全 文 ：B UE L L T【N O F BO A N I TC A LR E S E A R C H
第 15 卷 第 2期
VO I
.
15 N o
.
2
19 5 年 4 月
A P r i l
,
19 5
不同森林群落结构与光能利用率的关系*
赵宝忱 刘自强 吴淑杰
T H E R E L A T I O N S H I P B E TW E E N T H E
S T R U C T U R E A N D T l王E S U N L I G H T
U T I L I Z A T IO N R A T I O O F D I F F E R E N T
F O R E S T R Y C O 入IM U N I T I E S
Z h a o B a o 一 e h e n L i u 2 1一 q i a n g W u S h u 一 j i e
〔摘 要〕 本文在人工 落叫一松纯林及人工落叶松与水曲柳混交林的林冠观测
数据的基础上建立 了落叶松和水曲柳的树冠锥体模型 . 通过对上述两种森林群落结
构的太阳辐射的观测 , 利用电磁波的吸收 、 反射和透射理论分别对以上两种森林群
落的光能利用率进行了计算 。 结果表明理论计算值与实侧结果基本一致 ; 双层次混
交林的光能利用率高于单层纯林的光能利用率 。
关键词 树冠锥体模型 ; 太阳辐射 ; 吸收率
引 言
太阳辐射是森林群落生长演替所需要的能量来源 。 辐射在植物群落中的分布早在本世纪
初就有人开始研究 。 比较系统地从数学上进行计算始于本世纪五十年代 〔 I,2 〕 . 随后 , 前
苏联 、 日本和我国的一些学者对某些特定结构的植物群落中光分布的数学表达形式进行过研
究 〔 .34 〕 . 关于光在植物群落中传递的物理过程的严格数学分析与计算始于八十年代 。 崔
启武等 〔 .5 6 〕 在分析了光在林冠这一特殊介质中传递的物理过程后 , 推导出了适应于特殊
交角叶片结构中光透过的普遍化公式和随机分布冠层中的特殊形式 。 丁宝永等 〔 7 〕 对落叶
松人工林不同群落结构光能利用规律进行过计算和研究 .
本文作者单位 : 黑龙江 . 哈尔滨 , 东北林业大学 ( N o r t h 一 e a s t F o r e s try u n iv e r s i ty , H a r b in 15 0() 40 , H . i lo 。幼 a-
n g )
。
. 国家自然科学基金资助 .
1994年 8 月收到本文 .
2 期 赵宝忱等 : 不同森林群落结构与光能利用率的关系 2 5 7
研究方法与调查地概况
本项研究观测地设在东北林业大学帽 ,jL 山实验林场老山生态定位站东侧 , 北纬 45 . 21
气 东经 127 . 31 飞 土壤为白浆土 , 坡度为 15 气 这里生长着 12 年生人工落叶松林 , 密度为
1
.
6m x Zm
, 林分呈带状 。 其中 , 一部分与水曲柳相邻 , 在这部分落叶松林下有水曲柳幼树
人侵生长 , 形成落叶松林下阔叶亚层 。 这样形成两种结构的落叶松林分 : ( i) 落叶松纯
林 . 林下植物稀少 、 树种成分单一 。 ( 2) 落叶松阔叶树混交林 。 林内有水曲柳幼树生长 。
在以上两种林分中选取 6株具有代表性样木 、 记录各侧枝的长度及所处高度 . 建立落叶
松冠形模式 。 在混交林中随机选取 巧 株水曲柳幼树记录各侧枝的长度 、 所处的高度 、 树高
及年令 , 建立水曲柳幼树冠形模式 。
用天空辐射仪在如图 1 、 图 2 所示的 A 、 B 点及 A ’ 、 B ’ 、 C ’ 点测人射辐射与反
射 , 其中 , 在 A 与 A ’ 点的测量值为人射落叶松冠层的辐射 , 在 B ’ 点的测量值为人射水
曲柳冠层的辐射 , 在 B ` 与 C ’ 点的测量值为人射地表植被层的辐射 。
为简化研究 . 本文把人工落叶松纯林视为由单层乔木冠层与地表植被层组成 ; 把混交林
视为由落叶松乔木冠层 、 水曲柳幼树冠层及地表植被层组成 。 把树冠看成一个整体 , 不考虑
光在林冠中传递的细节过程 . 只注意其总体效应 。 在观测总辐射的基础上计算林冠的光能吸
收率 .
