全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 22(6)：485— 489 2002年 11月
利用数字植物冠层 图象分析仪测定南亚
热带森林叶面积指数的初步报道
赵 平，曾小平，蔡锡安，彭少麟
(中国科学院华南植物研究所 ，广东广州 510650)
摘 要 ：介绍了 当今较先进的数字植物冠层 图象 分析仪的理论 基础 、实 际应用 的特点 ，测定 了南 亚热带丘 陵
地区 8种森林类型(包括人工林和自然次生林)的叶面积指数、太阳直射透过系数等群落冠层特征，同时测定
一 由荒坡草地自然发育而成的灌木草坡群落的叶面积指数。根据测定数据比较分析了不同人工林群落 11 a
发展这些特征的变化 ，并与次生自然林的测定数据进行比较，同时还对 11 a与 14 a树龄马占相思林林冠变化
进行 比较分析 。
关键词：植物冠层图象分析仪 ；人工林 ；叶面积指数；太阳光直射透过系数
中图分类号 ：Q948 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—3142(2002)06—0485—05
K eDort 0n m eaSurem ent of leat area lndeX 0t T、 · · n● n ● 1 n
low subtropical forests by using digital
plant canopy imager
ZHAO Ping，ZENG Xiao—ping，CAI Xi—an，PENG Shao—lin
(South China Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510650。China)
Abstract：This paper introduced the working theory and actual application of the current advanced digital plant
canopy imager．W e used this device measure the canopy characters such as Leaf Area Index and solar beam
transmission coefficient of 8 types of forests(including both man—made forests and secondary natural forest)in
low subtropical hily lands．We also measured the leaf area index of a shrub—grass community developed from
an abandoned grass land．Comparative analysis on the changes of these characters of the man-made forests
that had grown for 1 1 years and the secondary natural forest were made．Canopy changes between an 1 1一year
and a 14一year Acacia mangium stands were also analyzed using the measurement data．
Key words：digital plant canopy imager；man-made forest leaf area index；solar beam transmission coefficient
叶面积是研究许多森林植物生态过程的关键参
数和研究森林冠层结构 的重要指标 ，叶面积指数
(Leaf Area Index，LAD与林段的光合作用 、蒸腾作
用 、蒸发散 、生产力等密切相关(1~43。建立森林生
态系统的生长模型和研究森林生态系统的能量交换
等，都需要准确估测叶面积指数。植物的冠层结构
是指植物地上部分物质的总数和组织结构，它包括
植物的叶、茎、枝条、花和果实等器官的大小 、形状 、
方位和在冠层中的上下位置的分布情况。植物的冠
层结构深刻地影响植物与环境的相互作用 ，由植物
