全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 31(4)：473— 478 2011年 7月
DOI：10．3969flj．issn．1000—3142．2011．04．011
三种人工林分的冠层结构参数与林下光照条件
贾小容l一，苏志尧1一，区余端1，解丹丹1
(1．华南农业大学 林学院，广州 510642；z．华南农业大学 农业部生态农业重点开放实验室 ，广州 510642)
摘 要：以样方法为基础 ，用半球面影像技术测定 了桉树林 、湿地松林和混交林(木荷+青冈+银木荷)3种人
工林分的冠层结构(叶面积指数 LAI和林冠孔隙度 CO)和林下光照条件(林下直射光 TransDir和林下散射光
TransDif)，并分析了冠层结构与林下光照条件之 间的关 系。测定 结果 表明，桉树林 、湿地松林 和混交林 的
LAI平均值分别是 1．9、2．7和 2．6，变异系数为 11．3％，14．4％和 19．3％；CO的平均值分别为 18．1 ，1O．4％
和 1I．0 ，变异系数为 13．9 ，17．7 和 26．2 ；TransDir的平均值分别为 6．5，4．0和 3．9 tool·m一2·d-1，变
异系数为 22．1 ，22．9 和 30．8 。TransDif的平均值分别 为 5．5、3．2和 3．3 tool·m一2·dq，变异系数为
15．2 ，14．8 和 19．2 ，以混交林林下光照 的空间异质性最 明显。相关分析表明，在 3种林分中，TransDif
均与 LAI或 CO显著相关 ，而 TransDir仅在混交林 中与 LAI或 CO显著相关 。混交林冠层结构具有较高的
空间异质性 ，并直接影响林下光照条件。
关键词 ：冠层结构；林冠孔隙度；叶面积指数；半球面影像技术
中图分类号：Q948文献标识码：A 文章编号：1000—3142(2011)04—0473—06
Canopy structural parameters and understory light
regimes of 3 artificial forest stands in South China
JIA Xiao-Rong 一，SU Zhi—Yao1，2，oU Yu—DuanI，XIE Dan—Dan1
(1．Colege of Forestry，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China；2．Key Laboratory of Ecological
Agriculture of Ministry of Agriculture，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)
Abstract：Canopy parameters and understory light regimes of three artificial forest stands in South China，i
． e．，Euca—
lyptus，slash pine and mixed forest stands，were estimated using hemispherical photography based on quadrat method
together with plant census，and the relationship between canopy structure and understory light regimes was analyzed
．
Leaf area indexes(LAI)of the 3 artificial forest stands were 1．9，2
． 7，and 2．6，respectively，and their CV(coefficient 0f
variation)was 11．3 ，14．4 ，and 19．3％，respectively．Canopy Openness(CO)was 18．1 ，lO．4％ and 11．0％粗nd
their CV was 13．9 ，17．7 and 26．2 ，respectively；Transmitted direct gap light(TransDir)was 6
． 5，4．0 and 3．9
mol‘ i1 ·d- ，respectively，and their CV was 22．1 ，22
． 9％and 30．8 ，respectively．Transmited diffuse gaP
light(TransDif)was 5．5，3．2 and 3．3 mol·n1_2·dq，respectively，and their CV was 15
． 2％，14．8 and 19．2％，re—
spectively．High spatial heterogeneity in understory light regimes was found in the mixed forest stand
． Correlation a—
