林业科学  2004, Vol. 40 Issue (1): 31-35   PDF    
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关德新, 金明淑, 徐浩.
Guan Dexin, Jin Mingshu, Xu Hao.
长白山阔叶红松林冠层透射率的定点观测研究
Fixed Point Measurements of Crown Transmissivity of the Broad-leaved Korean Pine Forest in Changbai Mountain
林业科学, 2004, 40(1): 31-35.
Scientia Silvae Sinicae, 2004, 40(1): 31-35.

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收稿日期:2002-04-15

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关德新
金明淑
徐浩

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     
中国科学院应用生态研究所 沈阳 110016
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,计算了5月22日—10月14日的林冠透射率,发现林冠定点透射率与天空状况有关,阴天时透射率的日变程曲线比较平稳,少云天波动增加,晴天条件下波动最为剧烈,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2 d定点测定与游走测定的比较发现,两种方法测定的透射率日平均值差异不大,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,不仅透射率大小发生变化,透射率峰值的出现时间也发生更迭。在观测期间内,定点透射率日平均值的季节变程曲线呈U形,5月底和10月上旬较高,7—8月较低且平稳,随日期(季节)的动态变化符合四次多项式函数,反映了冠层叶面积的季节变化特征。
关键词: 定点透射率    阔叶红松林    日变化    季节变化    
Fixed Point Measurements of Crown Transmissivity of the Broad-leaved Korean Pine Forest in Changbai Mountain
Guan Dexin, Jin Mingshu, Xu Hao     
Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences Shenyang 110016
Abstract: The transmissivity of the broad-leaved Korean Pine forest was calculated according to the fixed-point automatic measurements of global radiation above the forest and the transmission on the floor, from May 22 to October 14. The results showed that the transmissivity was correlated to sky conditions. The diurnal variation curve of the transmissivity was flatter under overcast and fluctuant under scattered sky. The violent fluctuation of the curves appeared in clear sky. These phenomena were due to the gaps of the crown and the percentage of direct ray in the global radiation. However, the comparison of fixed-point and wandering measurements showed that the difference of daily averaged transmissivities between the two methods was little. So the daily averaged transmissivities were reasonable to represent the characteristics of the crown. The transmissivity also varied with the growing stage not only in the values, but also the appearing times of the peak of the diurnal curves. Seasonal variation curve of the transmissivity (daily averaged) was took U shape during the measured period. The transmissivity was higher in late May and early October, lower and stable in July and August. The relationship between the transmissivity and days' number fitted quartic polynomial. This reflected the seasonal variation of leaf area index of the forest.
Key words: Transmissivity    Broad-leaved Korean Pine forest    Seasonal variation    Diurnal variation    

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,一部分被林冠层截获,其余部分透射到林地,称为透射辐射。透射辐射占总辐射的比例虽然不是很大,但它对森林生态系统生态过程的作用是不可忽略的,它既是地被植物光合作用的能源,也是制约地被植物物种的重要因素之一,同时还制约林地水汽、CO2等主要生命物质交换,影响森林土壤的物理性质,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,一些研究者建立了透射的物理模型(Anderson, 1966崔启武等,1981Mariscal et al., 2000),模型一般都以冠层叶面积水平分布均匀为假设前提,但实际森林、特别是天然林中,树龄各异,树种多样,很难满足这一假设,所以许多研究者对森林透射的实际观测中,都采用多点观测或游动观测(洪启发等,1963贺庆棠等,1980Baldocchi et al., 1986; 李俊清等,1990刘家冈等,1995孙雪峰等,1995任海等,1996潘向东,1997Chen et al., 1997; 常杰等,1999马钦彦等,2000Fidji et al., 2001),这种观测方法需要较多的人力、物力,难以进行长期的连续监测,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,为森林生态系统的研究提供依据。

1 研究地自然概况与观测方法 1.1 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1号标准地的阔叶红松林内进行,地理坐标42°24′N,128°6′E,海拔738 m,地势平缓。属季风影响的温带大陆山地气候,春季干旱,夏季短暂、温暖而多雨,秋季凉爽多雾,冬季漫长、晴朗而寒冷。年平均气温为0.9~3.9℃,年平均降雨量632.8~782.4mm。土壤为山地暗棕色森林土。主乔木为红松(Pinus koriaensis)、椴树(Tilia amurensis)、蒙古栎(Quercus mongolica)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、色木(Acer mono)等。林分为复层异龄结构,大致分3层林冠,第1层为水曲柳、椴树和红松,平均株高约为26 m;第2层为红松、色木、椴树等,平均株高约10 m;第3层为亚乔木,以槭类为主,平均株高约2 m。林分总立木株数约为560株·hm-2,总蓄积量为380 m3·hm-2,郁闭度0.8(王战等,1980)。