数据处理 、 理论计算与分析
3
.
1 林冠结构
测量数据经整理给出两种不同结构林分中 . 落叶松与水曲柳侧枝的垂直分布 (见表
1)
. 根据其分布特点建立树冠锥体模型 . 其中 , 落叶松冠顶角小于水曲柳冠顶角 。 图 l 与
图 2分别给出落叶松纯林与落叶松与水曲柳混交林的林分结构与树冠模型 . 其中 , al 、 al
为落叶松株间距 。 a Z为水曲柳株间距 . 51 、 5 1为落叶松冠最大水平截面积 , 5 2为水曲柳冠
)
. 51
I而甘兀
卜一 al 一叫
图 l 落叶松纯林冠模型 及测点分市
卜卜 . 气 一闷 卜卜 . 勺 - 闷
图 2 落叶松 、 水曲柳混文林树冠模型及侧点分布
植 物 研 究 15 卷
表 l 林分与树冠结构调查表
落 叶 松 水 曲 柳
平均枝长 / m 水平枝倾角度 距地面高度 / m 平均枝长 / m 水平枝倾角度
0 一 2. 20 1. 34 7 0 0 一 0 . 8 0 0 . 38 65
2
.
21一 3. 70 1. 4 3 60 0 . 8 1一 1. 0 0 0 . 4 5 5 2
3
.
7 1一 4 . 9 1 1. 4 25 0 1. 0 1一 1. 20 0 . 3 3 4 5
4
.
9 2一 5 . 8 9 1. 4 210 1. 21一 1. 4 0 0 . 23 35
5
.
9 0 一 6. 7 2 1. 0 230 > 1. 4 0 0. 20
> 6
.
7 2
树冠顶角度 30 4 0
树离 / m 7 . 8 1. 6
株间距 / m 2. 1 2 1. 5 0
最大水平截面积 , S 与 5 2为单株落叶松与水曲柳所占林地面积 , h 为落叶松冠高 , 1为水
曲柳冠高 , 刀为冠顶角 . 落叶松纯林林分结构简单 , 由落叶松冠层和少量地表植被组成 ;
混交林由上层落叶松冠层及其冠下水曲柳冠层和地被植物组成 .
3
.
2 光能吸收率的计算
3
.
2
.
1
. 单层落叶松纯林光能吸收率的计算
设在达林冠顶部单位水平面积的总辐射通量为 叱 ; 许 l 、 叭 _ r l分别表示上述单位水平面
积上反射回大气的反射辐射通量和进人树冠的人射辐射通量 , 则有 :
叭 = 呜一+ 叭 一 r l
铸 1= r l卿
卿 一 , l ~ ( 1一 r 一)中l
( 1)
式中 r l为树冠的反射系数 。 而 卿 一 r l中的一部分被树冠层所吸收 , 记作 卿 _ 。 l , 另一部
分透过树冠通过冠下空间而达到地表植物被层 、 记作 吸 1, al 为林冠透射系数 . 于是有 :
卿一 r l = 汽 l + 叭一 a -
帐 l = 气勿 一 r l = 气( l 一 r l )卿
叭一 a l = ( 1一 气)叱一 r z二 ( 1一 气) ( l一 r l )竹
(2)
这样可得到落叶松冠层的光能吸收率 :
叭一 阅 S 一 _ ( 1一 、 ) ( l 一 r l ) s ;
.
俩 5 5 (
3 )
由图 1 可得 :
2 期 赵宝忱等 :不同森林群落结构与光能利用率的关系 2 5 9
s
, = 二 h , t h , 卫 , s = a弓
2
将 sl ,s 代人 ( 3) 式得 :
叮 l = ( l一 r l ) ( 1一 : 1 ) (4 )
设 件为林冠顶部的总反射辐射通量 , 呜2为地表植被层的反射辐射通量 , 则有 :
|、 .夕J
.