构成的植被的冠层不仅直接影响植物和周围环境的
物质与能量交流，还能揭示植物对物理、化学或生物
收稿 日期 ：2001-09-03
作者简介：赵 平(1963一)。男 。广东台山县人 。博士，研究员，植物生理生态学专业。
基金项 目：广东省 自然科学基金团队项 目(003031)；中国科学院鹤山丘陵综合试验站开放基金课题 。
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因子适应的策略和植物群落长期演变过程的变化特
征。所以，测定和描述植物的冠层 结构对理解植物
许多生态过程是非常重要的。
获取有关植物或森林冠层结构信息最直接的办
法是测定植物的器官，包括面积、形状 、角度和方位
等。虽然，所有直接测定的手段对植物或森林并非
都是毁坏性的，但多多少少会干扰冠层，至少会干扰
叶片角度的分布，从而影响数据的质量 ，而且野外工
作量大，数据的缩减非常简单。与此不同，间接的测
定方法常常涉及林冠内外的辐射，冠层结构与冠层
内的辐射环境的相互作用是一个可定量化的关系，
辐射交换和冠层结构的耦合关系非常明显，利用测
定辐射的相关数据可推断冠层的结构特征，这种关
系形成了间接测定技术的基础。通过采用辐射测定
方法取得的数据，结合合适的辐射转换理论，借助逆
程序可获得冠层结构特征的估测值。间接测定方法
具有野外测定简便、迅速、对冠层 干扰小的特点，但
数据的缩减要经过复杂 的演算过程 ，因而往往需借
助合适的计算机程序 。
本文利用先进的数字植物冠层图象分析仪测定
了南亚热带 7种人工森林类型、1种在无人为干扰
的自然条件下发展的灌木草坡和 1种次生 自然林的
叶面积指数、林段的太阳直射光透过系数等群落特
征 ，分析了群落演替过程中这些特征的变化规律。
1 材料 与方法
野外测定工作在地处南亚热带的中国科学院鹤
山丘陵综合试验站进行 ，该定位站地处广东省鹤山
市境内，位于北回归线附近。鹤 山站 于 1984年建
站，旨在退化的南亚热带荒山草坡上 ，通过研究退化
生态系统植被恢复的过程和进一步演替发展的动态
与机理，研究人工森林生态系统的物种多样性与稳
定性 、结构与功能的相互关系的规律 ，创建一个生态
与经济持续、协调发展的丘陵综合开发利用示范样
板。在该站内，已组建多个不同类型的人工林生态
系统 鹤山站代表的是南亚热带丘陵荒坡人工林植
被的恢复。我们在鹤山站选择 7种不同类型的人工
林生态系统、1种次生 自然林和 1种 自然发展的灌
木草坡作为研究对象 ，于每种群落内沿着双行平行
线选取 20个测定点 ，用美 国 CID公 司生产的 CI一
110型数字植物冠层图象分析仪分别测定灌木层和
乔木层的冠层叶面积指数及乔木层的冠层太阳光直
射透过系数等。其中，测定灌木层的叶面积指数时，
先将 CI—ll0型数字植物冠层图象分析仪 的鱼眼图
象捕获器置于灌木层的的下方，可测定灌木层以上
的叶面积指数(即灌木层叶面积指数+乔木层的叶
面积指数)，然后将鱼眼图象捕获器置于灌木层的上
方，测定 出乔木层的叶面积指数 ，两种叶面积指数值
之差则为灌木层的叶面积指数 。
各种群落草本层的叶面积指数的测定则采用收
获法 ：于同样的测定点，收割样方面积为 1 ITI X 1 ITI
的草本层植物，用美国 Li—Cor公 司生产的 Li一2000
型叶面积仪和配备 的履带式传送装 置测定总叶面
积，然后计算草本层的叶面积指数。
2 数字 图象分析仪 的理论基础和
应用原理
本研究所采用 的仪器是 由美国 CID公司生产
的 CI—ll0型数字植物冠层图象分析仪，其理论基础
是林隙分数 (gap—fraction)逆程序。林隙分数方法
提供了一个估测完全覆盖或单独的林冠、甚至是异
质性冠层的叶面积指数和叶倾角的强大工具。它假
定冠层的所有元件是在各个方位随机分布的，某一
天顶角(Oi)处的入射太阳辐射的透射比例(Ti)由如
N
下公式给出：一lnTi一 ∑fiK巧 (1．1)
J{ I
N
．
其中：L-__∑fj (1．2)
L是叶面积指数 ，N 是叶片倾角级数，厂 是在
叶倾角_『级的叶面积指数 ，K玎为在天顶角 处、当
叶片倾角为 时的光辐射消光系数，K 被看作是
积分方程的影响函数核，它的形式取决于关 于冠层
所取得的信息，由如下公式计算 出来：
NI N