1.2 观测方法

研究地建有62 m高的气象观测塔,塔上安装有MAOS-Ⅰ型小气候自动观测系统,可进行1 h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,林上太阳总辐射表为TBQ-1型,安装在32 m高度。林地总辐射表在2.5 m高度,为了降低光斑引起的误差,采用了3支TBQ-3型管总状辐射表(表体长30 cm),等角距辐射状固定于铁塔的3支伸展臂上,分别向南、东北、西北设置,相互间距离为4.5 m。数据采集采用DT-500型智能数据采集器,自动采集的数据保存在其存储卡中,应用笔记本电脑定期读取存储卡中的数据。观测时间为2001年5月22日—10月14日,其中6月10—21日、8月10—14日、29—31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。

2 结果分析 2.1 定点透射辐射的基本特征

太阳辐射经过林冠后,到达林地的透射辐射有明显的削弱,总的来说,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,叶面积越大,透射辐射越小,因为叶面积随季节变化,所以透射辐射也随之变化,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,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,在不同时刻其数值不一定与林上总辐射成正比。图 1绘出了7月6日、9月25日两个晴日林上总辐射和定点透射辐射的日变化,可以看出总辐射呈明显的单峰曲线,由于日照时间变短,9月25日总辐射曲线的时间跨度比7月6日的窄,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,有波动峰值存在,这主要是林窗漏光引起的。

图 1 太阳总辐射与林地定点透射辐射的日变化 Fig. 1 Diurnal variation of the global radiation and the fixed-point transmission on the forest floor ○ 2001-07-06,总辐射Global radiation;● 2001-07-06,透射辐射Transmission radiation;△ 2001-09-25,总辐射Global radiation;▲ 2001-09-25,透射辐射Transmission radiation
2.2 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,选择了连续3 d但天空状况不同(7月3、4、5日,分别为少云、阴天、晴天)的实例进行比较分析,图 2是该3日的定点透射率日变化情况,可以看出,阴天的定点透射率比较平稳,少云天则波动增加,而晴天时波动最剧烈。由于连续3日内太阳视运动轨迹的变化很微小,由此引起的林冠透射光差异可以忽略,可以认为该3日定点透射率的差异是天空状况不同而造成的。

图 2 不同天空状况下定点透射率的日变化 Fig. 2 Diurnal variation of the fixed-point transmissivity in different sky conditions △ 2001-07-03,少云,Scattered;● 2001-07-04,阴天,Overcast;○ 2001-07-05,晴天,Clear

不同天空状况下直接辐射与散射辐射的比例不同,阴天时总辐射以天空散射辐射为主,接近于各向同性的天空辐射,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,林窗、林冠孔隙的分布的影响很小,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(直接辐射)的比例增大,林窗、林冠孔隙分布对定点透射率的影响程度也增大,当太阳面、林窗视面和林下辐射表在一条直线上时,透射辐射将明显增加,定点透射率也随之增大,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,林窗、林冠孔隙的分布对定点透射率的影响最大,所以晴天的定点透射率波动最剧烈。

该3日定点透射率的日平均值分别为0.156、0.145、0.161,即晴天>少云>阴天,其差异不大。不过这是比较典型的情况,实际上天空状况是千变万化的,一日内晴、阴、昙天可能交替出现,并与林窗和林冠透光孔隙发生时间和空间的交互作用,所以天空状况对定点透射率日平均值会有一定的影响。

2.3 定点观测与游走测定的比较

为了了解定点观测的准确性,选择晴天的2002年7月6日和7日进行了透射率的游走测定,采用ST-85型照度计,每2小时测定1次,每次读数在420~480个。定点测定与游走测定的透射率的比较见表 1(表中定点测定值为两个整点值的平均),可以看出,游走测定结果比较均匀,没有定点观测那样的明显波动,这是因为游走测定采样点多的缘故。从日平均值看,游走测定透射率比定点测定的稍低,两日游走测定值分别为0.151和0.153,定点测定则为0.159和0.160,但其差异不大,相对误差在4~5%,与观测误差接近,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 Tab.1 Comparison of transmisitivities of fixed-point(F) and wandering(W) measurements
2.4 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(主要是天空状况)随季节而变化,所以定点透射率也随季节进程而发生改变,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。

2.3.1 定点透射率日变化曲线的季节变化

图 3绘出了5—10月各月定点透射率日变化曲线,其季节变化有如下特点:由于白昼时间随季节变化,透射辐射的日间时间长度也随之变化,以观测点北京时整点资料分析,5—10月透射辐射的日间时间长度分别为10~11、12~13、13、11~13、10、9 h。

图 3 林冠定点透射率日变程的月际变化 Fig. 3 Monthly dynamic of diurnal variation of the fixed-point transmissivity (a) 5月May;(b) 6月June;(c) 7月July;(e) 8月August;(f) 9月September

各月的定点透射率日变化曲线都出现明显的峰值,但峰值的大小和出现时间随季节而变化,例如5、6月在8:00、11:00、14:00有较大的峰值。8:00峰值7月份继续存在,8月以后消失。11:00峰值7月消失,8、9月恢复,10月又消失。8月份在15:00出现小的峰值,10月份在10:00、13:00也出现峰值。这些现象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结果。