nalysis indicated that in all the 3 forest stands TransDif was significantly correlated with LAI or CO，while TransDir
was significantly correlated with LAI or CO in the mixed forest stand．Canopy structure of the mixed forest stand e
hibited higher spatial heterogeneity and had a direct impact on understory light regimes
．
Key words：canopy structure；canopy openness(CO)；leaf area index(LAD ；hemispherical photography
收稿日期 ：2010—09～31 修 回日期：201卜01～08
基金项 目：广东省科技计划项目(2002C20703)；广东高校优秀青年创新人才培育项 目(209028)[Supported byScience andTechnology ProgramProjects
of Guangdong Province(2002C20703)；Foundation for Distinguished Young Talents in Higher Education of Guangdong(209028)]
作者简介：贾小容(1978)，女，湖北天门人，在读博士，讲师 ，从事森林生态学的教学和研究工作，(E-mail)xiaorongj@scau．edu．cn。
474 广 西 植 物
森林冠层的结构不仅直接影响森林截获太阳辐
射的程度以及截留大气降水的能力，还影响森林内
部的小气候特征，如光环境 、风速 、空气温湿度 、土壤
有机质含量等，进而影响林下植被的生长和更新以
及森林群 落的演替 动态 (任海等 ，1996；张小全等，
1999；李德志等，2004；Norby等，2003)。因此，森林
的冠层结构对森林的功能意义重大。广东 自20世
纪 80年代以来大规模植造人工林，形成了人工纯林
多、混交林少 、年龄增加的现状 ，由于纯林树种单一 、
层次结构简单、生物多样性低和老龄化而导致土壤
质量退化，病虫害严重，生态与经济效益较差，为此，
2007年正式启动林分改造工程，以提高广东森林质
量 ，加快林业生态省建设 。大面积林分改造的科学
实施离不开对现有人工林冠层结构 的评估 。
近年来 ，半球 面影像技术 ，可进行大范围、众多
地点的实时冠层结构和林下光照等的分析 、监测和
比较，且具有快捷、准确、非破坏性和高性价比等优
点，在国外得到较广泛应用，国内冠层结构的研究由
来 已久 ，但罕见运用此新技术(马钦彦等，2001；赵平
等，2002；陈高等，2004；苏志尧等，2007；Frazer等，
2001；Silbernagel等，2001；Beaudet等，2002；Archi—
bold等，2004)。
桉树 2O世纪 5O年代起被大量发展，是华南地
区最重要的速生阔叶材用树种(徐大平等，2006)；70
年代，湿地松以其幼龄期速生、根系生长迅速和生长
适应性强等特征在广东迅速发展 ；木荷更是广东省
营造速生丰产林的主要乡土阔叶树种之一(林永标
等，2003)。本研究以华南农业大学树木园三种占有
较大面积以及在广东省占有较大比例的典型人工林
分：桉树林、湿地松林和混交林(木荷+青冈+银木
荷)作为研究对象，选取 2种冠层结构参数：叶面积
指数 (1eaf area index，LAI)、林 冠 孑L隙度 (canopy
openness，Co)和林下光照条件，主要是林下直射光
(transmitted direct gap light TransDir)和林 下散
射光(transmitted diffuse gap light，TransDif)，定量
研究三种人工林分 的冠层结构和林下光照及其异质
性，并对三种人工林分的冠层结构与林下光照的关
系进行 了分析 ，对华南农业大学树木园在调整林分
结构和充分发挥树木园生态功能等经营管理方 面，
将起 到重要指导作用 ；为广东省林分改造工程顺利 、
高效实施提供科学依据。本项研究利用半球面影像
技术获得三种人工林分 的林冠影像 ，通过专用软件
对影像进行分析 ，得出 LAI、CO指标等冠层结构参
数和林下光照条件。
1 研究地概况
本研究三种人工林分样地位于华南农业大学树
木园(以下简称“树木园”>，该园位于广州市天河区
东北部。研究区位于北 回归线附近 ，占地面积约 28
hm ，地貌类型为缓坡低丘 ，土壤类型为赤红壤 。气
候为南亚热带季风气候，年平均气温高，有效积温充
足，冬季少严寒，霜日少，雨量充沛。年均气温22℃
左右，最冷月(1月)平均气温 13℃左右；最热月(7
月)平均气温 29℃左右，年降雨量 1 800 mm左右
(章家恩等，2005)。树木园于 20世纪 7O年代初创
建 ，桉树 、湿地松 、木荷等树种 占有树木园较大面积。
2 研究方法
2．1林分调查和影像获取
在研究区域，对桉树林、湿地松林和混交林(木
荷+青冈+银木荷)三种人工林分，选择有代表性的
地段各随机设置 3个 2O m×20 m的样方进行每木
