全 文 ：植　　　物　　　研　　　究
BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH
第 17 卷　第 2 期 1997 年　4 月
Vol.17　No.2 April , 　1997
红皮云杉单木冠层光能分布的探讨
赵　伟1　武亚斌1　朱志华2　张浩然2　徐文刚2
(1.东北林业大学　哈尔滨　150040)　(2.牡丹江穆棱林业局 ,牡丹江穆棱　157500)
摘　要　以 18年生的红皮云杉人工林为研究对象 ,着重研究其冠层表面的光能分布;
光在冠层表面上的散射分布;以及光能在树冠内部的吸收分布;在同一群落中 ,如果在
个体之间 , 其冠层表面接收太阳光能有很大的差别 ,其形态之间也有很大的差别。
关键词　红皮云杉;冠层表面;光能;散射
EXPLORING OF SOLAR ENERGY DISTRIBUTIONON CANOPY
SURFACE OF INDIVIDUAL PICEA KORAIENSIS NAKAI
Zhao Wei1　Wu Ya-bin1　Zhu Zi-hua2　Zhang Hao-ran2　Xu Wen-gang2
(1.Northeast forestry university , Harbin 150040)　(2.Fo restry Bureau of Muling , Mudanjang 157500)
Abstract　This article study artif icial forest of Picea koraiensis about 18 old years.
S tressing study its solar energy dist ribution on canopy surface and scattering distribution
on canopy surface , and abso rbing dist ribution of crow n.
In same communi ty , if solar energy on canopy surface had prodigious dif ference , be-
tween every individual it s configuration w ould have prodigious dif ference too.
Key words　Picea koraiensis Nakai;Canopy surface;Solar energy ;Scat tering
红皮云杉(Picea koraiensis Nakai)是东北林区的重要用材树种。它材质优良 、适应性强 、
分布广 ,人工林面积日渐扩大 。作为主导因子的太阳辐射对红皮云杉的器官的分化 、形态结
构 、生长发育等一系列生理活动有着直接或间接的影响 。太阳辐射在时间和空间的分配 ,直接
影响红皮云杉形态的建成 。树冠作为林木的重要组成部分 ,与树木的光合作用紧密相连 ,从而
对林木的生长和林分生产力状况起着不可忽视的作用〔1-5〕 。
很早就有许多专家 、学者研究光能在植物群落中的分布。但大部分都侧重于群落光量的
测定 ,建立的数学模型也各有其特色〔1-9〕。
本文承蒙东北林业大学聂绍荃教授审改。　1996年 10月收稿。
在群落中 ,对于每个个体 ,其冠层表面光能分布随其周围环境不同而有很大的差别 ,其形
态分布也有着明显的差别 。本文以 18年生的红皮云杉人工林为研究对象 ,着重研究其冠层表
面和内部的光能分布 ,并建立了一个理论模型 。
1.实验材料和方法
1.1　实验林分
供试林分位于穆棱县老道沟林场。该林区属于老爷岭山脉 。地理位置是北纬 44°56 ,东
经 130°33 , 海拔 450m ～ 460m 。年平均气温 2.3℃, 无霜期 130 天 。生长季节降水量约
405mm 。人工林地为山地中下部 ,南坡 ,坡度 5°左右 ,土壤为暗棕壤 。
1.2　实验方法
采用 ST -80B数字式照度计 。对 18年生红皮云杉人工林树冠表面各层光照强度进行测
量 ,根据转换公式及单位换算 ,转换成光能量单位 。
图 1　96 年 9 月 8 日 10.00 点三个样株的冠层表面光能分布
Fig.1　Distribution of solar energy on canopy surface of three indi-
vidual samples at ten o clock-96.9.8
由于太阳光强度随时间呈单峰
曲线 ,因此 ,为消除由于测量时间不
同而带来的测量误差 ,同 时用两台
照度计测量。一台做为标准值测量
直射光强度 ,另一台同时测量树冠各
层表面的光的强度 ,以便对每一个测
定数据 , 逐一校准。依树高和树冠
的发育将树冠分成 3 ～ 5 层 ,东南西
北全方位测量。测量工作选择在晴
天无云条件下进行。
1.3　样株的选择
在混有杨 、桦树(高为 10 ～ 15m)
的18年生的红皮云杉人工林中 ,选
择水分 、土壤等立地条当件相同 ,但
由于局部密度和阔叶树的庇荫造成
光照不同 ,而且形态上也有明显差别
的3 个样株作为实验对象。按高度
Ⅰ号分成 5 层 , Ⅱ号分成 4 层 , Ⅲ号
分成 3层 , 同层的高度相同 。
2.测量结果
2.1　冠层表面光能分布
2.1.1　不同时刻的分布状况
采用三维坐标图描述每个个体冠层表面各层的的光能量在不同时刻的分布状况 ,见图 1
和图 2 , 图中所示曲面的中央为树的最高层(树尖部分), 按层依次向下为各层分布。测定时
