全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
长白山阔叶红松林太阳辐射分光谱特征 3
金昌杰 3 3 　关德新　朱廷曜　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
【摘要】　根据对林冠上方和林下太阳辐射的观测及气象站资料 ,分析了长白山阔叶红松林太阳辐射分光谱特
征. 结果表明 ,长白山阔叶红松林区太阳总辐射、直接辐射、散射辐射的光合有效辐射系数有一定的日变化和年
变化 ,年平均值分别为 0146、0143、0156. 阔叶红松林中不同树种的单叶对于太阳总辐射的反射率、透射率、吸收
率的平均值分别为 2710 %、2314 %、4916 %. 单叶的分光谱反射、透射和吸收的特点是 ,单叶对紫外辐射几乎全
部吸收 ;对光合有效辐射的吸收也很大 (7118 %) ,透射很小 (916 %) ,有一定的反射 (1816 %) ;对近红外辐射、反
射率和透射率接近吸收率小些 (2619 %) . 林冠分光谱辐射特点是 ,可见光和紫外辐射主要被林冠吸收 (9319 %、
9411 %) ,有少量反射和透过 ;林冠对近红外辐射的吸收较大 (5912 %) ,有一定的反射 (2613 %) ,透过较少
(1414 %) .
关键词 　阔叶红松林 　太阳分光谱辐射
Spectral characteristics of solar radiation in broadleaved Korean pine forest in Changbai Mountain. J IN Changjie ,
GUAN Dexin and ZHU Tingyao ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110015) 2
Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (1) :19～21.
Based on the measurement above and below forest canopy and meteorological data ,the spectral characteristics of solar
radiation in broadleaved Korean pine forest in Changbai Mountain was analyzed. The results show that the photosyn2
thetically active radiation ( PAP) coeffcients of total radiation ,direct radiation and scatter radiation changed daily and
yearly ,with an annual averages of 0146 ,0143 and 0156 respectively. The average reflectivity ,transmissitvity and ab2
sorptivity of single leaves of different tree species in Korean pine forest were 2710 % ,2314 % ,4916 % respectively. Sin2
gle leaves nearly absorbed all of the ultraviolet radiation (UV) and 7118 % of photosynthetically active radiation ,but
transmitted 916 % and reflected 1816 %. As for near2infrared radiation (N IR) ,the reflectivity and transmissitivity of
leaves were a little less than the absorptivity. The forest canopy absorbed 9319 % PAR and 9411 % UV ,but reflected
and transmitted less. It absorbed 5912 % ,reflected 2613 % and transmitted 1414 % N IR.
Key words 　Broadleaved Korean pine forest , Spectral solar radiation.
　　3 中国科学院百人计划项目“森林界面生态学”、国家自然科学基金
重点项目 (39730110、39470139) 、中国科学院长白山开放站基金资助项
目.
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 06 - 30 收稿 ,1999 - 09 - 03 接受.
1 　引 　　言
太阳辐射是生物圈中能量的最终来源 ,不仅以其
热效应给予生物生命活动的温度条件 ,更重要的是植
被在光的作用下进行光合作用 ,并演化形成光周期、光
形态等生物学特性. 不同波长的辐射光对植物生命活
动起着不同的作用 ,所以植被分光谱辐射特征的研究
具有重要意义. 有关太阳分光谱辐射的气候特征和森
林的分光谱辐射特征的研究前人已做过大量工
作[1～3 ,6 ,8 ] ,但系统定量研究尚不多见.
阔叶红松林是我国东北东部中温带湿润气候区最
重要的森林植被类型 ,广泛分布于长白山、完达山和小
兴安岭等地区 ,是全球变化中国东北样带东部最典型
的生态系统 ,并对调节气候、稳定东北地区生态平衡有
着重要的作用. 本文使用长白山阔叶红松林气象观测
塔上的观测资料 ,分析长白山阔叶红松林太阳辐射分
光谱特征 ,为森林生态学研究提供依据.
