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(1. 許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院, 河南 許昌 461000;2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院, 廣東 廣州 510642)

冠層結(jié)構(gòu)和林冠造成的林下光環(huán)境對于植物的生長和更新有著重要的作用和意義[1].研究表明，森林冠層結(jié)構(gòu)可以由葉面積指數(shù)和林冠開度來反映[2]，且林冠開度和葉面積指數(shù)之間關(guān)系密切，均可用于評價林冠結(jié)構(gòu)的變化動態(tài)[3].廣東石門臺自然保護(hù)區(qū)森林資源豐富，基本能反映亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，因此，選取該區(qū)域研究亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的冠層結(jié)構(gòu)和林下光照是適宜的[4].本研究以廣東石門臺自然保護(hù)區(qū)森林群落為研究對象，以空間變化代替時間的原則選擇和設(shè)置樣地，對廣東石門臺自然保護(hù)區(qū)3種不同演替階段森林群落冠層結(jié)構(gòu)特征和林下光照環(huán)境進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步揭示林下光照與冠層結(jié)構(gòu)的相關(guān)性及其隨群落進(jìn)展演替的變化規(guī)律.研究成果可以為豐富亞熱帶森林冠層結(jié)構(gòu)動態(tài)變化資料，以及為該類型森林的恢復(fù)與重建等提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

廣東石門臺自然保護(hù)區(qū)(24°23′49″～24°28′04″N，113°16′07″～113°20′18″ E)位于廣東省英德市北部.該地區(qū)多為低山和丘陵，海拔為100-1 587 m，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，干濕季明顯.年平均氣溫20.8 ℃，最熱月7月，最冷月1月，極端最高氣溫38.6 ℃， 極端最低氣溫-3.6 ℃，年降雨量2 000 mm以上，4-10月為主要降雨季節(jié)，11月至翌年3月為少雨季節(jié)，年平均相對濕度79%.土壤類型為紅壤、山地黃壤和赤紅壤.

在石門臺自然保護(hù)區(qū)非石灰?guī)r土山區(qū)域，選擇不同演替階段的3種森林群落類型，分別為馬尾松+木荷林、木荷+紫花杜鵑林(以小樹及中樹為主)以及木荷+腺葉山礬林(以大樹為主).綜合各種因素推算出3個樣地依次分別是：1955、1975和1995年的林分，分別記為群落I、群落II和群落III.

2 研究方法

2.1 獲取冠層半球面影像

在以上3個林型的樣地內(nèi)用半球面影像測定林隙光照條件，具體做法是用尼康Coolpix 4500相機(jī)接尼康FC-E8魚眼鏡頭(正投影，183°廣角)[3]，于每個20 m×20 m樣方對角線的中心及1/4和3/4處各拍一張半球面林冠影像，照片最后保存為JPEG格式，分辨率選用1 600×1 200，按低壓縮比率1:4進(jìn)行保存，每個樣方最后保存5張冠層半球面照片[5].

2.2 冠層結(jié)構(gòu)和林下光照參數(shù)

用Gap Light Analyzer(GLA version 2.0)專用軟件分析冠層照片，得到一系列冠層結(jié)構(gòu)和林下光照參數(shù)[3]：冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)有林冠開度、葉面積指數(shù)；林下光照參數(shù)包括林下直射光、林下散射光、林下總光照.

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用STATISTICA 8.0對冠層結(jié)構(gòu)和林下光照參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan氏法進(jìn)行比較[3]；同時采用簡單相關(guān)分析和典型相關(guān)分析[6]研究林下光照與冠層結(jié)構(gòu)因子的簡單相關(guān)關(guān)系和多元相關(guān)關(guān)系.

3 結(jié)果與分析

3.1 冠層結(jié)構(gòu)與林下光照特征

石門臺自然保護(hù)區(qū)森林群落不同演替階段冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)和林下光照條件差異均極顯著(P<0.000 1).隨著演替進(jìn)展，林冠開度、林下直射光、林下散射光和林下總光照最終減小，而葉面積指數(shù)最終增加.其中從群落II至群落III林冠開度、葉面積指數(shù)的變幅均比從群落I至群落II的變幅小(圖1).

圖1 石門臺亞熱帶森林不同演替階段冠層結(jié)構(gòu)與林下光照特征

3.2 林下光照與冠層結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析

如圖2所示，不同演替階段，林下光照因子與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)均呈顯著相關(guān)；總體趨勢是，林下光照因子均隨林冠開度的增加而增加，而隨葉面積指數(shù)的增加而減少.不同演替階段森林群落林下直射光的量均比散射光多，表明前者對林下總光照的貢獻(xiàn)較大一些[3].

