杨桦次生林间伐后林下光照特征研究

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摘 要：该研究通过对河北省承德市桃山林场杨桦次生林间伐后林下光照特征的测量调查，研究了间伐后林下光照特征与抚育间伐强度关系，结果表明：抚育间伐对于杨桦次生林林下光照有明显的增加效果。随着抚育间伐强度的增加，林下光照呈正相关性，但当抚育间伐强度过高时，该相关性不明显。在抚育间伐后的杨桦次生林地内，较强抚育间伐强度的林下光照异质性较为明显。多样性指数的变化主要取决于物种丰富度。

关键词：抚育间伐；杨桦次生林；林下光照；间伐强度

中图分类号 S79 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）12-0117-04

Abstract：Through the survey of light features of polar-birch secondary forest after thinning in Taoshan forest farm of Chengde City of Hebei Province， this paper studied the relationship between light characteristics and thinning intensity. The results showed that thinning for birch secondary forest light has a significant increase. With the increase of thinning intensity， understory light was positively correlated， but when the thinning intensity is high， the correlation is not obvious. In polar-birch secondary forest after thinning， light heterogeneity is more obvious with stronger thinning intensity. The diversity index varies mainly depending on species richness.

Key words：Thinning；Polar-birch secondary forest；Understory light；Thinning intensity

1 引言

在我国，次生林作为森林资源的主体[1]，占据近一半的森林总面积[2]。杨桦林为山杨（Populus davidiana Dode.）纯林、白桦（Betula platyphylla Suk.）纯林和山杨白桦混交林的统称，为地带性森林群落，由阔叶红松林在外因作用下发生次生演替形成，处不稳定状态[3]。杨桦次生林是冀北山区主要的林分类型之一。目前杨桦次生林存在林分生长状况较差、生态功能低下、生物多样性低、病虫害严重等一系列问题，不能充分发挥森林的功能[4]。光照作为植物生长、发育的必要条件之一，在其中起到至关重要的作用，其分布也影响着林分结构。林分结构为森林重要组成部分，与森林功能的实现有着重要联系。而研究地桃山林场又存在着杨桦次生林下植被被乱伐乱牧的现象，对于身处滦河上游，起着水源涵养、水土保持作用的它来讲，该问题的突出性较高。

森林抚育采伐是森林生态系统经营中人类作用于森林的主要措施，通过抚育采伐调整林分密度，改善环境条件，可产生使林分动态发生关键性改变的林隙（窗），大大促进了林木生长[5-7]。研究森林抚育采伐对林下更新及其环境的影响，是科学确定森林抚育措施的重要依据[8]。林隙的出现使地表光照增加，而光是影响植物生长和生存的诸多环境因子中最重要的限制因子之一，通过对林隙/林冠下光照状况的观测，分析其时空变化规律，能更好地理解自然更新过程[9]。虽然对于林下光照的重要性在大部分森林研究中都有提到，但对于天然次生林的众多研究中，对于单独分析林下光照这一因素的研究较少。基于以上因素，笔者在河北省桃山林场对杨桦次生林间伐后的林下光照特征进行了研究。

2 研究地概况

研究地点位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县木兰国有林场所属的桃山林场。位置为东经116°21′37″～118°14′30″，北41°35′04″～42°40′14″。研究地点属燕山余脉与阴山、大兴安岭山脉交界处，地势西北高东南低，平均海拔1400m。该地区气候属中温带向寒温带过渡、半干旱半湿润的大陆性季风型高原山地气候，冬长夏短，四季分明，有昼夜温差大的特征，年平均气温-1.4～4.7℃，极端最高气温38.9℃，极端最低气温-42.9℃，年均降水量380～560mm，主要集中在7―9月，无霜期67～128d，日照充足，年积温2300℃，，年均蒸发量1462.9～1556.8mm。主要土壤类型多为沙壤土。桃山林场总经营面积1.58hm2，森林覆盖率达81.5%，优势树种为桦树、华北落叶松、柞树，天然次生林主要有杨桦次生林与蒙古栎次生林两种。乔木树种以白桦（Betula platyphylla）、山杨（Populus davidiana）为主，树下有大叶小檗（Berberis amurensis）、金花忍冬（Lonicera chrysantha）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、毛榛（Corylus mandshurica Maxim.）等灌木。草本植物主要以披针苔草（Carex lanceolata）为主，其他的还有异花假繁缕（Pseudostellaria heterantha Pax）、紫斑风铃草（Campanula punctata Lam.）、早熟禾（Nymphaea tetragona）、唐松草（Thalictrum aquilegifolium）等。

3 研究方法

3.1 标准地的设置及标准 2012年7月，于围场县木兰国有林场桃山林场选取有代表性的杨桦次生林进行实地调查，样地内的群落密度为1168株/hm2，林龄44a，郁闭度0.85，设置6块标准地，都为50m×50m的标准地，其中1号地、3号地、5号地进行抚育间伐，而2号地、4号地、6号地为对照。对于3块进行抚育间伐的样地分别进行强度、中度与弱度的抚育间伐，另外三块对照不做任何处理。抚育样地采取的上层疏伐，对径阶10cm以上的乔木进行抚育间伐，强度抚育间伐为上层保留225株/hm2，中度抚育间伐为上层保留450株/hm2，弱度抚育间伐为上层保留675株/hm2。各标准地的情况如表1所示