2 　研究方法
本项研究选在中国科学院长白山森林生态定位站阔叶红
松林内 ,主乔以红松 ( Pinus koriaensis) 、椴树 ( Tilia am urensis) 、
蒙古栎 ( Quercus mongolica) 、水曲柳 ( Fraxinus m andshurica) 、
色木 ( Acer momo) 等为主. 林分为复层结构 ,平均高约 26m ,林
木株数约 560 株·hm - 2 ,总蓄积量为 380m3·hm - 2以上 ,郁闭度
约为 018[5 ,7 ] .
观测点建有高 62m 的气象观测塔 ,在 2、32m 高度设总辐
射、反射辐射、净辐射和分光谱辐射等的观测仪器. 使用仪器有
澳大利亚产的 CN1 净辐射表、日本 EKO 分光谱辐射表 (1 套) ,
其余为锦州 322 研究所近期产品.
3 　结果与分析
311 　森林冠层结构
冠层内枝、叶的数量和分布状况等直接影响太阳
辐射能的截获量并最终影响森林干物质的生产. 长白
山阔叶红松林为天然异龄混交林 ,在观测点所在的样
点进行小区调查 ,小区是以观测点为圆心、50m 为半径
应 用 生 态 学 报 　2000 年 2 月 　第 11 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2000 ,11 (1)∶19～21
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表 1 　阔叶红松林中林冠结构统计结果
Table 1 Statistical results of canopy structure in broad2leaved Korean pine forest
树高 Height (m) > 23 20～23 17～20 14～17 11～14 8～11 < 8
棵数 Amount 42 60 71 59 38 60 38
针阔叶比例 Ratio of conifer/ broadleaf ( %) 47/ 53 44/ 56 22/ 78 5/ 95 0/ 100 0/ 100 0/ 100
平均胸径 Mean breast radius(cm) 4619 4511 3116 2018 1112 1118 1310
的圆面积 ,总株数 379 棵 ,其中有 11 棵枯木 ,其主要树
种组成如表 1 所示. 从表 1 可知立木树高居每一层的
株数和平均胸径、针阔叶树棵数比例 ,而且可知针阔叶
胸径比和枝下高 (平均为树高的一半) . 森林的叶面积
指数为 6173. 不同高度的树对森林的叶面积指数贡献
不同 ,就树高而言 ,17m 以上的树贡献大 ,约占 70 % ,
整层分布来说 ,12～17m 高处叶面积最大 ,约占 59 %.
312 　森林冠层太阳辐射及其分光谱特征
31211 林冠上表面太阳分光谱辐射 　太阳辐射到达地
球大气上界的辐照度称为太阳常数 ,世界气象组织
1981 年推荐的值为 So = 1367W·m - 2 . 太阳光谱范围
为 0115～410μm ,最大强度的波长约为 0149μm ,根据
人对光质的不同响应 ,可分为紫外光辐射 ( UV ,波长
< 014μm) 、可见光辐射 ( PAR 波长 014～017μm) 和近
红外光辐射 (N IR ,波长 > 017μm) . 大气上界太阳辐射
的组成 :UV 占 811 % ,PAR 占 3818 % ,NIR 占 5311 %[1] .
太阳直接辐射进入大气层后受到大气分子散射和空气
中固体、液体微粒的漫反射以及各种气体和水汽等的
吸收而被削弱 ,太阳辐射能量 ( Q) 和光谱组成均发生
了明显变化 ,且由于云的遮蔽 ,日照时数常常小于可照
时数 ,因而实际到达森林上表面的太阳辐射 Q 更小.
总辐射中能被绿色植物用来进行光合作用的能量
称为光合有效辐射 Q PAR (即可见光) ,常用光合有效辐
射系数表示光资源中被植物利用 ,参与光合作用的比
例. 由于太阳辐射是直接辐射 S 和散射辐射 D 之和
(即 Q = S + D) ,根据下式定义 3 个光合有效辐射系数
Q PA R = ηQ ·Q
或 　Q PA R = ηs S +ηD D
式中 ,ηQ 、ηs、ηD 分别为总辐射、直接辐射、散射辐射的
光合有效辐射系数.