不同演替階段林下光照因子與林冠開度均呈正相關(guān)且顯著(P<0.01)(除群落II林下直射光與林冠開度相關(guān)性不顯著外)，其中，林下散射光與林冠開度的正相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)，且其相關(guān)性在不同演替階段之間的差異最??；總光照次之；林下直射光最弱，其相關(guān)性在不同演替階段之間的變化最大(表1).

圖2 石門臺亞熱帶森林不同演替階段林下光照因子與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

林下光照與葉面積指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)且顯著(P<0.05)，林下散射光與葉面積指數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)，且其相關(guān)性在群落間的變化最?。豢偣庹沾沃?；直射光與林冠開度的負(fù)相關(guān)關(guān)系最弱，相關(guān)性在群落間的變化最大(表1).

表1 石門臺亞熱帶森林不同演替階段林下光照因子與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)分析

3.3 林下光照與冠層結(jié)構(gòu)的典型相關(guān)分析

如表2所示，經(jīng)典型相關(guān)分析的卡方檢驗(yàn)，石門臺亞熱帶森林不同演替階段林下光照因子與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)兩組變量之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.000 1)[3].經(jīng)典型相關(guān)進(jìn)一步分析，表明石門臺亞熱帶森林不同演替階段(演替前期、演替中期、演替后期)冠層結(jié)構(gòu)因子能分別解釋林下光照因子67.1%、41.0%、47.6%的變異，而林下光照因子卻能分別解釋冠層結(jié)構(gòu)因子90.4%、99.7%、69.9%的變異，表明隨著演替進(jìn)展，冠層結(jié)構(gòu)因子對林下光照條件的影響和控制程度最終呈減小趨勢.

表2 林下光照和冠層結(jié)構(gòu)典型相關(guān)分析的卡方檢驗(yàn)和特征值

表3 林下光照和冠層結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系及典型變量

從群落I至群落III林冠開度與葉面積指數(shù)的相關(guān)關(guān)系呈減弱趨勢，但總體來說，不同演替階段，林冠開度與葉面積指數(shù)的負(fù)相關(guān)性均較強(qiáng)(表3).不同演替階段林下直射光與散射光、直射光與總光照、散射光與總光照均呈正相關(guān)(除群落II中直射光與散射光相關(guān)性不顯著外)，隨著演替進(jìn)展，林下光照各因子之間相關(guān)關(guān)系最終呈減弱趨勢.其中，相關(guān)系數(shù)降幅最大的是直射光與散射光，降幅最小的是直射光與總光照；相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)的是直射光與總光照，散射光與總光照相關(guān)關(guān)系次之.

從典型權(quán)重系數(shù)看，不同演替階段林冠開度因子在冠層結(jié)構(gòu)變量組中起主要作用，林下光照變量組中起主要作用的是總光照，不同演替階段林冠開度是影響總光照的主要冠層結(jié)構(gòu)因子.

4 結(jié)論與討論

研究表明，不同演替階段森林群落冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)與林下光照條件差異均極顯著.隨著演替進(jìn)展，群落林冠開度和林下光照顯著減小，葉面積指數(shù)顯著增加.相關(guān)研究表明，林冠孔隙度隨群落演替的進(jìn)展而降低，葉面積指數(shù)隨演替的進(jìn)展而呈增加趨勢[7]，這些均與本研究結(jié)果相符.隨著演替進(jìn)展，林下光照因子隨林冠開度的增加而增加，隨葉面積指數(shù)的增加而減少.不同演替階段，林下直射光都大于散射光.相關(guān)研究表明，林冠孔隙的大小、形狀以及分布均會影響冠層對光的截獲[8]，而隨著演替進(jìn)展，森林群落林冠變得越來越郁閉和復(fù)雜，會直接或間接影響林下直射光與散射光的大小與變化方式.同時，林下直射光受林冠孔隙大小、林冠高度、太陽方位角、地形等因素的影響顯著[9]，因此，林下直射光的變化較散射光更為復(fù)雜.這些均與本研究結(jié)果相符.

隨著演替進(jìn)展，冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)對林下光照因子的解釋能力降低，表明在演替前期(森林群落林冠開度較大，葉面積指數(shù)較小)，冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)是林下光照因子的主導(dǎo)影響因素；而到了演替后期(林冠開度較小，葉面積指數(shù)較大)，冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)對林下光照因子的主導(dǎo)作用顯著減弱，可能其他因素對林下光照的控制逐漸增強(qiáng).無論是演替前期，還是演替后期，林冠開度對冠層結(jié)構(gòu)的解釋和貢獻(xiàn)能力均較葉面積指數(shù)高，表明在評價冠層結(jié)構(gòu)動態(tài)時選用林冠開度作指標(biāo)更優(yōu).