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第 l 7卷第5期
1 9 9 7年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SlNICA
厶
V0l_l7．No．5
Sep ， 1997
华北落叶松人工林放叶过程中的辐射特征
成都)
叶过程 中太
阳辐射在林冠中的反射、透过和吸收的特点厦其变化规律。
糊 加 掣墼 ／-：F-枋 ’
RADAIATIoN CHARACTERISTICS 0F A Larix
principis—rupprechtii PLANTATION DURING
THE CoURSE OF LEAF GROW TH
Liu Zhigang Ma Qinyan Pan Xiangli
(占嘞 n 州 印 ，B g，100083， ) ( “b Forv~ry Bu啪 “⋯Na ing，Gu
Xie Zhengming
(Sicke n Fnr HvCad．s Schoo2，ch拙 gdu)
Abstract The leaf growth course of a Larix principis—rupprechtii plantation located in
North China is from the last ten—day period of April to the first ten—day period of June．
Based on the data of actual measurement of six—day typical sunny days in the period of
leaf growth，the dynamic processes of light attenuation and light absorption in the different
layers of forest canopy were determined and analyzed．
In sunny days，the observed daily mean values of PAR transmitted through the canopy
range from 30．53 0A to 3．25 in transmittance，from 6．48 to 4．1 2 in reflectance．from
65．33 to 92．93 in absorptance and from 0．2787 to 0．4640 in extinction coefficient．
During the deciduous period，approximate 65 of PAR energy of incidence is absorbed by
the branches and boles of stand．
The dynamic status of light distribution in the forest canopy is not only related closely
to the increase of leaf quantity．but also affected remarkably by the unfolding extent of the
bunches of leaves．During the leaf growth，the radiation absorption equation of the canopy
can he formulated as follow：
△Q 一 25．361 70exp(O．10715SAI)， r一 0．9821
* 国家自然科学基金资助项目(38970597)
收稿 日期 ：1995 05 17，修改稿收到 日期 ：1906 1l 29
、IJ／
一
、、
一
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520 生 态 学 报 l7卷
in which，△ is the total daily absorption amount of PAR (molm” d )transmitted
through the canopy and SAI is the surface area index of stand(m ／m )．
The main absorption surface(i．e．acting surface)of the forest canopy and the contri—
bution of the canopy below the averagy stand contact height to solar radiation absorption
are closeIy related to the leaf quantity of stand．At the end of the leaf gr ， 一
．
owth most of inci
dent light energy(over 78 )is absorbed by the forest canopy above two thirds of the aver—
