光系數(shù)K才能真正反映冠層中枝葉本身的受光狀況及其光學性質(zhì)[13]。通過計算得，PAR透過率最小值為0.037，最大值為0.586。如圖4所示，PAR透光率與消光系數(shù)呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.486（P＜0.01）。

圖2 林隙分數(shù)與總定點因子Fig. 2 Gap fraction and fixed site factor

圖3 林隙分數(shù)與冠下總輻射Fig. 3 Gap fraction and total under canopy radiation(TUCR)

圖4 冠層PAR透過率與消光系數(shù)Fig. 4 Transmission rate of photosynthetic effective radiation (RPART) and extinction coefficient K

2.4 葉面積指數(shù)

2.4.1 葉面積指數(shù)計算方法的選擇

由表3得知，實際測量的葉面積指數(shù)（LAIdi）與間接測量葉面積指數(shù)（LAIin）LAI(Ellips)-Lin方法的計算結(jié)果呈顯著相關(guān)，相關(guān)性為0.893（P＜0.05）。因此，在進行葉面積指數(shù)分析和其他冠層參數(shù)分析時，可采用LAI(Ellips)-Lin計算方法得到的葉面積指數(shù)值[3,7,18]。

2.4.2 葉面積指數(shù)與林隙分數(shù)、冠下總輻射的相關(guān)性分析

葉面積指數(shù)（LAI）是冠層生物學特征的一個重要參數(shù)它不僅與林木的光合作用、蒸騰作用以及地表凈初級生產(chǎn)力密切相關(guān)[19-20]，同時也與林木的光能截獲及利用、產(chǎn)量和品質(zhì)的形成等過程緊密相關(guān)，它在一定程度上決定了林木的生產(chǎn)效率。由圖5和圖6可知，葉面積指數(shù)與林隙分數(shù)和冠下總輻射呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為－0.902（P＜0.01）、－0.841（P＜0.01），即葉面積指數(shù)越大，與之相關(guān)的林隙分數(shù)、開度、總定點因子和冠下總光合有效輻射平均密度越小。因此，可依據(jù)葉面積指數(shù)大小來作為判定板栗樹體冠層結(jié)構(gòu)是否合理的指標。

表3 LAIdi與LAIin結(jié)果比較及相關(guān)性分析Table 3 Relation analysis of results of ILAC and ILAIW

圖5 葉面積指數(shù)與林隙分數(shù)Fig. 5 ILAIW and gap fraction

圖6 葉面積指數(shù)與冠下總光輻射Fig. 6 ILAIW and total under canopy radiation(TUCR)

3 討論與結(jié)論

（1）通過對板栗單個樹體冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，初步認為WinsCanopy 2006a冠層分析儀可用于對板栗樹冠結(jié)構(gòu)的合理性進行評價。但采用什么樣的方法才能使的冠層結(jié)構(gòu)更加合理，冠層結(jié)構(gòu)達到什么樣的標準對于板栗來說才是最合適的，還有待研究。冠層結(jié)構(gòu)的合理性因立地條件、樹種、樹齡、栽培方式的不同而不同[21-25]。

（2）WinsCanopy 2006a冠層分析儀可以測定的指標較多，但不同樹種對冠層光截獲能力影響存在差異。本研究中板栗冠層光輻射參數(shù)中，林隙分數(shù)、開度和葉面積指數(shù)與冠下總輻射和定點因子顯著相關(guān)，并且不同樹體間差異較大，表明林隙分數(shù)、開度、葉面積指數(shù)對板栗冠層光截獲能力影響較大，而平均葉傾角與冠層光輻射其他參數(shù)無顯著相關(guān)性。

（3）WinsCanopy 2006a冠層分析儀對不同的樹種，葉面積指數(shù)的計算方法不同。應盡量避免直接套用葉面積指數(shù)的計算方法。通過將直接測量的葉面積指數(shù)值（LAIdi）與間接測量的葉面積指數(shù)值（LAIin）進行相關(guān)性分析后，可知，對板栗進行葉面積指數(shù)分析時采用LAI(Ellips)-Lin的數(shù)據(jù)更合理。