调查，记录胸径(DBH)≥2 cm的立木。记载内容包
括种名 、树高 (H，height)、胸径 (DBH，diameter at
breast height)等。半球面影像的获取使用 Nikon
CoolPix 4500数码相机，外接 Nikkor FC_E8鱼眼镜
头；用 1 600×1 200分辨率，按低压缩比率(1：4)的
JPEG图像格式保存照片。因为这种设置不会对后
续相关参数的分析产生影响(Frazer等，2001)，又不
至于使图像文件太大。在每个样方的中心点离地面
1．6 m处，保持相机水平，镜头朝上，拍照 5个半球
面林冠影像，共获得 45个影像文件，用于计算分析
冠层结构参数和林下光照系数。
2．2影像处理
Nikkor鱼眼镜头为 180。广角 ，所获得的林冠照
片为圆形或称半球面影像(circular or hemispherical
images)。本 项研 究采 用 WinScanopy软件 (版本
2．3B，加拿大 Regent Instruments公 司 出版)对所
获得的半球面影像进行分析。在参数设置中输入样
地经纬度坐标和海拔 ，其他则采用软件默认设置，由
此获得一系列林冠结构和林下光照指标。本项研究
冠层结构参数采用 LAI和 CO，林下光照包括林下
直射光和林下散射光。
4期 贾小容等 ：三种人工林分的冠层结构参数与林下光照条件 475
2．3数据 统计 分析
样方每木调查数据及半球面影像分析数据经整
理后，用 STATISTICA 统计 软件 (版本 5．5，美 国
Statsoft公司出版)进行各项数据分析 。
3 结果与分析
3．1林分概 况
通过样 方调查获得三种人工林分 的资料 ，各林
分乔木层优势种及其特征如表 1所示 。调查结果显
示 ：桉树林 ，乔木层 主要是尾叶桉 ，此外还有少量大
叶相思和柠檬桉 ；湿地松林 ，乔木层 只有湿地松 ；混
交林主要 由青冈、荷木 和银木荷等亚热带典 型常绿
阔叶林树种组成乔木层 。桉树林无论平均胸径还是
平均树高都大于湿地松林和混交林 ，而湿地松林和
混交林平均胸径和平均树 高差异都不大。说 明在所
处立地条件下 ，桉树 比湿地松和荷木更为速生。
3．2冠层结构及其空间异质性
计算各林分 的 Co和 LAI两个指标 的平均值 、
标准误 、最大值 、最小值和变异系数(表 2)。研究表
表 1 三种人工林分样地乔木层概况
Table l Tree layer of three artificial forest stands
表 2 三种 人工 林分 冠层 结构 的基本 统计 特征
Table 2 Statistical characteristics of canopy structure of the three artificial forest stands
明，三种人工林分 的 LAI整体偏低 ，而 生产力较高
的热带雨林的 LAI高达 12～15，我 国鼎湖山地区的
针叶林 LAI也高达 6．61(任海等 ，1996)。以上资料
说明该三种人工林分生产力水平较低 。
三种林分相互 比较 ，桉 树林 Co最 大，LAI最
小 。桉树的速生性对资源(光照、水分、土壤养分等)
的竞争较强造成的其他植物相对资源不足，从而使
得林冠层物种 比较单一 ，从而 LAI最 小 ；可能也 与
桉树林分高大，林龄过大树冠衰退，郁 闭度下降等及
种植密度 和株行 配置等有 关。湿地 松林和混交林
LAI近似 ，可能与湿地松林 和混交林平均胸径和平
均树高差异都不大有关 。
从统计数据看 ，三种人工林分 CO和 LAI的空
间异质性表现为中等变异性 ，其变异系数(CV)范围
分别是 13．9 ～26．2 和 11．3 ～19．3 。三种
人工林分冠层结构的空 间异质性明显程 度为：混交
林>湿地松林>桉树林 ，表 明混交林有较低 的 CO
和较高 的变异程度 ，有较高的 LAI和较高的变异程
度 ，其原因在于混交林物种组成偏多，林冠结构比较
复杂 ，使其冠层结构变化程度较大 。所 以湿地松林
和混交林 CO 和 LAI虽然较为近似 ，但混交林 C0
和 LAI的空间异质性还是较高 。
3．3林下光照及其空间异质性
由表 3可知 ，三种林分的林下直射光均 比散射
光强，表明各林分其林冠郁闭度相对较小。同时，桉
树林无论是林下直射光还是散射光，其均值均大于
湿地松林和混交林 ，因为桉树是速生树种 ，根系周围
的水分和营养多数被其吸收，而其它植物在竞争中
处于劣势地位，故分布的种类少 ，长势也差 ，对冠层
郁闭度贡献不显著。湿地松根系较为发达 ，延伸广 ，
能直接吸收地下水，所 以物种之间的竞争没有桉树
纯林突 出，林下光照条件较桉树林差。在混交林中，
各种树种根系优势互补 ，协调共生，增加了郁 闭度 ，
林下光照条件较弱。
476 广 西 植 物 31卷
三种人工林分林下光照均表现为中等变异性，
林下直射光的变异程度要强于林下散射光 ，其林下
直 射 光 和林 下 散 射 光 的变 异 系数 范 围 分 别 是
22．1 ～30．8 和 14．8 ～19．2 。而混交林林
下光照的空间异质性最明显，桉树林和湿地松林林
下光照的空间异质性较为接近，均小于混交林，其原
因应归于混交林冠层结构空间异质性较高。
湿地松林 LAI的变异系数是 14．4 ，与其林下
