全 文 ：第 ws卷 第 t期
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林 业 科 学
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长白山阔叶红松林冠层透射率的定点观测研究
关德新 金明淑 徐 浩
k中国科学院应用生态研究所 沈阳 ttsstyl
摘 要 } 根据长白山阔叶红松林林上和林地太阳辐射的定点观测结果 o计算了 x月 uu日 ) ts月 tw日的林冠透射
率 o发现林冠定点透射率与天空状况有关 o阴天时透射率的日变程曲线比较平稳 o少云天波动增加 o晴天条件下波
动最为剧烈 o这种差别是由林窗和太阳辐射中直接辐射的比率不同而产生的 ∀然而通过 u §定点测定与游走测定
的比较发现 o两种方法测定的透射率日平均值差异不大 o定点测定的日平均值能较好地代表林冠的透射率特征 ∀
定点透射率的日变程曲线还随着生长季进程而变化 o不仅透射率大小发生变化 o透射率峰值的出现时间也发生更
迭 ∀在观测期间内 o定点透射率日平均值的季节变程曲线呈 ˜形 ox月底和 ts月上旬较高 oz ) {月较低且平稳 o随
日期k季节l的动态变化符合四次多项式函数 o反映了冠层叶面积的季节变化特征 ∀
关键词 } 定点透射率 o阔叶红松林 o日变化 o季节变化
中图分类号 }≥zt{1xx 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlst p ssvt p sx
收稿日期 }ussu p sw p tx ∀
基金项目 }中国科学院创新项目kŽ≤÷u2wsyl !中国科学院沈阳应用生态研究所创新项目k≥≤÷⁄stst2svl资助 ∀
Φιξεδ Ποιντ Μεασυρεµεντσ οφ Χροων Τρανσµισσιϖιτψ οφ τηε
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kΙνστιτυτε οφ Αππλιεδ Εχολογψo Χηινεσε Αχαδεµψοφ Σχιενχεσ Σηενψανγttsstyl
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Κεψ ωορδσ} ×µ¤±¶°¬¶¶¬√¬·¼o…µ²¤§2¯ ¤¨√¨ §Ž²µ¨¤± °¬±¨ ©²µ¨¶·o≥¨ ¤¶²±¤¯ √¤µ¬¤·¬²±o⁄¬∏µ±¤¯ √¤µ¬¤·¬²±
太阳辐射是森林生态系统中一切生命活动的根本能源 ∀照射到森林下垫面的太阳能一部分被反射回大
气 o一部分被林冠层截获 o其余部分透射到林地 o称为透射辐射 ∀透射辐射占总辐射的比例虽然不是很大 o但
它对森林生态系统生态过程的作用是不可忽略的 o它既是地被植物光合作用的能源 o也是制约地被植物物种
的重要因素之一 o同时还制约林地水汽 !≤’u 等主要生命物质交换 o影响森林土壤的物理性质 o从而影响整个
森林生态系统的生态过程 ∀所以研究森林透射率具有重要的意义 ∀
有关植被冠层透射的研究很多 o一些研究者建立了透射的物理模型k„±§¨µ¶²±ot|yy ~崔启武等 ot|{t ~
¤µ¬¶¦¤¯ ετ αλqousssl o模型一般都以冠层叶面积水平分布均匀为假设前提 o但实际森林 !特别是天然林中 o树
龄各异 o树种多样 o很难满足这一假设 o所以许多研究者对森林透射的实际观测中 o都采用多点观测或游动观
测k洪启发等 ot|yv ~贺庆棠等 ot|{s ~…¤¯§²¦¦«¬ετ αλqot|{y ~李俊清等 ot||s ~刘家冈等 ot||x ~孙雪峰等 ot||x ~