（4）葉面積指數(shù)與板栗樹冠的林隙分數(shù)、冠下總輻射等指標極顯著相關(guān)，所以可將葉面積指數(shù)用作判斷板栗冠層結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標。但合理的冠層結(jié)構(gòu)對應的葉面積指數(shù)值的確定還有待研究。

（5）闊葉樹與針葉樹的消光系數(shù)差別很大，消光系數(shù)K與冠層PAR透光率呈極顯著負相關(guān)。樹冠的消光系數(shù)K越大，冠層PAR透光率減小。同理，消光系數(shù)K越小，冠層PAR透光率增加[2]。本研究中PAR透過率和消光系數(shù)K的最小值分別達到0.666和0.037，說明板栗冠層光截獲能力較強。因此，修剪對板栗冠層結(jié)構(gòu)的調(diào)控非常必要，冠層分析儀在板栗冠層光輻射特征研究中的應用前景廣闊。

[1] 宋子煒,郭小平,趙廷寧,等. 北京山區(qū)油松林光輻射特征及冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)[J]. 浙江林學院學報，2009,26(1):38 - 43.

[2] 張小全，徐德應，趙茂盛. 林冠結(jié)構(gòu)、輻射傳輸與冠層光合作用研究綜述[J]. 林業(yè)科學研究，1999,12(4):411 - 421.

[3] 高登濤,韓明玉,李炳智,等. 冠層分析儀在蘋果樹冠結(jié)構(gòu)光學特性方面的研究[J]. 西北農(nóng)業(yè)學報，2006,15(3):166- 170.

[4] 孫協(xié)平,宋 凱,王翠玲,等. 蘋果不同栽植密度和套袋對冠層光照環(huán)境參數(shù)的影響[J]. 果樹學報，2010，27(5):673-677.

[5] 趙 瑾,汪志輝,劉 燕,等. 4種樹形鮮黃梨園冠層特征果實產(chǎn)量的比較研究[J]. 中國南方果樹，2010，39(3):70 - 72.

[6] 周瑞金，扈惠靈，苗衛(wèi)東. 次郎柿冠層受光特性分析[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學，2011，(7):69-70,80.

[7] 唐榮華. 黃土高原溝壑區(qū)經(jīng)濟林樹體結(jié)構(gòu)及冠層特性研究[D]. 西北農(nóng)林科技大學，2010，陜西.

[8] Feldkirehner D C. Using the Li-cor 2000 to estimate leaf area index and light transmittance in forest canopies R1U laanbaatar –Hatgal，Mongolial，2001，12-14.

[9] WinScanopy 2006a For Canopy Analysis[M]. Regent instruments INC，2004.

[10] 張繼祥,魏欽平,張 靜,等. 利用冠層分析儀測算蘋果園葉面積指數(shù)及其可靠性分析[J].園藝學報,2010,37(2):185-192.

[11] 趙 瑾，汪志輝，劉 燕，等. 四川德陽市三種不同樹形梨園冠層特征與品質(zhì)的相關(guān)研究[J]. 四川農(nóng)業(yè)大學學報,2010,28(1): 78 - 83.

[12] 張小衛(wèi). 北京部分綠地群落冠層結(jié)構(gòu)研究[D]. 北京林業(yè)大學，2011, 北京 .

[13] 劉曉東，朱春全，雷靜品，等. 楊樹人工林冠層光合輻射分布的研究[J]. 林業(yè)科學，2000，36(3)：2 - 7.

[14] 劉志剛，馬欽彥，潘向麗，等. 華北落葉松人工林放葉過程中的輻射特征[J]. 生態(tài)學報，1997，17(5)：519 - 524.

[15] 張宇和. 中國果樹志：板栗 榛子卷[M]. 中國林業(yè)出版社，2005.

[16] 陳婷婷，賀康寧. 黃土半干旱區(qū)不同密度人工白榆林消光特性研究[J]. 水土保持研究，2007，14(4)：340 - 342.