． ， ．
K 一 g巧COS妨一圣 cos如 (1．3)
cos~q==cosaj 6~90-a
co ： —
l+2(ta
—
nx- x) 0> 9
SOif COSa／ 90一一 口 CO = ～
7【
(1．4)
其 中叶角的分布由如下公式表达：
1 ，． 一，
z一 —————————— (i．5) cos(cotajcot01) 、‘
林隙分数的方法就是通过方程 1．1的逆过程的
运算而实现的，整个运算要经过复杂的矩阵变换 ，因
而必须借助计算机程序(5]。
CI一110型数字植物冠层 图象分析仪由鱼眼图
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6期 赵 平等：利用数字植物冠层图象分析仪测定南亚热带森林叶面积指数的初步报道 487
象捕获器、植物冠层分析软件和微 电脑组成 。CI一
儿0不是用测定光强 的办法 ，而是通过鱼眼镜头获
取图象 ，计算机分析软件对被捕获的图象进行数字
化处理 ，然后计算太 阳光直射透过系数(solar beam
transmission coefficient)或计算从植物冠层底下 向
上可观测得到的天空 比例 。零表示完全看不到天
空，l则意味着整个观测范围为天空 ，0～l之间的数
字显示部分天空被叶片遮盖。
CI—ll0应用林隙分数的逆程序，计算机程序根
据操作员定义的天顶角和方位角的分区数将所获得
的图象分解为数个扇 区或格栅 (图 1)，通过 自动快
速计点每个扇 区中可见天空的图素，可分析出该扇
区的可见天空 比率(太阳光直射透过系数)。一旦完
成对所有的扇区的分析，并计算出每一天顶角区的
平均太阳光直射透过系数，CI—ll0植物冠层分析仪
的计算机软件 即可分别计算 出半 圆散射光透过系
数、平均叶倾角 、植物冠层消光系数。
使用本仪器时 ，最理想的天空条件是云层均匀
分布的阴天，如早晨或傍晚时分 ，此时辐射的散射量
较低。在晴天，鱼眼镜头应遮蔽 以防止低估叶面积
指数和高估太阳辐射和散射。为获取比较合理的数
据 ，最好是在各种天气条件下进行测定并进行 比较，
由 CI—llO软件计算以获取最佳测定结果。
3 结果与讨论
图 2示鹤山站各种类 型的人工林生态系统 、人
为保护而自然发展的灌木草坡生态系统及该站附近
的次生自然林生态系统的叶面积指数结构图，人工
林中，除马占相思林 l的树龄为 14 a外(主要是用
于与马占相思林 2进行相同树种但不同林龄的林型
冠层结构比较)，其余人工林的林龄均为 ll a，灌木
草坡是在 lO a前马尾松林被砍伐后的迹地上 自然
发展而成，根据当地居 民提供的材料和野外调查的
结果，次生 自然林已有三十多年的历史。
从图 2中可看 出，经 1O a的自然发展 ，退化草
坡只演替到以灌木层为主的灌木草坡群落，乔木层
仍然还没有形成 ，进一步说明，在南亚热带地区，退
化草坡植被的自然恢复是非常缓慢的。但经过 lO a
的发展 ，群落的总叶面积指数已接近 3，对地表起到
较明显的覆盖作用 ，减少强烈阳光对土壤的暴晒 ，缓
和雨水对土壤表面的冲刷 ，有利于土壤表面微环境
的改善，为后继的阳生性乔木树种的人侵和定居创
造条件。因此 ，封山育林作为绿化荒坡一种辅助性
的手段 ，在华南地区是适用的，因为该区域的环境条
件优越 ，水分和热量充足，植物的自然生长有保证。
N
90
方位角
E 180
2
’— — 、 60
24 ＼ ／ 00
270
S
图 1 进行 鱼眼图象分析的扇区平面图解
Fig． 1 Plane delineation of sectors for
analyzing fish—eye images
顶角
O W
O
由乡土树种组成的人工林 、大叶相思林和马占
相思林的叶面积指数及叶面积指数的分布特点比较
接近三十多年的次生 自然林 ，说明合理构建的先锋
人工群落，在较短的时间里 ，群落的结构会很快恢
复，并达到较理想的目的。同时我们发现，l4 a的马
占相思林的总叶面积指数比 l1 a的马 占相思林 略
低 ，我们再分析两者在 图 3的乔木冠层太阳光直射
透过系数，前者较高，说明马占相思林林冠的生长在
lO a左右以后有下降的趋势。曾有学者对该马占相
思人工林进行过系统仿真模拟的研究 ，模拟的结果
显示 ，马占相思人工林随时间发展 ，出现一个叶生物