任海等 ot||y ~潘向东 ot||z ~≤«¨ ± ετ αλqot||z ~常杰等 ot||| ~马钦彦等 ousss ~ƒ¬§­¬ετ αλqousstl o这种观测方
法需要较多的人力 !物力 o难以进行长期的连续监测 o所以鲜有生长季的连续观测报导 ∀本文利用长白山阔
叶红松林样地的定点连续自动观测结果分析生长季透射率的变化特点 o为森林生态系统的研究提供依据 ∀
t 研究地自然概况与观测方法
111 研究地概况
本项观测在中国科学院长白山森林生态系统定位站 t号标准地的阔叶红松林内进行 o地理坐标 wuβuwχ
‘otu{βyχ∞o海拔 zv{ ° o地势平缓 ∀属季风影响的温带大陆山地气候 o春季干旱 o夏季短暂 !温暖而多雨 o秋季
凉爽多雾 o冬季漫长 !晴朗而寒冷 ∀年平均气温为 s1| ∗ v1| ε o年平均降雨量 yvu1{ ∗ z{u1w°°∀土壤为山地
暗棕色森林土 ∀主乔木为红松k Πινυσ κοριαενσισl !椴树k Τιλια αµυρενσισl !蒙古栎k Θυερχυσ µονγολιχαl !水曲柳
kΦραξινυσ µανδσηυριχαl !色木kΑχερ µονοl等 ∀林分为复层异龄结构 o大致分 v层林冠 o第 t层为水曲柳 !椴树
和红松 o平均株高约为 uy ° ~第 u层为红松 !色木 !椴树等 o平均株高约 ts ° ~第 v层为亚乔木 o以槭类为主 o平
均株高约 u °∀林分总立木株数约为 xys株#«°pu o总蓄积量为 v{s °v#«°pu o郁闭度 s1{k王战等 ot|{sl ∀
112 观测方法
研究地建有 yu °高的气象观测塔 o塔上安装有 „’≥ p ´型小气候自动观测系统 o可进行 t «间隔的林
上 !林地的太阳辐射观测和其他小气候要素的观测 o林上太阳总辐射表为 ׅ± p t型 o安装在 vu °高度 ∀林
地总辐射表在 u1x °高度 o为了降低光斑引起的误差 o采用了 v支 ׅ±2v型管总状辐射表k表体长 vs ¦°l o等
角距辐射状固定于铁塔的 v支伸展臂上 o分别向南 !东北 !西北设置 o相互间距离为 w1x °∀数据采集采用
⁄×2xss型智能数据采集器 o自动采集的数据保存在其存储卡中 o应用笔记本电脑定期读取存储卡中的数据 ∀
观测时间为 usst年 x月 uu日 ) ts月 tw日 o其中 y月 ts ) ut日 !{月 ts ) tw日 !u| ) vt日因供电故障缺测 ∀
透射率由林地总辐射与林上总辐射之比表示 ∀林地的太阳辐射以下简称透射辐射 ∀
u 结果分析
211 定点透射辐射的基本特征
太阳辐射经过林冠后 o到达林地的透射辐射有明显的削弱 o总的来说 o透射辐射与林上太阳总辐射成正
比 ∀透射辐射与林冠层叶面积有关 o叶面积越大 o透射辐射越小 o因为叶面积随季节变化 o所以透射辐射也随
之变化 o季节的影响还体现在太阳高度角和日出日落时间的改变 ∀晴天条件下太阳总辐射随太阳高度角增
大而增加 o其日变化过程呈单峰曲线 ∀但定点透射辐射由于受林窗和冠层透光孔隙分布不均匀的影响 o在不
同时刻其数值不一定与林上总辐射成正比 ∀图 t绘出了 z月 y日 !|月 ux日两个晴日林上总辐射和定点透
射辐射的日变化 o可以看出总辐射呈明显的单峰曲线 o由于日照时间变短 o|月 ux日总辐射曲线的时间跨度
比 z月 y日的窄 o透射辐射曲线也有相同特点 ∀但定点透射辐射不象总辐射那样呈单峰曲线 o有波动峰值存
在 o这主要是林窗漏光引起的 ∀
212 天空状况对定点透射率的影响
为了消除太阳视运动轨迹的差异对定点透射率的影响 o选择了连续 v §但天空状况不同kz月 v !w !x日 o
分别为少云 !阴天 !晴天l的实例进行比较分析 o图 u是该 v日的定点透射率日变化情况 o可以看出 o阴天的定