age stand height．Only 8 or less of the energy，however，is absorbed by the canopy below
the average stand contact height．The extinction coefficient is the lowest in the central
canopy but the highest in the lower canopy．
Key words： Larix principis—rupprechtii，leaf growth cours4，solar radiation，distribution
dynamic． ‘ 、
森林生长源于林木的光合作用，依赖于林冠的光环境，寻求森林的最佳光结构在理论和生产上都有重
要意义。太阳辐射与林冠的相互作用首先表现为林冠对入射辐射的反射、吸收和透射过程 由于林冠高大
而不均匀致使实测困难，至今有关光结构模型的研究大都基于若干假设条件在较为均匀的农业草本群落
内进行．对于森林群落则基本上还局限于理论上的探讨。
华北落叶松(Larix principis—rupprechtii Mayr．)分布于东经112。～117。．北纬3 ～4O。5O ，海拔1600
2800m 范围内．是华北广阔的半湿润少林地区针叶林的主要建群种之一 我国华北落叶松林面积约14万公
顷，人工林占71 ，人工林中84 为幼、中龄林，主要分布在河北和山西 试验林设在河北省围场塞罕坝机
械林林场，该场位于东经116。51’～117。39 ，北纬42。02 ～42o36 ，海拔1000~1940m，年平均气温一1．4oC平
均年降水量450mm，全年 日照2546h，日照率58 该场华北落叶橙人工林经营面积4．2万公顷，5～20年生
的林分占63．5 ，正处于抚育管理的关键时期。
本文依据林木实际空间配置和林分叶量增长的动态过程 ，分层连续实测群体内典型单株和林木团
群的受光状况，分析人工林的空闻结构与实际光分布的关系．为寻求华北落叶松人工林的最佳光结构提供
依据 。
1 测试仪器与方法
本研究所用仪器：ST一86S条形照度计(60em长9感光探头)6套，测定的波长范围为4oo～700nm；DFY
2型天空辐射表7套；Li 6200光合测定仪2套。云量和日照状况用目测法．表示方法与气象站相同。
试验林标准地设置在河北省北部塞罕坝机械场长腿泡子营林区，标准地面积0．08hm ．海拔1590m，坡
度3。，林分郁闭度0．9，平均胸径9．75cm．平均树高8．03m，林龄l7年生，未经间伐，林分密度3227株／hm。。塞
罕坝华北落叶松的叶生长过程从4月下旬起至6月上旬完成 。放叶先后顺序从冠层的下部到上部，放叶过程
中．叶长、叶面积、叶干重的增长曲线，以及叶面积指数、枝表面积指数和表面积指数随冠探的累积分布曲
线均呈“S 型- 。
1992年在华北落叶松林分内选定有代表性的包括7株标准木的团群，从林地向上于1．5、2．5、3．5、4-5、
5．5、6．5m高处及冠上(高出林冠表面2m)从7：00～19：O0，观测各标准木东向和西向的入射辐射和反射辐
射，每小时1次与此同时也在团状内相邻林木同追加的两个测点上进行同样的观测。考虑到林冠下光照的
不均匀性 ，林冠透射光和林地反射光的测定是在标准地内沿两条对角线上机械布设84个测点，每隔lm一
点进行观测。林冠上与林内同步测定，每次观测限定在10min内完成，所得数据均换算成光子通量密度
本文只对放叶期间6个典型晴天的实测数据进行分析。
2 辐射特征量的定义
本文所用辐射特征基本物理量符号及定义如下：
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刘志刚等：华北落叶桧人工林放叶过程中的辐射特征 521
PAR 光台有效辐射 photosynthesis avai~ble radiation(observable light)，LAI 林分叶面积指数
leaf area index of a stand，CLAI 累积叶面积指数 cumulative leaf area index(from top downwards)，5J4』
林分表面积指数surface area index of a stand，CSAI 累积表面积指数 cumulative surface area index(from
top downwards)，CRAI 累积辐射吸收 日总量cumulative quantity of absorptionin a day，CB 日平均累
积吸收率 daily n,ean cumulative absorptivity by canopy，Q 冠上入射辐射通量 flux of incidence over
canopy，足 冠上反射辐射通量 flux of reflection by canopy，R 林地反射辐射通量flux of reflection by
ground， 透过林冠层后的辐射通量 flux of transmission through canopy，Q 冠上反射辐射日 fl,量
total quantity of incidence over canopy in a day，Q 林地入射辐射 日总量 total quantity of incidence on
