黃練忠，楊進良，徐慶華，張星元，闞 蕾，張 璐

（1.廣東省東莞市大嶺山森林公園，廣東 東莞 523725；2.華南農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642）

城市是人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的區(qū)域，預計到2050年，世界上居住在城市地區(qū)的人口可能達到66%[1]。良好的城市生態(tài)環(huán)境是地球人共同的追求和要求，而城市森林正是為滿足此種要求應運而生。作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]，城市森林在改善城市環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用[3]，具有改善空氣和水質、調節(jié)小氣候、減少噪音、進而改善人類健康和福祉的功能[4-5]。森林冠層是地球上90%的陸地生物量與大氣之間的功能界面[6]，是一個復雜的三維空間結構[7]，具有較強的空間異質性[8]。林冠層的結構特征客觀地反映了樹木對空間資源的利用情況[9]。林冠內(nèi)的光輻射分布主要取決于林冠結構、地形因素、太陽位置[10]以及氣候變化、人為干擾等[11]。林冠結構對輻射的作用是森林群落內(nèi)光輻射研究熱點之一[12]。由于到達地面的光照需要通過林冠層[13]，森林的林冠層通過對光照的吸收與轉換，直接影響著林下光照的分布和照射時間，林下光環(huán)境具有很高的空間異質性[14]。同時，林下空間結構的異質性也強烈影響森林的有效光輻射[15]。林冠結構影響著林下光環(huán)境的變化進而影響林木的生長[16]。

目前，少有研究把城市森林林冠結構和光環(huán)境作為整體因素來研究[17]。對林冠結構和林下光環(huán)境的研究將加深對植物群落演替進程及其機制的理解[18]，量化林冠結構和林下光照對研究林冠時空變化和林下環(huán)境異質性具有重要意義，有助于深入了解森林動態(tài)。本研究以城鄉(xiāng)梯度下南亞熱帶城市森林群落為研究對象，量化廣州市區(qū)、近郊和遠郊的城市森林群落林冠結構與林下光環(huán)境的關系，主要研究以下問題：沿城鄉(xiāng)梯度，城市森林群落林冠結構對林下光環(huán)境的影響是否一致？哪個林冠結構因子對林下光環(huán)境的影響較強？研究不僅可為南亞熱帶森林群落更新和維持提供理論依據(jù)，還可為提高廣州城市森林質量、創(chuàng)建珠三角國家森林城市群提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于廣東省廣州市市區(qū)黃花崗公園、近郊帽峰山森林公園和遠郊石門國家森林公園。該區(qū)地處廣東省中南部，珠江三角洲北部，年平均氣溫20 ～ 22 ℃，年平均降水量1 600～1 800 mm。黃花崗公園位于廣州市越秀區(qū)，地理位 置 為113°17′58″～113°18′12″E，23°8′43″～23°8′48″N，土壤多為紅黃粘壤土。帽峰山森林公園距廣州市中心約23 km，地理位置為23°16′9″～ 23°19′26″N，113°22′5″～ 113°29′32″E，土 壤 類型主要為赤紅壤。石門國家森林公園位于廣州市從化區(qū)的東北部，距廣州市中心約86 km，地理位 置 為113°46′16″～113°49′ 17″E，23°36′50″～23°39′20″N，土壤隨海拔分布有紅壤、赤紅壤、黃壤、草甸土等。該區(qū)地帶性植被為南亞熱帶季風常綠闊葉林，但山地丘陵的森林主要為次生林和人工林[19]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置

以廣州市黃花崗公園、帽峰山森林公園和石門國家森林公園分別作為廣州市區(qū)、近郊和遠郊樣地代表[20]，在這3個公園選擇典型城市森林群落分別設置10個面積為20 m×20 m的樣方，每個樣地4 000 m2，共計調查1.2 hm2。3個樣地的土壤、地形等因素盡量保持一致。在每個樣方進行每木調查，記錄胸徑(Diameter at breast height,DBH) ≥ 3 cm的所有活立木和枯立木的種名、胸徑、樹高和冠幅。

1.2.2 半球面影像拍攝與分析

在陰天或好天氣的日出和日落，用三腳架將Nikon CoolPix D750數(shù)碼相機外接Nikkor AF-S 8-15/3.5-4.5 E魚眼鏡頭轉換器水平放置于離地面1.65 m處，用指南針確定方向使記錄的照片頂部與磁北方向重合，在每個20 m × 20 m樣方四角和對角線四分位處鏡頭朝上拍攝半球面林冠影像。

1.2.3 地形因子記錄

分別用手持式GPS儀、坡度計等實測樣方的地理坐標、海拔、坡位、坡度和坡向等，并記錄樣地群落的林冠郁閉度和人為干擾情況。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