由于观测仪器采用的滤光玻璃片光学性质的差
异 ,不同作者观测结果稍有不同 ,我们的观测仪器采用
的滤光波长范围为 01395～01695μm. 根据长白山森
林生态定位站观测资料的分析 ,结果如表 2、图 1 所
示 ,有日变化和年变化 ,日变化特征是ηQ 和ηD 早晚
大 ,中午小 ,而ηs 早晚小 ,中午大 ;年变化特征是ηQ 和
ηD 冬季大 ,夏季小 ;ηs 夏季大 ,冬季小 ;其原因是由于
太阳高度角的增大太阳光路径大气层路程长 ,有利于
大气层对紫外辐射和近红外辐射的吸收 ,年平均ηQ =
0146、ηs = 0143、ηD = 0156.
图 1 　PAR 系数日变化特征
Fig. 1 Characteristics of diurnal variation of PAR coefficient .
表 2 　长白山站太阳辐射及光合有效辐射系数( 1980～1992 年)
Table 2 Solar radiation and PAR coeff icients in Changbai Mountain Station
项　目
Items
月份 Month
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
年总量或平均
Annual total
or mean
日照时数 (h) 14810 15612 19910 20118 21014 18013 17513 19013 18914 19512 15211 12219 212110
Insolation duration
日照率 ( %) 49 51 54 49 47 39 38 46 51 58 50 44 48
Insolation ratio
Q测 (MJ·m - 2) 25510 30613 46219 50914 62612 53815 49513 45917 41415 35719 25312 19710 487519
Measured value
ηQ 01472 01461 01456 01452 01450 01448 01450 01451 01453 01454 01466 01476 01457
ηD 01614 01585 01559 01537 01518 01508 01514 01528 01544 01569 01595 01625 01558
ηS 01420 01433 01434 01437 01437 01441 01439 01437 01432 01432 01428 01425 01433
表 3 　阔叶红松林中主要树种树叶的反射率、透射率及吸收率( %)
Table 3 Albedo ,transmissivity and absorptivity of single leaf of major tree
项　目
Items
红松
Pinus
koriaensis
水曲柳
Fraxinus
mandshurica
榆树
Ul m us
propinqua
赤杨
A lnus
mandshurica
蒙古柞
Quercus
mongolica
桦树
Bet ula
槭树
Tilia
am urensis
色木
Acer
mono
山槐
M aackia
am urensis
平均
Mean
反射率 Albedo 21 27 26 28 26 32 30 25 28 2710
透射率 Transmissivity 25 23 25 22 28 22 26 18 22 2314
吸收率 Absorptivity 54 50 49 50 46 46 44 57 50 4916
02 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
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31212 单叶的分光谱辐射 　对于太阳总辐射 ,阔叶红
松林中不同树种的单叶的反射率、透射率、吸收率测定
结果如表 3. 从表 3 可看出 ,反射率、透射率、吸收率的
平均值分别为 2710 %、2314 %、4916 %.
　　单叶的分光谱反射率、透射率及吸收率 ( %) 表 3、
表 4 所示 ,可以发现 ,单叶对紫外辐射几乎全部吸收 ;
对光合有效辐射的吸收也很大 (7118 %) ,透射很小
(916 %) ,有一定的反射 (1816 %) ;对红外辐射 ,反射率 和透射率接近 (3411 % ,3910 %) ,吸收率小些 (2619 %) .31213 林冠的分光谱辐射 　森林冠层的分光谱辐射不仅和单个叶片的反射特征有关 ,也和冠层的结构特征有关. 阔叶红松林林冠的分光谱辐射特征的观测结果列于表 5. 从表 5 可看出 ,林冠上表面太阳辐射能量为100 ,括号中数据为分光谱辐射占该项辐射的百分数 ,林冠层的总反射率为 1417 % ,进入森林生态系统的能量即短波净辐射 R ns约占总辐射的8513 % ,其中林冠
表 4 　阔叶红松林中单叶的分光谱反射率、透射率及吸收率( %)
Table 4 Spectral albedo , transmissivity and absorptivity of single leaf in broad2leaved Korean pine forest
项　目
Items
反射率 Albedo
测量值
Measured value M
3 K3 透射率 Transmissivity测量值Measured value M 3 K3 吸收率 Absorptivity测量值Measured value M 3 K3
总辐射 Total radiation 2710 30 24 2314 20 29 4916 50 47
VU 010 010 100
PAR 1816 916 7118
NIR 3411 3910 26193 M :引自 Montieth (1975) ; K:康德拉捷夫的观测结果 (王正非 ,1985) .