ground in a day，如 林冠反射辐射 日总量 total quantity of reflection by canopy in a day。R 林地反射辐
射 日总量 total quantity of reflection by groundin a day，鲍 林冠辐射能吸收 日总量 total quantity of ab—
sorption by canopy in a day，C 林冠透射率transimittance throt gh canopy；c一 ，Q ×100 ，K 林冠
消光系数 extinction coefficient by canopy：K—In(Qg／@ )／SA1，C 日平均透射率 daily mean transmit—
tance： 一Q ／ ×100％，K 日平均消光系数 dailyItlean extinction coefficient：露一In(Q ／Q )／SA1，A
林冠反射率 reflectance by canopy：A 一R ／ ×100％，J4 林地反射率 reflectance by ground：A =R ／Q,
X100％， 林冠日平均反射率dailymean reflectance by canopy： 一R ／Q ×1oo％，五 林地日平均反
射率 daily mean reflectance by ground：Ai—R ／ ×100％， 林冠辅射能吸收通量flux of absorption
by canopy： —Q 一足一Q +Rg，B 林冠辐射吸收率 absorptivity by canopy：B 一鲍 ／Q ×100％。豇
林冠 日平均吸收率 daily mean absorptivity by canopy：B 一凸 ／ ×100％
3 结果与分析
3．1 太阳辐射在林冠中的透过、反射与吸收
j月2日～6月11日华北落叶桧放叶过程中林冠的透过率随林分表面积指数／表面积指数一叶面积指数
+枝表面积指数+千表面积指数)的增加而减小，日平均透过率变动于30． 3 ～3．25 之间(表1)。5月1 7
日以后，叶量增长迅速，日平均透过率从5月l 7日的27．55 降到5月25日的5．9l 林冠透射率随太阳高度
角的增加而增加，日变化曲线呈凸形。这是因为太阳高度角增大 ，太阳辐射通过林冠的厚度相对变小，穿过
树冠间隙到选林地的太阳辐射加大 。 。随着太阳高度角和方位角的改变林内各单木树冠沿入射方向的投
影也相应发生连续的变化，其对林内光分布的影响有待进一步深入讨论。
林冠的消光能力随叶量的增长而增加，日平均消光系数变动于0．28～0．46之间(表1)。林冠消光系数，
与透过率相反，日变化曲线呈凹形。华北落叶松的针叶丛生成束．束内平均包含49个针叶，叶束散开前，在
束外针叶的包围下，绝大多数束内针叶处于暗区，针叶截获的光量并不随着叶量的增加而成比例增加=因
此，试验林叶面积指数虽然由5月9日的1．19上升至5月17日的2．88，但平均到单位表面积指数上的消光能
力则表明为5月17日低于5月9日。试验林叶束从5月19日起明显散开 ，林中见绿 ，针叶对整十林冠消光效应
的贡献显著增大(图1)。消光系数是衡量林冠消光能力的重要指标，华北落叶松林的消光系数较小，叶子生
长稳定后的6月13、1 7日平均消光系数为0．46，这与华北落叶松的枝条在树干上轮生、针叶小且丛生有关
林冠反射率的 日变化特点是早晚大，中午小，其随叶面积指数的增加而减小，日平均反射率变动在
6．48 ～4 12 之间(表I)，反射辐射通量随太阳辐射的增强而增大。放叶期间，林地反射 丑总量变动范围
1．31～o．i8mol m ·d一，都不及林冠反射 日总量的一半，所占比例分别为：5月9日36．02 、5月17日
33．4 、5月25、26日(平均)1 2．87 和6月13、l 7日(平均)7．28 林地 日平均反射率大于林冠 日平均反射
率，这与太阳辐射透过林冠后光谱成分改变以及林下地被物少、枯黄的落叶层颜色浅有关。
光合有效辐射通过林 冠的过程中，大部分被叶子、枝条和树干所吸收。5月9日，放叶过程前期，林分叶
量较小，叶束尚未散开，枝条和树干对太阳辐射的吸收占据主导地位，日平均吸收率为65．33 (表1)。5月
l7日为68．27 ，增长缓慢 5月19日 后，随着叶束散开，林冠对太阳辐射能的吸收显著增加 。5月25日、26
日平均为89．74 ，6月13、17日平均为92．93 ，分别是5月9日的1．37倍和1．42倍 Federer在落叶闻叶林无
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522 生 态 学 报 l7卷
时 间
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图1 放叶过程中林冠捎光系数的变化
Figl Changes of forest canopy extinction c0e f je呲
叶期也曾测得枝和干吸收大约65 的入射太阳辐射能0 这表明干、枝对林 内光分布的影响不宜忽略。因
此 ，本文在计算消光系数时采用林分表面积指数，而在计算林冠各层光合速率时采用叶面积指数(关于林
分光合速率的研究另撰专文报道) 分析表明华北落叶橙人工林放叶过程中林冠对 PAR辐射吸收日总量
z~CZ,(tool m_”·d_。)与林分表面积指数SAI呈紧密指数相关：