点透射率比较平稳 o少云天则波动增加 o而晴天时波动最剧烈 ∀由于连续 v日内太阳视运动轨迹的变化很微
小 o由此引起的林冠透射光差异可以忽略 o可以认为该 v日定点透射率的差异是天空状况不同而造成的 ∀
不同天空状况下直接辐射与散射辐射的比例不同 o阴天时总辐射以天空散射辐射为主 o接近于各向同性
的天空辐射 o林下固定观测点接收的是林冠沿天空各方向削弱后的辐射总和 o林窗 !林冠孔隙的分布的影响
很小 o所以定点透射率的日变化比较平稳 ∀少云天时总辐射中太阳直射光k直接辐射l的比例增大 o林窗 !林
冠孔隙分布对定点透射率的影响程度也增大 o当太阳面 !林窗视面和林下辐射表在一条直线上时 o透射辐射
将明显增加 o定点透射率也随之增大 o因此少云天定点透射率的波动增加 ∀晴天时总辐射以太阳直射光为
主 o林窗 !林冠孔隙的分布对定点透射率的影响最大 o所以晴天的定点透射率波动最剧烈 ∀
uv 林 业 科 学 ws卷
图 t 太阳总辐射与林地定点透射辐射的日变化
ƒ¬ªqt ⁄¬∏µ±¤¯ √¤µ¬¤·¬²± ²©·«¨ ª¯²¥¤¯ µ¤§¬¤·¬²± ¤±§·«¨
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ο usst p sz p sy o总辐射 Š¯ ²¥¤¯ µ¤§¬¤·¬²±~
π usst p sz p sy o透射辐射 ×µ¤±¶°¬¶¶¬²±µ¤§¬¤·¬²±~
ϖ usst p s| p ux o总辐射 Š¯ ²¥¤¯ µ¤§¬¤·¬²±~
ω usst p s| p ux o透射辐射 ×µ¤±¶°¬¶¶¬²±µ¤§¬¤·¬²±
图 u 不同天空状况下定点透射率的日变化
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ϖ usst p sz p sv o少云 o≥¦¤·¨µ¨§~π usst p sz p sw o阴天 o’√ µ¨¦¤¶·~
ο usst p sz p sx o晴天 o≤¯ ¤¨µ
该 v日定点透射率的日平均值分别为 s1txy !s1twx !s1tyt o即晴天 少云 阴天 o其差异不大 ∀不过这
是比较典型的情况 o实际上天空状况是千变万化的 o一日内晴 !阴 !昙天可能交替出现 o并与林窗和林冠透光
孔隙发生时间和空间的交互作用 o所以天空状况对定点透射率日平均值会有一定的影响 ∀
213 定点观测与游走测定的比较
为了了解定点观测的准确性 o选择晴天的 ussu年 z月 y日和 z日进行了透射率的游走测定 o采用 ≥× p
{x型照度计 o每 u小时测定 t次 o每次读数在 wus ∗ w{s个 ∀定点测定与游走测定的透射率的比较见表 tk表
中定点测定值为两个整点值的平均l o可以看出 o游走测定结果比较均匀 o没有定点观测那样的明显波动 o这
是因为游走测定采样点多的缘故 ∀从日平均值看 o游走测定透射率比定点测定的稍低 o两日游走测定值分别
为 s1txt和 s1txv o定点测定则为 s1tx|和 s1tys o但其差异不大 o相对误差在 w ∗ x h o与观测误差接近 o所以
定点透射率的日平均值能较好地代表林冠的透射率特征 ∀
表 1 定点测定与游走测定的透射率的比较
Ταβ .1 Χοµ παρισον οφ τρανσµισιτιϖιτιεσ οφ φιξεδ2ποιντ(Φ) ανδ ωανδερινγ( Ω) µεασυρεµεντσ
日期
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时刻 ׬°¨k². ¦¯²¦®l
x }ss ) y }ss z }ss ) { }ss | }ss ) ts }ss tt }ss ) tu }ss tv }ss ) tw }ss tw }ss ) ty }ss tz }ss ) t{ }ss 平均 „√ µ¨¤ª¨