卜ù了.、了.飞、l件 1= 铸一 铸 2
将 ( 5) 式代人 ( l) 式 、 可得落叶松林冠的反射系数 :
r l = 呜 1 /卿 = (啊 一 畴2) /叭
由式 ( 2) 可求得林冠的透射系数 :
气= 中 d / ( l 一 r l )卿
把林冠反射系数 r l和透射系数 气及 h 、 刀代人式 ( 4) ,
的吸收率 .
(7 )
可得落叶松纯林林冠对太阳辐射
表 2 , 给出 7 月 3 日落叶松纯林中人射辐射 , 反射辐射和林下地表植被层的人射辐射与
反射辐射 . 根据以上方法算出落叶松纯林的光能吸收率 (见表 3) 。 通过与实测值比较可
见 , 理论值与实测值很接近 。
表 2 落叶松纯林太阳辐射测量值 (辐射单位 : J /m Z . s)
地 方 时 6 日寸 8 日寸 10 时 1 2 时 14 时
价 l 16 5 . 8 6 4 5 1 . 3 2 6 4 0 . 14 5 8 0 . 2 7 6 6 3 . 17
中 r 3 4 . 19 6 8 . 3 8 13 8 . 16 8 2 . 0 6 9 5 . 7 4
中 , l 17 . 10 6 1 . 5 4 7 8 . 6 4 8 2 . 0 6 10 0 . 9 0
中 2r 6 . 8 4 1 8 . 8 4 13 . 6 8 13 . 6 8 3 0 . 7 7
太阳高度角 。 2 0 . 5 0 4 1 . 4 6 6 0 . 5 4 6 6 . 9 5 6 0 . 5 4
表 3 落叶松纯林太阳辐射吸收率的理论值与实测值 ( % 〕
地 方 时 6 时 8 日寸 10 时 12 时 14 时 平均值
理论值 7 1 . 0 0 7 3 . 12 6 6 . 2 0 7 2 . 2 1 7 2 . 7 3 7 1 . 0 5
实测值 7 3 . 20 7 5 . 3 9 6 8 . 2 7 7 4 . 0 7 7 4 . , 7 3 . 18
3
.
2
.
2 双层混交林的光能吸收率
20 6植 物 研 究 巧卷
设落叶松与水曲柳林冠衔接处 (即图 2 中 B’ 点 )单位水平面积的总辐射通t 和反射
辐射通量韶 lJ为 几 1 , . 叱 ; 以 件 2 , , 勿 _ r Z分别代表水曲柳林冠的反射辐射通全和进人水曲柳林冠内的人射辐射通量 . 则有 :
{
凡一= 件 2 + 勿一 r Z ,
住中
、、夕
户-,自lr铸2 ` = r Z中 。
卿 一 r Z= (1一
(8)
其中 ,
作 仰 _ a2 、
{
r Z为水曲柳林冠的反射系数 , 而 勿 _ r 2, 中的一部分被水曲柳林冠所吸收 , 记
另一部分被反射回林冠 、 记作 咖 · 于是则有:
叭一 r Z · = 几2 + 啊一 a Z ,
句 , a 。 ,勿一 r Z , 可 1一 r 2) 中 d ,
仰一 ` , = ( l一 a Z ,) 中 1一 r Z , = ( 1一 电 ,) ( 1一 r Z ,中d ,)
(9)
式中 .
几 2 ’ =
叭 一 己
这样 ,
a2 为水曲柳林冠的透射系数 . 按式 ( 2) 可得 :
气二 一( 1一 r公 ( l一 r l ,) 仰 ,
一 二 l ( l一 电) (1一 r l ( 1一 r公 叱
第二层水曲柳林冠吸收率为:
, : 二 .为二之 .三中 , : , 凡
其中 , s 2’ 二 二 I Z t : 2
_ 门 _ _ · 、 ` , _ , , 、 S犷一 、 ` 一 ` x z 、 孟 一 孟 2 , .石,
甘 2
( 10 )
水曲柳林冠的反射系数
,
s : 一 a圣
、 透射系数 龟伪 :
护.内`口一ZT.