1.2.4.1 林冠參數(shù)與光環(huán)境分析

采用Gap Light Analyzer 2.0 (GLA)圖像處理軟件分析林冠影像，輸出林冠開度（Canopy Openness,CO）、葉面積指數(shù)（Leaf area index,LAI)、林下直射光（Transmitted direct light,Tdir）、林下散射光（Transmitted diffused light,Tdif）和林下總光照（Transmitted total light,Ttot）。

1.2.4.2 林冠參數(shù)差異性分析

采用Statistica 8.0統(tǒng)計軟件對3個城市森林群落的林冠開度、葉面積指數(shù)、林下直射光、林下散射光和林下總光照等參數(shù)進行Kruskal-Wallis（非參數(shù)ANOVA）檢驗，并對差異顯著的結果進一步做多重比較。

1.2.4.3 林冠結構與林下光環(huán)境的相關分析

采用Statistica 8.0統(tǒng)計軟件分別分析3個城市森林群落林冠層的胸徑、樹高、林冠開度、葉面積指數(shù)與林下直射光、林下散射光和林下總光照等參數(shù)的相關性。

2 結果與分析

2.1 城市森林群落林冠結構特征

基于12 000 m2調查樣地，城市森林群落林冠層共有立木3 244株，分屬于158種102屬54科，以常綠植物占絕對優(yōu)勢（92.7%）。群落平均胸徑、平均樹高和平均冠幅分別為11.0±0.5 cm、8.0±0.2 m和2.8±0.03 m，兩兩之間均存在顯著相關關系（P＜ 0.05）。其中，平均胸徑和平均樹高的正相關性較強（r= 0.615 9），平均胸徑和平均冠幅的正相關性也較強（r= 0.534 7），但平均樹高和平均冠幅的相關性較弱，r值僅為0.139 5。城市森林群落林冠層沿城鄉(xiāng)梯度的基本特征見表1。

沿城鄉(xiāng)梯度，城市森林群落林冠層立木胸徑逐漸增大，林冠開度表現(xiàn)為近郊＞遠郊＞市區(qū)；而樹高和葉面積指數(shù)剛好相反，表現(xiàn)為近郊＜遠郊＜市區(qū)（圖1）。Kruskal-Wallis檢驗分析揭示，除了胸徑在不同區(qū)域間差異不顯著外（P＞ 0.05），樹高、林冠開度與葉面積指數(shù)在不同區(qū)域間均呈極顯著差異（P＜ 0.001）。多重比較進一步表明，近郊的樹高與市區(qū)、遠郊均差異顯著。無論是林冠開度還是葉面積指數(shù)，市區(qū)與近郊、遠郊差異明顯，但近郊與遠郊之間差異不顯著，說明市區(qū)、近郊和遠郊的城市森林群落林冠結構參數(shù)沒有遵循同一變化模式。近郊和遠郊的林冠開度與葉面積指數(shù)特征較為相似，卻都與市區(qū)相差較多。究其原因，可能是因為市區(qū)的森林群落是人工林，粉單竹Bambusa chungii在市區(qū)林冠層中占據(jù)絕對優(yōu)勢，該物種胸徑(DBH) ≥ 3 cm的個體數(shù)占市區(qū)林冠層所有物種個體數(shù)的61.9 %，而且粉單竹生長良好且均勻，因而市區(qū)森林群落林冠開度最小，葉面積指數(shù)最大；而近郊和遠郊的森林群落為次生林，由于人為干擾和自然干擾出現(xiàn)了較多的林窗，所以林冠開度較大，葉面積指數(shù)較小。

2.2 城市森林群落林下光環(huán)境特征

城市森林群落林下直射光、林下散射光和林下總光照分別為2.77±0.73、2.40±0.49、5.17± 1.18 mol·m-2d-1。林下光環(huán)境變異較大，其中又以林下直射光變異最大，變異系數(shù)為26.34%，其次為林下總光照（22.90%），而林下散射光的變異最小（20.28%）。

表1 城市森林群落林冠層基本特征Table 1 The basal feature of canopy of urban forest communities

圖1 城市森林群落林冠結構數(shù)量特征Fig.1 Quantitative characteristics of canopy structures of urban forest communities

對不同區(qū)域城市森林群落的林下光環(huán)境參數(shù)分別進行Kruskal-Wallis檢驗，結果表明林下直射光、林下散射光和林下總光照的差異性均達到極顯著水平（P＜ 0.001）。多重比較揭示，森林群落冠層林下的3個光環(huán)境參數(shù)差異性表現(xiàn)一致，即在近郊和遠郊不顯著，而在市區(qū)則分別與近郊和遠郊差異顯著（圖2）。研究結果說明，城市森林群落近郊和遠郊的冠層林下光環(huán)境特征相似，均不同于市區(qū)。進一步分析得知，近郊和遠郊的林下直射光、林下散射光和林下總光照的數(shù)值極為接近，均與市區(qū)相差較多（圖3）。林下光環(huán)境3個參數(shù)從小到大依次為市區(qū)＜遠郊＜近郊，其原因可能是受到林冠結構的影響較大。林冠開度越大，葉面積指數(shù)越小的林下光環(huán)境參數(shù)就越大，反之則小。