[17] 丁圣彥，盧訓令，李昊民. 天童國家森林公園常綠闊葉林不同演替階段群落光環(huán)境特征比較[J]. 生態(tài)學報，2005,25(11):2862-2867.

[18] Chason J W，Baldocchi D D，Huston M A. A comparison of direct and indirect methods for estimating forest canopy leaf area[J]. Agricultural andForest Meteorology，1991,57:107-128.

[19] 王希群，馬履一，賈忠奎. 葉面積指數(shù)的研究和應用進展[J]. 生態(tài)學雜志，2005，24(5):537-541.

[20] Bonan G B. Land-atmosphere interactions for climate system models: coupling biophysical,biogeochemical, and ecosystem dynamical processes[J]. Remote Sensing of Environment,1995，51：57 - 73.

[21] 岳玉苓,魏欽平,張繼祥,等. 黃金梨棚架樹體結(jié)構(gòu)相對光照強度與果實品質(zhì)的關(guān)系[J]. 園藝學報，2008,35(5):625 - 630.

[22] 王 亮，郭小平，畢華興，等. 晉西地區(qū)不同樹齡富士蘋果樹群體冠層結(jié)構(gòu)特征研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報，2010,38(11):115 - 120.

[23] Alvaro Promis, Dirk Schindler, Albert Reif, et al. Solar radiation transmission in and around canopy gaps in an uneven-aged Nothofagus betuloides forest[J]. Int J Biometeorol，2009，53：355 – 367.

[24] 熊 歡，郭素娟，李廣會，等. 不同葉苞比對板栗光合特性及果實品質(zhì)的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學學報，2012，32(10): 52-57.

[25] 楊曉玲，楊 晴，郭守華，等. 燕龍板栗光合作用及其相關(guān)因素的日變化[J]. 經(jīng)濟林研究, 2008, 26(1): 67-70.

Study on canopy radiation characteristics of Castanea mollissima Bl. by using WinsCanopy 2006a

GUO Su-juan, XIONG Huan, ZOU Feng, LV Wen-jun, LI Guang-hui, XIE Peng, PENG Jing-jing

(Key Laboratory for Silviculture and Conservation Attached to China Ministry of Education, College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

With WinsCanopy 2006a, the canopy light radiation parameters of 115 Chinese chestnut trees were measured in 23 typical orchards in Qianxi county of Yanshan area. Through the calculation, the transmission rate of photosynthetic effective radiation (RPART)and extinction coefficient K were obtained, then the parameters correlations were analized. The leaf area indexes of the tested trees were measured by using LI-3000C leaf area meter. The correlation comparisons between the measured values (ILAC) by LI-3000C and those (ILAIW) by WinsCanopy 2006a were conducted. The results show that（1）the gap fraction, openness and ILA had significant correlation with the total under canopy radiation (TUCR) and fixed site factor, and there were large differences among different trees,which indicate that the gap fraction, openness and ILA had significant influences on the light interception ability, the AML had no significant correlation with other canopy optical radiation parameters;（2）The ILAW had significant relationship with ILAC and the coefficient was 0.893 (P ＜ 0.05), it means that the ILAIW had higher reliability;（3）The minimum of extinction coefficient K and RPART were 0.666 and 0.037, respectively, this shows that the light interception ability of Chinese chestnut canopy was strong.Therefore, it is necessary to regulate the Chinese chestnut canopy structure by pruning, and there is a wide application prospect of canopy analyzer in chestnut canopy radiation features study.

Castanea mollissima; Chinese chestnut; canopy analyzer; canopy; radiation; leaf area index

S727.3

A

1673-923X(2013)06-0012-05

2013-01-09

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項重大項目“板栗產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)境友好豐產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（201204401）；“十二五”科技支撐專題“北方板栗高效生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”研究與示范（2013BAD14B0402）

郭素娟（1965-），女，教授，博導，主要研究方向，經(jīng)濟林栽培，E-mail：gwangzs@263.com

[本文編校：吳 彬]