散射光的变异系数 14．8 较 近似。混交林 LAI的
变异系数是 19．3 ，与其林下散射光的变异系数
19．2 极近似，说明混交林 和湿地松林 LAI的空间
格局是影响其林下散射光空问分布的主要因素。
表 3 三种人工林分林下光照的基本统特征
Table 3 Statistical characteristics of understory light regimes of the three artificial forest stands
图 1 桉树林冠层结构与林下光照的关系
Fig．1 The relationship between canopy structure and understory light regimes of Eucalyptus stand
3．4冠层结构与林下光照的关系
矩阵图(Matrix plot)是散点图的一种 ，可在一
张二维图中，显现多个变量间的分布关系图，这样可
在一张图表 中观察 多个变量间的相关性，方便 了多
个数据间的数据分析，可以节省很多时间。本研究
即利用矩阵图分析 C0、LAI、林下直射光和林下散
射光四者之间的两两关系。
矩阵图中每个 散点图所反映相关关系的变量为
该散点图横向和纵向分别对应的变量。如图1的矩
阵图中右上角的散点图横向对应变量“CO”，纵向对
应变量“林下散 射光”，所 以该散点 图反映 了变 量
“CO”和“林下散射光”间的相关关 系。图 1、图 2和
图 3中，TransDir是林下直射光 ，TransDif是林 下
散射光 。
由图 1可知，除了林下直射光与 C0、LAI均呈
不显著关系之外，其它两者之间均有显著相关关系。
4期 贾小容等：三种人工林分的冠层结构参数与林下光照条件 477
Co与 LAI呈极显著负相关 (P<0．O1)，与林下散
射光呈极显著正相关(P<0．01)，与林下 直射光关
系不显著(P>0．05)；LAI与 CO、林下散射光呈极
显著负相关 (P<0．01)，与林下直射光关 系不显著
(P>0．05)；林下直射光与 CO、LAI关系均不显著 ，
与林下散射光显著正相关 (P由图 2可知，除了林下直射光与其余三者均不
相关之外 ，其它两者之间均有显著相关关 系。CO与
LAI呈极显著负相关，与林 下散射光呈极 显著正相
关，与林下直射光关系不显著；LAI与 CO、林下散射
光均呈极显著负相关 ，与林下直射光关系不显著。
由图 3可知 ，四个变量两者之间均有显著相关
关系。CO与 LAI呈极显著 负相关 ，与林 下散射光
呈极显著正相关 ，与林下直射光呈显著正相关 ，说明
CO与林下光照条件关 系密切，CO越 大，林下光照
条件越好 。LAI与 CO、林下散射光呈 极显著负相
关 ，与林下直射光呈显著负相关 ，说 明 LAI对林下
光照条件贡献极大 ，LAI越大，林下光照条件越差。
林下直射光与 CO、林 下散射光均呈显著正相关 ，与
LAI呈显著负相关。
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一 I．-_J
图 2 湿地松林冠层结构与林下光照的关系
Fig．2 The relationship between canopy structure and understory light regimes of slash pine stand
由图 1、图 2和图 3可知 ，三种人 工林 分 中，林
下直射光与 C0、LAI和林下散射光之间的关系存
在差异 。桉树林中 ，冠层结构与林下散射光极相关 ，
与林下直射光不相关 ，直射光和散射光相关 ；湿地松
林 中，冠层结构与林下散射光极相关 ，与林下直射光
不相关 ，林下直射光和散射光不相关 ；在混交林 中，
冠层结构与林下光照条件均相关。
4 结论与讨论
三种人工林分 LAI均偏低 ，但混交林和湿地松
林比桉树林高；三种人工林分的冠层结构皆与林下
散射光极相关；混交林 CO和 LAI空间异质性相对
较高 ；混交林和湿地松林 的 LAI和林下散射光的变
异系数近似 ，混交林和湿地松林 LAI的空间格局是
影响其林下散射光空 间分布的主要 因素 ；混交林冠
层结构与林下光照条件均相关。说明以荷木等本地
种形成的混交林冠层结构具有较高的空间异质性，
并直接影响林下光 照条件 ，从而影响林 下植物 的生
长和更新 ，最终影响森林生态系统 的生物多样性及
其功能。
广东现在正进行 大面积的林分改造 ，采取的措
施是尽可能选择乡土树种营建混交林 。根据本研究
的结果 ，在营建混交林时同样不能盲 目，应尽量达到
478 广 西 植 物 31卷
图 3 混交林冠层结构与林下光照的关系
Fig．3 The relationship between canopy structure and understory light regimes of mixed forest stand
最适 的叶面积指数 ，从而为林下植物营造适宜的光
照条件，以提高生物多样性及其功能。同时，本研究
亦显示，林下光环境与林冠结构密切相关，下一步如
果能详细描述两者之间的关系，对准确预测林下光
照有重要的意义。
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