间为 6.00点 、8.00 点 、10.00 点 、12.00点 、14.00点 、16.00点 ,并且在不同日期重复测量多
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图 2　96 年 9 月 8 日 14.00 点三个样株的冠层表面光能
分布
Fig.2　Solar energ y distribution on conopy surface of three
individual samples at fourteen o clock 96.9.8
次。图 2为 96年 9 月 8 日上午 10.00 点
(太阳方位角为 161°,高度角为 40°)三个样
株的冠层表面光能分布状况 ,图 2 为 96 年
9月 8 日下午 14.00 点(太阳方位角为
254°,高度角为 33°)三个样株的冠层表面光
能分布状况 。在这二个图中 , X-Y平面
代表样株的冠层表面 ,Z 轴表示为光的能量
相对分布值 , a 曲面为 Ⅰ号样株 , b 曲面为
Ⅱ号样株 , c曲面为Ⅲ号样株。
2.1.2　日测量平均值的差异
图3为 96年 5月 23日三个样株冠层
表面光能日测量值的平均值的比较。在图
中 ,X-Y 平面代表样株的冠层表面 , Z 轴
表示为样株冠层表面全天测量光的能量平
均值分布值 , a 曲面为 Ⅰ号样株 , b 曲面为
Ⅱ号样株 , c曲面为Ⅲ号样株。
图 3　96 年 5 月 23 日三个样株冠层表面光能日测
量值的平均值的比较
Fig.3 　Comparition of average measuring value of
solar enerage on three individual canopy
surfaces in the day-96.5.23
图 4　96 年 5 月 23日三个样株在相同时刻各测量
值的平均值随时间的分布
Fig.4　Distribution o f every average value with time
o f three samples at same moment 96.5.23
2.1.3　在相同时刻各测量值的平均值随时间的分布
图 4为 96年 5月 23日三个样株在同一天内在相同时刻所有测量值的平均值随时间的分
布比较。
在图中 ,X轴表示为时间的分布 , Y轴表示为各样株号 , Z 轴表示光能平均值随时间的分
布。
2.1.4　不同时刻侧面的光能分布
样株的冠层表面的侧面(正对太阳入射方向)光能在不同时刻的分布见图 5。曲线 t1 、t2 、
2152 期　　　　　　　　赵伟等:红皮云杉单木冠层光能分布的探讨
图 5　样株的冠层表面的侧面光能在不
同时刻的分布
Fig.5　Distribution of solar enerage of the
side on canopy surface a t different
moment.
t3 、t4 、t5分别为 96年 9月 10日 8.00点(太阳方位角为
128°,高度角为 31°)、10.00 点(太阳方位角为 161°,高
度角为 40°)、9月 11日 6.00点(太阳方位角 104°, 高度
角为 9°)、8.00 点 、9.30(太阳方位角为 146°,高度角为
42°)所测相对光能分布曲线 。X轴表示为正对太阳光入
射方向的冠层表面的侧面的不同高度值(m)。
2.2　样株的形态测定
表 1为三个样株的形态特征。
2.3　光能在树冠内部的吸收
2.3.1　沿垂直方向树冠内部的吸收分布
图 6为Ⅰ号样株沿垂直方向 ,树冠内部对光能的吸
收 ,其中 d为拟合曲线 ,d0 为实验曲线 ,其拟合曲线公式
见表 2中曲线类型 d。
表 1 三个样株的形态测定
Table 1 configuration ditermination of three samples
样品类型号
Sample
types
树高 H(m)
High(m)
胸径 D(m)
Chest
diameter(m)
冠长 L(m)
Crown
lengh(m)
冠幅 CW(m)
Crown
range(m)
冠顶夹角Υ(°)
included ang le
of crow ntop(°)
树冠体积 V(m3)
Crow n
volume(m3)
叶面指数 F
L.A.I
Ⅰ 6.32 1.12 4.77 3.57 37 15.92 3.22
Ⅱ 4.64 1.02 3.04 3.17 51 8.46 1.78
Ⅲ 3.23 0.58 1.64 2.47 74 2.66
　　2.3.2　沿水平方向各层对光能的吸收分布
图7为Ⅰ号样株沿水平方向 ,在冠层内部不同层在不同时刻对光能的吸收 , 其中 a 、b 、c为
拟合曲线 , a0 、b0 、c0为实验曲线 ,其拟合曲线公式见表 2中曲线类型 a、b 、c。
表 2 树冠内部对光能的吸收
Table 2　 Absorption of solar energy in side canopy
曲线类型号
Curve types
时间 t
time
高度 h(m)
High
曲线拟合方程
fitting curv e Formula
相关系数 R
Correlative
index
方差 S
Variance
水平 b , ho rizontal b 96 年 9 月 11日 6 点 3.25 y=2.7941e-0.6744x 0.999 0.016
水平 a, ho rizontal a 96 年 9 月 11日 8 点 3.25 y=14.924e-2.201 x 0.992 0.198