表 5 　阔叶红松林太阳辐射状况及光谱组成
Table 5 Solar radiation and spectra component in broad - leaved Korean pine forest( %)
项　目
Items
辐射总能量
Total radiation
紫外辐射
UV
可见光辐射
PAR
红外辐射
NIR
林冠上表面太阳辐射 Solar radiation on forest surface 100 616 (100) 4515 (100) 4719 (100)
反射辐射 Albedo 1417 014 (611) 117 (317) 1216 (2613)
吸收辐射 Absorptivity 7714 612 (9319) 4218 (9411) 2814 (5912)
透过辐射 Transmissivity 719 0 1 (212) 619 (1414)
吸收 7714 % ,透射 719 %. 林冠分光谱特点是 ,紫外辐
射主要被林冠吸收 (9319 %) ,有少量反射 ;可见光主要
被林冠吸收 (9411 %) ,有少量反射和透过 ;林冠对红外
辐射的吸收较大 (5912 %) ,有一定的反射 (2613 %) ,透
过较少 (1414 %) .
4 　结 　　论
411 　长白山阔叶红松林区太阳总辐射、直接辐射、散
射辐射的光合有效辐射系数有一定的日变化和年变
化 ,总辐射、直接辐射的光合有效辐射系数在太阳高度
较低 (日出后、日落前 ,冬半年) 时较大 ,太阳高度较高
(午间 ,夏半年)时较小 ,散射辐射的光合有效辐射系数
则相反 ,年平均ηQ = 0146、ηs = 0143 和ηD = 0156.
412 　对于太阳总辐射 ,阔叶红松林中不同树种的单叶
反射率、透射率、吸收率的平均值分别为 2710 %、
2314 %、4916 %. 单叶的分光谱反射、透射和吸收的特
点是 ,单叶对紫外辐射几乎全部吸收 ;对光合有效辐射
的吸收也很大 (7118 %) ,透射很小 (916 %) ,有一定的
反射 ( 1816 %) ; 对红外辐射 ,反射率和透射率接近
(3411 % , 3910 %) , 吸收率小些 (2619 %) .
413 　林冠分光谱特点是可见光和紫外辐射主要被林
冠吸收 (9319 %、9411 %) ,有少量反射和透过 ;林冠对 红外辐射的吸收较大 ( 5912 %) , 有一定的反射(2613 %) ,透过较少 (1414 %) .参考文献1　Efimowa HA. 1977. Trans Wang B2Zh (王炳忠) . 1977. Radiationfactors of vegetation production. Beijing : Meteorology Press. (in Chi2nese)2 　Huang B2W(黄秉维) . 1989. China agricultural production potential2photosynthesis potential. Agricultural eco2environment Research. Bei2jing :Meteorology Press. (in Chinese)3 　Montieth , JL . 1975. Vegetation and Atmosphere. London : AcademicPress.4 　Wang B2Zh (王炳忠) . 1988. Solar Radiation Measurement and ItsCriteria. Beijing :Science Press. (in Chinese)5 　Wang Z(王　战) , Xu Zh2B (徐振邦) , Li X(李 　昕) . 1980. Themain forests and their community features in the north slope of Chang2baishan Mountain. Forest Ecosystem Research , 1 :25～42 (in Chinese)6 　Wang Zh2F(王正非) , Zhu T2Y(朱廷曜) , Zhu J2W(朱劲伟) et al .1985. Forest Meteorology. Beijing : China Forestry Press. ( in Chi2nese)7 　Zhao D2Ch (赵大昌) . 1980. The vertical ovegetation distributionzones in Changbaishan Mountain. Forest Ecosystem Research (森林生态系统研究) , 1 :65～70 (in Chinese)8 　Zhou Y2H(周允华) . 1984. The climatological research on photosyn2thetically active radiation. Acta Meteo Sin (气象学报) , 42 (4) :387～397 (in Chinese)作者简介 　金昌杰 ,男 ,1965 年生 ,博士 ,研究员 ,主要从事生态气候研究 ,发表文章 21 篇. E2mail :cjjin @iae. syb. ac. cn
121 期 　　　　　　　　　　　　　　　金昌杰等 :长白山阔叶红松林太阳辐射分光谱特征