△ 一 25．36170exp(O．10715× SAI) r一 0．9821， — 2．0476
3．2 太阳辐射在林冠层中的垂直分布
从冠顶垂直向下．由于累积表面积指数的递增，入射辐射通量和反射辐射通量光速迅速减弱。放叶期
同，随各层叶面积指数不断增加，相同层次的太阳入射辐射通量和反射辐射通量随叶生长期的递增呈明显
递增趋势(图2)。
各晴日辐射能吸收 日总量随冠层层位的降低递减。若用(△ ／2 △ )×100％表示第i层的吸收量
一
(d口)占林冠总吸收量(2L△Q．)的份额，则林冠最上面两层所占的百分比分别为：1992年5月9日50．4 ·5
D O 0 O D O
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5期 刘志刚等：华北落叶橙人工林破叶过程中的辐射特征 523
月 17日58．8 ，5月26日72．0 ，6月17 FI 78．5 。最上面两层 的下限高度(5．50m)接近林分平均树高
(8 03m)的2／3。由此可见，在破叶过程的后期(5月26日)或破叶结束(6月17日)，一天中绝大部分辐射能的
吸收发生在林分平均树高的z／3以上冠层，这说明华北落叶松林的主要作用面是在2／a林分平均树高以上
破叶期间林冠主要作用面随着叶面指数的增长而逐步抬高。
林冠最下面3层的情况为：l 992—05—09吸收量占总吸收量的27 6 ，5月17日相应的22 4 ，5月26日
10．9 ．6月17日7 7％。这表明．叶生长过程结束后林冠最下部的3层对光台有效辐射的吸收不足8 。其对
应的上限高度(4．5Om)与林分平均接触高(4．49m)吻台 前人把相邻林术接触高以上和 下的树冠分别捌
分为阳树冠和阴树冠是合理的。为了改善林分平均接触高以下冠层的光状况，提高光台生产效率，抚育间
伐或修枝已势在必行。
冠层 日平均辐射吸收率以中部冠层最大 ，上部冠层次之，下部冠层最小。而林冠垂直消光能力的分布
则相反，从冠底向上，随着层位的上升．消光系数递减．在冠层中部达最小值，到冠层上部叉有所回升。这种
分布格局与华北落叶松林冠结构特征有关，冠层中部枝叶密度大．明显提高辐射吸收率，但枝叶拥挤相互
阴蔽，平均到单位表面积指数上的消光量减少 ，消光系数降低 当然，冠层不同部位枝、叶光学特性的差异
及太阳辐射进^林冠过程中光质的改变也都与吸收和消光有关。
破叶期间各晴日林冠累积面积指数CLAI、累积表面积指数CSAI、日平均透过率 C、日平均反射率A
(各层反射率均以冠上^射辐射日总量作为分母计算)、日平均累积吸收率CBc、日平均消光系数 和累积
辐射吸收 日总量 CRAT的垂直分布及其相互关系如图2。其表明破叶过程中投射到林冠上的太阳辐射，经
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累积 辊指数( ／m )
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累积 积指暂( ， 】
日平均辐射特征值
r~ily ⋯ 日d∞ t Ch日r c en⋯
图2 放叶期间林冠累积面积指数和林内日平均辐射特征值随冠探的变化
Fizz．Changes of cumulative area indices and daily mean radiation
characteristics with the canopy depth during the teal growth period
l “ 2一 ∞ ^ 3 4一 五 5一 丽 ； 6 7 ∞ AT
过林冠层的反射、吸收．从上到下呈指数递减规律(参见图中 日平均透过率衰减曲线)。林冠的垂直消光能
力在中部冠层明显下降使曲线扭曲 放叶期间林冠对光的累积吸收率曲线(曲线5)与叶面积累积分布曲线
(曲线1)同步变化，而透射曲线(曲线3)与叶面积累积分布曲线近似相反，曲线3、5、7的下拐点大致位于冠
探4．5m处附近 与林分的平均接触高相一致 这一高度以下的冠层由于光照较弱，对光的吸收又甚步，致使
较多的枝叶脱落而自然整枝 适量加大修枝和间伐强度将有利于林分生长=
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624 生 态 学 报 17卷
4 结论
4．1 华北落叶松人工林放叶期间，晴天林冠对光台有效辐射的反射率6．48 ～4．12 ．透过率30．5 ～
3．26％．吸收率65．33 ～92．93 ，消光系数0．2787~0．4640。林内的辐射特征不仅与林分叶量有关，还受
到叶束展开程度的显著影响。放叶初期叶束展开前，技条和树干大约吸收65 的入射光台有效辐射能。
4．2 放叶期间，林冠对光台有效辐射的吸收日总量 △ (tool m ·dI1)与林分表面积指数(SAD呈指数相
美
蜩 一 25．36170exp(0．10715× SAI) r一 0．0982]， 2 0476
4．3 太阳辐射在林冠内垂直传递过程中按 Bee卜Lambed律呈负指数衰减。消光系统在林冠中部最小。
4．4 林分平均接触高以下的冠层对光能的吸收和利用甚少，适量加大修枝和间伐强度将有利于林分生
长。
参 考 文 献
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