2.3.2 定点透射率日平均值的季节变化

图 4是观测期间定点透射率日平均值的动态变化,可以看出5月下旬和6月间定点透射率逐渐下降,7、8月至9月中旬波动于0.10~0.16之间,没有明显的变化趋势,9月下旬至10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,即生长季初期叶面积逐渐增大,生长旺季则较稳定,生长末期阔叶树叶片逐渐凋落、叶面积逐渐减小,定点透射率则与叶面积相反的趋势变化。经回归分析,定点透射率日平均值Tr的季节动态变化符合多项式:Tr=9×10-9x4-3×10-6x3+2×104x2-0.010 3x+0.297 8,R2=0.898 7。式中x为5月20日开始的日序,即5月20日x=1,5月21日x=2,5月22日x=3,……,依次类推,多项式曲线绘于图 4中,可见它与观测结果较好地符合。

图 4 定点透射率日平均值的季节动态变化 Fig. 4 Seasonal dynamic of the daily-averaged fixed-point transmissivity —○—日平均值Daily average;——回归方程Regression equation

图 4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,是透射率季节变化的总的趋势,观测结果显现为叠加在此趋势上的波动系列值,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,在生长季时间尺度内,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。

3 小结

到达林地的透射辐射与林上太阳总辐射成正比,与林冠层叶面积反相关,并随季节变化。由于林窗和林冠孔隙漏光,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,定点透射率的日变化曲线,在阴天比较平稳,少云天时波动增加,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,散射辐射所占的比例越大,林窗、林冠孔隙对定点透射率的影响越小,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,定点透射率日平均值间会由此产生一定的差异。通过2天定点测定与游走测定的比较发现,两种方法测定的透射率日平均值差异不大,可以认为,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,一是时间长度随季节变化,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,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(季节)的动态变化符合四次多项式函数,反映了林冠叶面积季节变化对透射率影响的总趋势,观测序列值表现的叠加在此趋势上的波动性,反映了天空状况等不稳定因素的影响。

参考文献(References)
常杰, 潘晓东, 葛滢. 1999. 青冈常绿阔叶林内的小气候特征. 生态学报, 19(1): 68-75. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.1999.01.010
崔启武, 朱劲伟. 1981. 林冠的结构和光的分布. 地理学报, 36(2): 196-208. DOI:10.3321/j.issn:0375-5444.1981.02.008
贺庆棠, 刘祚昌. 1980. 森林的热量平衡. 林业科学, 16(1): 24-33.
洪启发, 王仪洲, 吴淑贞. 1963. 马尾松幼林小气候. 林业科学, 8(4): 275-289.
李俊清, 柴一新, 张东力. 1990. 人工阔叶红松林的结构与生产力. 林业科学, 26(1): 1-8.
刘家冈, 邵海荣, 宋从和. 1995. 植被介质透射与散射关系的实验研究. 北京林业大学学报, 17(2): 40-43.
马钦彦, 刘志刚, 潘向丽. 2000. 华北落叶松生长季内的林冠结构和光分布. 北京林业大学学报, 22(4): 18-21. DOI:10.3321/j.issn:1000-1522.2000.04.004
潘向东. 1997. 青冈常绿阔叶林太阳辐射分布特征. 浙江农业大学学报, 23(1): 19-22.
任海, 彭少麟, 张祝平, 等. 1996. 鼎湖山季风常绿阔叶林林冠结构与冠层辐射研究. 生态学报, 16(2): 174-179.
孙雪峰, 陈灵芝. 1995. 暖温带落叶阔叶林辐射能量环境初步研究. 生态学报, 15(3): 278-286. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.1995.03.007
王战, 徐振邦. 1980. 长白山北坡主要森林类型及其群落结构特点. 森林生态系统研究, 1: 65-70.
Anderson M C. 1966. Stand structure and light penetration. II. A theoretical analysis. J Appl Ecol, 3: 41-54. DOI:10.2307/2401665
Baldocchi D, Hutchisomn B A, Matt D R. 1986. Seasonal variation in the statistics of photosynthe-tically active radiation penetration in an oak-hickory forest. Agric For Meteorol, 36: 343-361. DOI:10.1016/0168-1923(86)90013-4
Chen J M, Blacken P D, Black T A, et al. 1997. Radiation regime and canopy architecture in a boreal aspen forest. Agric For Meteorol, 86: 107-125. DOI:10.1016/S0168-1923(96)02402-1
Fidji Gendron, Christian Messier and Philip G. 2001. Comeau, Temporal variations in the understorey photosynthetic photon flux density of a deciduous stand: the effects of canopy development, solar elevation, and sky conditions. Agric For Meteorol, 106: 23-40. DOI:10.1016/S0168-1923(00)00174-X
Mariscal M J, Orgaz F, Villalobos F J. 2000. Modelling and measurement of radiation interception by olive canopies. Agric For Meteorol, 100: 183-197. DOI:10.1016/S0168-1923(99)00137-9