圖2 城市森林群落林下光環(huán)境特征Fig.2 Characteristics of understory light availability of urban forest communities

圖3 城市森林群落林下光環(huán)境對林冠結構的響應Fig.3 Responses of understory light availability to canopy structures of urban forest communities

2.3 城市森林群落林下光環(huán)境對林冠結構的響應

城市森林群落林冠結構與林下光環(huán)境的相關分析（圖3）表明，無論是市區(qū)、近郊還是遠郊，林冠層胸徑和樹高與林下光環(huán)境均無顯著相關（P＞ 0.05）。市區(qū)的林冠開度和葉面積指數(shù)與林下散射光和林下總光照表現(xiàn)出顯著相關（P＜ 0.05），但與林下直射光沒有顯著相關性（P＞ 0.05）；近郊的林冠開度與林下光環(huán)境參數(shù)之間均呈極顯著正相關（P＜ 0.001），葉面積指數(shù)與林下光環(huán)境參數(shù)之間均呈極顯著負相關（P＜ 0.001）；遠郊的林冠開度與林下光環(huán)境參數(shù)沒有顯著的相關性（P＞ 0.05），葉面積指數(shù)則呈現(xiàn)為極顯著負相關（P＜ 0.001）。城市森林群落林冠結構對林下光環(huán)境的影響不一致。胸徑和樹高對林下光環(huán)境無影響，林冠開度的影響較小，但葉面積指數(shù)的影響較大。

3 結論與討論

光照是森林中林木生長的主要環(huán)境因子[21]。林冠結構影響林下光照的分布和有效性[22]。研究指出，冠層對輻射的截獲導致透過林冠進入林下的光照減少，葉面積指數(shù)越大，光截獲率越大，林冠結構對林下散射光的影響比對林下直射光大[17,23-24]。本研究對南亞熱帶城市森林群落的研究也揭示，與林下直射光相比，林下散射光對林冠結構的響應更敏感。不同演替階段次生林的林冠開度對冠層結構的反映程度比葉面積指數(shù)高[25]。但本研究卻揭示，胸徑、樹高對林下光照影響不大，林冠開度對林下光照的影響也較小，葉面積指數(shù)對林下光照的影響較大，尤其對林下散射光、林下總光照的影響較大。這可能在于林冠結構的差異是林下光照變異的主要原因。

林下散射光主要受林分類型、林分葉片傾角和枝干形狀等因素的影響，而林下直射光則主要受太陽路徑、坡度和坡向等的綜合影響[26]，尤其是太陽位置的變化[27]。本研究揭示，沿城鄉(xiāng)梯度，近郊森林群落無論是物種豐富度和多度都最小，其林冠開度最大，而葉面積指數(shù)最小。就物種組成而言，市區(qū)森林群落林冠層的單優(yōu)種粉單竹（967株）挺秀優(yōu)姿，株型高大，常用于華南地區(qū)庭園綠化，平均高度為9.6±0.06 m，平均胸徑為6.6±0.03 cm。粉單竹葉片多披針形，長10～20 cm，寬2～4 cm。而近郊森林群落林冠層以樟Cinnamomum camphora（115株）和油茶Camellia oleifera（99株）占優(yōu)勢，遠郊森林群落林冠層則以華潤楠Machiluschinensis（196）和木荷Schima superba（111）為共優(yōu)種。市區(qū)以粉單竹為絕對優(yōu)勢的森林群落林冠層葉面積指數(shù)最大，林冠開度最小，林下直射光、林下散射光及林下總光照等林下光環(huán)境均最小。但城市森林群落尤其是市區(qū)的人工林物種組成和結構更多的是受人類活動和社會經(jīng)濟因素的影響。不同的林冠結構、不同的物種組成，其林下光環(huán)境不同，城市森林景觀及生態(tài)效益也不同。因地因時制宜，綜合考慮城市森林自身因素和社會經(jīng)濟因素，是保護和營建城市森林的重要舉措。但由于城市森林林冠層的復雜性，不同季節(jié)和不同垂直高度林冠層對林下光環(huán)境的影響還沒有展開系統(tǒng)研究。量化林冠結構在時間和空間上的動態(tài)變化，剖析城市森林植物群落不同物種對林下光環(huán)境的響應，并提出城市森林管理的措施還有待進一步的研究。