水平 c, ho rizontal c 96 年 9 月 11日 9 点 4.25 y=5.4154e-1.7523x 0.997 0.099
垂直 d , Ver tical 96 年 9 月 11 日 10 点 y=1.2431e-0.0705x 0.880 0.022
　　2.4　冠层表面对太阳光的散射
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图 6　Ⅰ号样株树冠内部沿垂方向对光能的
吸收
Fig.6　Absorption of solar enerage in vertical
direction inside canopy fo r Ⅰ number
sample
图 7　Ⅰ号样株沿水平方向 ,在冠层内部不同层在不同
时刻对光能的吸收
Fig.7　Absorption of so lar energ y in horizontal direction
on different layer inside canopy at different mo-
ment for Ⅰ number sample
图 8　测量散射光原理图
Fig.8　Schematic diag rom
o f measuring scattered light
　　为了准确测定冠层表面对太阳光的散射分布 ,我们从 Ⅰ号样株
上摘取三个支条树支叶 ,分别叠加在一起放入一暗箱内贴在一侧 ,暗
箱另一侧开一个小孔 ,小孔面积分为 2种 , 暗箱内部四周全部用黑
色的布包住(假定箱内为一黑体),见图 8 。这样保证无其它透射光 、
反射光影响。
打开入射口 , 移动暗箱 , 使太阳光垂直照射在样株上 , 用照度
计的探头测定 0°、45°、90°角的光线的反射强度(不同距离),测量结
果见表 3。
表 3 不同入射面积 、不同测量距离 、不同测量角度的光线的散射率
Table 3　scattering rate of different incidencing area and measuring distance and measur-
ing angle
测量次数
measuring
times
测量距离 cm
measuring
distance
小孔面积 cm2
microstome area
垂直反射率
Ver tical reflecting rate
45°角反射率
45°angle
reflecting rate
水平反射率
horizontal
reflecting rate
1 6 ～ 8 2.2×2.6 5.2 % 4.2% 3.2 %
2 10 ～ 12 2.2×2.6 2.6 % 1.3% 0.7 %
3 14 ～ 16 2.2×2.6 0.42% 0.15%
4 14 ～ 16 4.1×4.8 0.96% 0.55%
3.讨论与分析
在个体冠层表面光能分布测定中 ,我们进行了大量的数据测量 ,而且也多次重复测量和验
证某些现象和规律。由于文章篇幅的限制 ,我们只列出部分实验图形和曲线提供参考。
2172 期　　　　　　　　赵伟等:红皮云杉单木冠层光能分布的探讨
树木生长发育所需的营养 物质来源于光合作用 , 虽然红皮云杉早期是耐阴树种 ,但是光
却是明显地影响了其生长发育 ,所以光因子是其生长发育的重要因素之一 。通过对图 1 、图 2 、
图 3 、图 4分析可以看出Ⅰ号个体样株几乎是全光照射下不受任何蔽荫 。因此其接受的太阳
光能量最多 。 Ⅱ号个体样株处于半遮蔽的条件下 ,因此其接受能量次之。 Ⅲ号个体样株处于
几乎全遮蔽条件下 ,因此其接收能量最少 ,而且由图 4 看出 ,在树木光合作用最佳的两个时间
点(上午 10.00点和下午 14.00点), Ⅰ号个体样株接收太阳辐射能最多 , Ⅱ号次之 , Ⅲ号最少 。
所以同年生红皮云杉由于其受光条件不同 ,其形态生长差别是非常明显的 ,见表 1。
实验测定表明 ,在个体冠层表面中 ,同一侧面在相同时刻 ,其光能分布是均匀的 ,由于受太
阳方位角和高度角的影响 ,在不同时刻同一侧面的光能不同(见图 5),在相同时刻及不同时
刻 ,冠层表面的光能分布不同(见图 1和图 2)。
当太阳高度角最大时 ,太阳辐射最强和子午线正交面光能分布最强。
见图 6 、图 7和表 2 ,光在树冠内部的吸收分布无论是沿垂直方向 , 还是水平方向 ,都服从
贝尔─兰伯特消光定律。
见表 3 ,冠层表面除了吸收部分光能外 ,而且对太阳光全方位散射 , 并且各方位的散射强
度服从一定的规律 ,沿入射光方向散射最强 ,垂直入射光方向最弱 ,因此可以得到在冠层表面
光能分布为:
I=I1+I2+I3
其中 I1 为太阳直射光 , I2为天空漫散射光 , I3为冠层表面对太阳光的水平散射在其表面
上的分布。在非太阳照射面(阴面)I1 =0;在冠层表面中 , 不同侧面的光能分布遵从一定规
律 ,而且在同一侧面上的散射光是均匀分布。
4.结　　论
本文研究的红皮云杉人工林所接受的光是属于非均一系统 ,在某一时刻可能接受直射光 ,
但在另外时刻所接受的是从阔叶树透射过来的大为减弱的光线 。同一天 、同一季节 ,太阳高度
角方位角的变动都使红皮云杉幼林冠层的光照发生变化。如果能从物理─数学角度建立模型
将有助于全面阐述红皮云杉林冠层光能分布状况 。
参　　考　　文　　献
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5.吴增志等.关于日本扁柏人工林光能利用效率的研究Ⅱ.植物生态学与地植物学学报 , 1990 , 14(2)
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