量由增长变为下降的现象 ，从 2．5 tC hm一2降为 1．3
tC hm 左右，出现明显下降的时间为 lO～l2 a(6]
马占相思叶生物量较其他乡土树种大，这是它生长
迅速的原因之一，但后期 的下降影响了总生产力。
因此 ，马 占相思虽然是华南地 区优 良的造林先锋树
种 ，适合当地快速绿化荒山和林业经营短期轮伐造
林 ，但不宜长期经营。
从图 2、3可以看出，豆科树种混交林 的总叶面
积指数比预想的要低 ，但群落草本层的叶面积指数
却比较高，乔木冠层 的太阳光直射透过系数也相对
较高，因此 ，从群落冠层结构和叶面积指数来考虑，
该群落的发展并不很理想 ，是否提倡用混交的方式
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构建豆科林先锋群落值得进一步研究 和探讨。因
为，这些豆科乔木树种的生物学特性相似，可被看作
植被恢复先锋群落 内具有相 同生态功能的功能群 ，
根据树种与生态系统功能关 系的研究结果(7]，当较
目
目
一
＼
《
裁
茸
·
裁
垛
捌
蝌
杂
：
玉
多功能相似的种类在同一生态系统内生长时，它们
利用资源的方式相同，利用资源的区域产生重叠，往
往造成激烈的种间竞争 ，从而降低生态系统的稳定
性，用豆科植物构建的混交林先锋群落，其生长和发
长 露
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图 2 鹤 山站不同植被的叶面积指数
Fig．2 Leaf area index in different vegetations of Heshan Station
乔木层：n—zo，p≤O．Ol；灌木层 ：n—zo，p≤O．Ol；草本层 ：n=20，p≤O．05。
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图 3 鹤山站人工林乔木冠层太 阳光直射透过系数
Fig．3 Solar beam transmission coefficient in tree canopies of man-made forests in Heshan Station
乔术层 ：n一20，p≤O．Ol。
育会由于激烈的种间竞争而受到制约。
图 2还显示针叶林、针阔叶混交林 和桉树林的
叶面积指数较低 ，森林冠层太阳光直射透过系数较
高。同时我们可看到，针叶林和针阔叶混交林草本
层的叶面积指数还是比较高，灌木层在群落内所 占
的比率仍然比较大 ，说 明群落结构的演替缓慢。特
别指出的是桉树林 ，不但总叶面积指数较低，林下的
草本和灌木层的叶面积指数都偏低 ，与其他阔叶树
种人工林相 比，其林冠层太阳光直射透过系数明显
高出很多。一方面桉树的化学互感作用(即桉树分
O O
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泌一些次生性的化学物质)抑制了林下植物的生长 ，
另一方面丘陵坡地比较差的土壤水分状况限制了需
水量大的桉树生长，桉树大量消耗水分的结果是造
成土壤上层的含水量降低 ，不利于林下植物的生长。
植物的有机物生产与实际蒸发散存在非常密切的关
系，这是因为实际蒸发散的量与入射光能和可利用
水分的量有关，而这两 因子与植物生产力的相关性
明显(B]。冠层的叶面积 以及 叶面积指数是指示植
物群落生产力的重要指标 ，当没有出现水分限制时，
植物群落通过蒸腾所消耗的水分与群落总叶面积成
正比(9]。因此，桉树不适合用作该地区退化生态系
统植被恢复的先锋树种 。对已有的桉树林 ，应尽快
用乡土树种进行林分改造 ，保证森林生态系统的可
持续发展。
本文的测定结果 ，基本上反映了不同人工林生
态系统叶面积指数的特点，该方法可以避免传统收
获法所造成的大规模破坏森林 的缺点 ，又不受时间
的限制，获取的数据量大，仪器容易操作 ，方便快捷 。
由于该方法不伤害植物，所 以，还可以测定一年中森
林冠层叶面积指数的季节变化 ，为了解森林生态系
统冠层结构的动态变化提供可靠的观测数据。以数
字植物冠层图象分析仪测定植物群落的叶面积指数
等群落的结构特征，具有明显的应用价值 。
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