r主一 (御一 蜘 )/ 蜘: 硕一 。 ` J 。中 (1 一 ir)
将 5 2 , 5 2 , r Z 、 : 2代人 ( 10 ) 式得 :
, `一 “ 一几 ,“ 一`卜匹上生雀业 ( 11 )
第一层落叶松林冠吸收率为 :
气 = ( l一 气 ) ( 1一 r l )5 1 /s ’
其中 :
r l = 件 I J卿 , = (呜 ,一 呜2 .) / 仰 、
气= 中d J ( 1一 r一 叭 ,
这样混交林双层林冠的光能吸收率为 :
, 城+ , : = ( l 一 r : ’ ) ( `一 1’ )
(12 )
ia( )
2
+ ( 1一 r 2’ )
( 1一 。 2 )
( 13)
表 4给出 7月 3 日落叶松混交林中 射辐射与反射辐射的实侧值 . 根据上述计算方法给峨人
出混交林中落叶松与水曲柳的辐射吸收率的理论计算值 , 与实测值很接近 (见表 匀 .
2期 赵宝忱等 : 不同森林群落结构与光能利用率的关系 2自
表 4 混交林太阳辐射测量值 (辐射单位 : J /m Z. s)
地方时 6 日寸 8 时 10 时 1 2时 1 4时
,
f 18 4
.
2 1 4 6 9
.
7 5 6 9 0
.
8 0 6 9 5
.
4 1 6 0 7
.
9 1
中 r 夕 3 4 . 19 8 5 . 4 8 1 2 3 . 0 9 16 2 . 4 4 8 2 . 0 6
中 al 夕 2 7 . 3 5 5 1 . 2 9 6 8 . 3 8 7 5 . 2 2 9 4 . 0 6
中 2r 10 . 2 6 10 . 2 6 13 . 6 8 2 7 . 3 5 13 . 6 8
中 a2 产 6 . 8 4 5 . 16 13 . 6 8 1 5 . 4 2 12 . 0 0
甲 3r 5 . 16 3 . 4 2 】0 . 2 6 6 . 8 4 5 . 4 4
太阳高度角 。 2 0 . 5 0 4 1 . 4 6 6 0 . 5 4 6 6 . 9 5 6 0 。 5 4
表 5 混交林太阳辐射吸收率的理论值与实测值 ( % )
地 方 时 6时 8 时 10时 12 时 14时 平均值
理 落叶松 7 1. 2 7 7 2 . 17 7 3 . 3 5 6 8 . 9 1 7 2 . 3 4 7 1 . 6 1
论值 水曲柳 7 . 17 10 . 0 8 9 . 8 7 6 . 8 7 10 . 3 8 8 . 8 6
实 落叶松 7 2 . ! 6 7 3 . 0 7 74 . 2 6 6 9 . 7 6 7 3 . 2 8 7 2 . 5 1
侧值 水曲柳 8 . 3 7 8 . 3 6 7 . 4 2 5 . 6 5 12 . 1 4 8 . 3 9
结束语
从表 3和表 5能够看出 、 用电磁波辐射理论计算出的落叶松纯林与落叶松 、 水曲柳混交
林的光能吸收率的计算值与实测值基本一致 。 对比表 3和表 5 , 还可以得出下述结论 : 单层
人工落叶松林的光能利用率低于双层落叶松与水曲柳混交林的光能利用率 .
应该指出上述光能吸收率的计算方法只是一个初步尝试 , 有待进一步完善 。 在计算过程
中应注意 : 对群落中样树选择要具有代表性 ; 对林分结构的调查要准确 .
A B S T R A C T
B
。 ` 飞、 0 1 t h e O b s e r v C d d a t a o f th e C r o w n S t r u C t u r e
s at n d s a n d la ir x o lg e n s i s 一 n o r t h e a s t C h i l l a a s h m i x e d
o f a rt i if e ia l L如 x o lg e n s i s
s t an d s
,
w e e s扭b l i s he d th e
26 2植 物 研 究 5 1卷
C O r、 Vn C O n e】n O Q C I 0l a 1 r 1a n Q n 0 Xl t n ea st 七n 】 1
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s m i s s i o n o f e l e ct r o m ag en t ie w a v e
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t a n d s 15 la r g e r ht a n th a t o f th e o en
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参 考 文 献
〔 l 〕 E A . 口助气翔“ , K B。 皿po ” 。 p” Ma 明。心。M eP 岌帐M e . X加 aT a T “ Hx a . H , 二 ^ cH c c P eC p . n ” p . u 】’e o
中助 . N o 3 . 1950 .
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