sz p sy
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定点测定 ƒ s1twy s1t{u s1txu s1tv| s1tz{ s1tyy s1txt s1tx|
游走测定 • s1tw{ s1tw| s1txv s1txu s1txu s1txw s1tw| s1txt
sz p sz
∏¯¼ z
定点测定 ƒ s1twu s1t{y s1txy s1tvz s1t{t s1ty{ s1txu s1tys
游走测定 • s1twz s1txs s1txv s1tx{ s1txt s1txv s1tw{ s1txv
214 定点透射率的季节变化
由于林冠叶面积系数 !太阳视运动轨迹的时空特征和天气条件k主要是天空状况l随季节而变化 o所以定
点透射率也随季节进程而发生改变 o以下分别描述定点透射率日变化和日平均值在观测期间的动态变化 ∀
u1v1t 定点透射率日变化曲线的季节变化 图 v绘出了 x ) ts月各月定点透射率日变化曲线 o其季节变化
有如下特点 }由于白昼时间随季节变化 o透射辐射的日间时间长度也随之变化 o以观测点北京时整点资料分
析 ox ) ts月透射辐射的日间时间长度分别为 ts ∗ tt !tu ∗ tv !tv !tt ∗ tv !ts !| «∀
各月的定点透射率日变化曲线都出现明显的峰值 o但峰值的大小和出现时间随季节而变化 o例如 x !y月
在 { }ss !tt }ss !tw }ss有较大的峰值 ∀{ }ss峰值 z月份继续存在 o{月以后消失 ∀tt }ss峰值 z月消失 o{ !|月
恢复 ots月又消失 ∀{月份在 tx }ss出现小的峰值 ots月份在 ts }ss !tv }ss也出现峰值 ∀这些现象是由林窗
vv 第 t期 关德新等 }长白山阔叶红松林冠层透射率的定点观测研究
和透光孔隙及太阳视运动轨迹的时空变化共同作用结果 ∀
u1v1u 定点透射率日平均值的季节变化 图 w是观测期间定点透射率日平均值的动态变化 o可以看出 x月
下旬和 y月间定点透射率逐渐下降 oz !{月至 |月中旬波动于 s1ts ∗ s1ty之间 o没有明显的变化趋势 o|月下
旬至 ts月中期逐渐增高 ∀定点透射率的这种变化反映了林冠叶面积的季节变化 o即生长季初期叶面积逐渐
增大 o生长旺季则较稳定 o生长末期阔叶树叶片逐渐凋落 !叶面积逐渐减小 o定点透射率则与叶面积相反的趋
势变化 ∀经回归分析 o定点透射率日平均值 Τµ的季节动态变化符合多项式 } Τµ € | ≅ tsp| ξw p v ≅ tspy ξv n
u ≅ tsw ξu p s1sts vξ n s1u|z { oΡu € s1{|{ z ∀式中 ξ为 x月 us日开始的日序 o即 x月 us日 ξ € t ox月 ut日
ξ € u ox月 uu日 ξ € v o, , o依次类推 o多项式曲线绘于图 w中 o可见它与观测结果较好地符合 ∀
图 w中定点透射率多项式动态曲线可以认为是林冠叶面积季节变化的反映 o是透射率季节变化的总的
趋势 o观测结果显现为叠加在此趋势上的波动系列值 o这种波动是诸如天空状况等不稳定因素影响的结果 ∀
很显然 o在生长季时间尺度内 o林冠叶面积对定点透射率影响要明显大于天空状况等不稳定因素的影响 ∀
图 v 林冠定点透射率日变程的月际变化
ƒ¬ªqv ²±·«¯¼ §¼±¤°¬¦²©§¬∏µ±¤¯ √¤µ¬¤·¬²± ²©·«¨ ©¬¬¨ §2³²¬±··µ¤±¶°¬¶¶¬√¬·¼
k¤l x月 ¤¼ ~k¥l y月 ∏±¨ ~k¦l z月 ∏¯¼ ~k l¨ {月 „∏ª∏¶·~k©l |月 ≥¨ ³·¨°¥¨µ
wv 林 业 科 学 ws卷
图 w 定点透射率日平均值的季节动态变化
ƒ¬ªqw ≥ ¤¨¶²±¤¯ §¼±¤°¬¦²©·«¨ §¤¬¯¼2¤√ µ¨¤ª¨§©¬¬¨ §2³²¬±··µ¤±¶°¬¶¶¬√¬·¼
) ο ) 日平均值 ⁄¤¬¯¼ ¤√¨ µ¤ª¨ ~) ) ) 回归方程 • ª¨µ¨¶¶¬²± ¨´ ∏¤·¬²±
v 小结
到达林地的透射辐射与林上太阳总辐射成正比 o与林冠层叶面积反相关 o并随季节变化 ∀由于林窗和林
冠孔隙漏光 o定点透射辐射的日变化曲线的波动程度大于林上总辐射 ∀
天空状况对定点透射率有较明显的影响 o定点透射率的日变化曲线 o在阴天比较平稳 o少云天时波动增
加 o而晴天时波动最剧烈 ∀这种差异主要是总辐射中直接辐射与散射辐射的比例不同造成的 o散射辐射所占
的比例越大 o林窗 !林冠孔隙对定点透射率的影响越小 o定点透射率的日变化就越平稳 ∀由于天空状况的复
杂多变及林窗和林冠透光孔隙的共同作用 o定点透射率日平均值间会由此产生一定的差异 ∀通过 u天定点
测定与游走测定的比较发现 o两种方法测定的透射率日平均值差异不大 o可以认为 o定点测定的日平均值能
较好地代表林冠的透射率特征 ∀
定点透射率的日变化曲线和日平均值都随季节的进程而改变 ∀日变化曲线的季节变化 o一是时间长度
随季节变化 o与当地可照时同步 ~二是峰值的大小和出现时间随季节而变化 o是由林窗和透光孔隙及太阳视
运动轨迹的时空变化共同作用的结果 ∀定点透射率日平均值随日期k季节l的动态变化符合四次多项式函
数 o反映了林冠叶面积季节变化对透射率影响的总趋势 o观测序列值表现的叠加在此趋势上的波动性 o反映
了天空状况等不稳定因素的影响 ∀
参 考 文 献
常 杰 o潘晓东 o葛 滢 q青冈常绿阔叶林内的小气候特征 o生态学报 t||| ot|ktl }y{ p zx
崔启武 o朱劲伟 q林冠的结构和光的分布 o地理学报 ot|{t ovykul }t|y p us{
贺庆棠 o刘祚昌 q森林的热量平衡 o林业科学 ot|{s otyktl }uw p vv
洪启发 o王仪洲 o吴淑贞 q马尾松幼林小气候 o林业科学 ot|yv o{kwl }uzx p u{|
李俊清 o柴一新 o张东力 q人工阔叶红松林的结构与生产力 o林业科学 t||s ouyktl }t p {
刘家冈 o邵海荣 o宋从和 q植被介质透射与散射关系的实验研究 o北京林业大学学报 ot||x otzkul }ws p wv
马钦彦 o刘志刚 o潘向丽 q华北落叶松生长季内的林冠结构和光分布 o北京林业大学学报 ousss ouukwl }t{ p ut
潘向东 q青冈常绿阔叶林太阳辐射分布特征 o浙江农业大学学报 ot||z ouvktl }t| p uu
任 海 o彭少麟 o张祝平等 q鼎湖山季风常绿阔叶林林冠结构与冠层辐射研究 o生态学报 ot||y otykul }tzw p tz|
孙雪峰 o陈灵芝 q暖温带落叶阔叶林辐射能量环境初步研究 q生态学报 ot||x otxkvl }uz{ p u{y
王 战 o徐振邦 q长白山北坡主要森林类型及其群落结构特点 q森林生态系统研究 ot|{s ot }yx p zs
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¤µ¬¶¦¤¯  o’µª¤½ ƒ o ∂¬¯¯ ¤¯²¥²¶ƒ q ²§¨¯¯¬±ª¤±§ °¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·²©µ¤§¬¤·¬²±¬±·¨µ¦¨³·¬²± ¥¼ ²¯¬√¨¦¤±²³¬¨¶q„ªµ¬¦ƒ²µ ·¨¨²µ²¯ ousss otss ot{v p t|z
xv 第 t期 关德新等 }长白山阔叶红松林冠层透射率的定点观测研究