3.2 样地拍照 将每块标准地分成若干个10m×10m的小样方，并于各小样方4个顶点处分别拍照，拍照所使用的是装有鱼眼镜头的数码照相机，照相机镜头水平向上，机身上部向北以便照片处理时分辨方向，相机镜头高度与草本层层高平齐，拍摄2张光照状况照片，拍摄天气应选取光照不强的无云日、云朵厚度及分布皆均匀的天空或阴天无云日，以防嫩叶及白色树干反光对分析产生的干扰；拍照同时需做好照片笔录，以便后期处理。

3.3 照片处理及数据处理分析

3.3.1 照片处理 本次拍照共拍取914张照片，选取其中228张进行处理分析。由于所测区属光照充足区域，用HemiView半球影像分析系统直接进行分析会产生误差，所以在用HemiView半球影像分析系统进行分析之前用PhotoShop软件对反光的叶片、地被植物及树干部分进行色差校准：将当前照片大部分可见天空的颜色进行采取，用于对可见部分比遮蔽部分还要灰暗处的色差调整，以及将当前照片正常显示遮蔽的叶片或树干的颜色进行采取，用于对反光树叶、反光树干处的色差补偿。处理完成后留于HemiView半球影像分析系统进行分析。本次在样地所拍摄照片采用HemiView半球影像分析系统进行处理，通过HemiView半球影响分析系统对全天空照片进行分析，可以得到各高度的光照量、光照系数以及全年光照分布等。此方法较于人工单独进行光照测量省时省力，同时分析较为准确，避免了人为大量测量可能带来的误差，可以提供更精准的所需数据。数据输出时做好备注，以便进行比较分析。

3.3.2 数据处理分析 对于每张照片处理出来的TotBe（林冠下光照透射总量）值按照每500MJ・m-2・yr-1一个量级进行每块地的单独分类整理，即[0，500），[500，1000），[1000，1500），[1500，2000），[2000，2500），[2500，3000），[3000，3500），[3500，4000）几个量级区间，通过以此对数据的分组，便于数据的更直观理解光照在各个样地内的分布情况。同时对于个样地的可见天空比、散射辐射位置因子、直射辐射位置因子、总辐射位置因子、冠下直射光照、冠下散射光照、冠下总光照等参数进行求平均以及标准差的计算。

4 结果与分析

4.1 抚育间伐对林下光照影响 照片处理的结果与分类进行分析的数据如表2所示。如表2所示，无论是何等强度的抚育间伐，从各项光照指数上来看，都表现出抚育间伐对增加林下光照有显著效果。林下全天空系数的增加的同时，林下的光照的直射通量、光照的散射通量以及光照的总通量也明显升高。通过对多种指数的分析研究表明，GSF（总辐射位置因子）指数作为代表抚育间伐后林下的光照指数对后面进一步的研究分析有着较好的支持。

4.2 林下光照与抚育间伐强度的相关性 通过表2的数据显示，光照指数随着抚育间伐强度的增加而表现出正相关关系，同时如下表3数据所示光照的树冠下散射量、树冠下直射量及树冠下光照总量表现出光照指数随抚育间伐强度的正相关性，不过弱度抚育间伐与中度抚育间伐的光照量增量较为明显，显示出抚育间伐强度的差异，但强度抚育间伐与中度抚育间伐的光照量数值变化不大，很是接近，并不能很直观的表现出光照与抚育强度间的明显关系，其显示关系很可能是因为当全天空指数达到一定值的时候，冠下光照量不再随着其增加而增加，同时坡度的差异值也可能导致该现象的发生。

4.3 抚育间伐后的光照异质性 同过标准差的计算显示各样地的光照特征，TobBe（冠下总光照）标准差（表2）与GSF（总辐射位置因子）标准差（表1）及下列柱状图（图1～图6）显示，3号地、5号地较之2号地、4号地、6号地虽然光照量级有所增加，但同2号地、4号地、6号地3块未做处理的对照地一样光照量级较为集中，即样地内林下光照分布较为均匀，而1号地TobBe（冠下总光照）标准差为1018.21MJ・m-2・yr-1、GSF（总辐射位置因子）标准差为0.1233，皆远高于其他5块样地的GSF（总辐射位置因子）标准差及TobBe（冠下总光照）标准差，1号地内光照量级分布呈现异质性表现，其量级分布呈现为双峰式分布，且量级分布的阈值也较大，同时拍照时期处于8月份，由图7可知，拍摄照片时日照充足，不属于日照不足引起分析误差。很可能属于抚育间伐强度过强时，间伐空隙的光照量与保留木下的光照量差异较大导致的光照异质性。

5 结论与讨论

根据图片处理分析的结果显示出，无论是什么强度的抚育间伐，对于杨桦次生林林下的光照都有明显的增加光照的效果，光照指数的各项指标，无论是散射辐射位置因子、直射辐射位置因子、总辐射位置因子，还是全天空指数、冠下直射光照量、冠下散射光照量、冠下光照总量都有不同程度的增加，表现出明显的正相关性。结合分析可推测出，对于杨桦次生林的抚育间伐对其林下光照量有显著的提高。

通过对不同抚育间伐强度间光照各指数及林下光照量之间的比较可以发现，对于中度、弱度抚育间伐与对照相比，抚育间伐强度与林下光照量显示出明显的正相关性，中度嵊间伐较于弱度抚育间伐林下光照有明显的增加，但强度抚育间伐较于中度抚育间伐的林下光照量增长不明显，表现为基本无增加。对于强度抚育间伐对中度抚育间伐的林下光照量增长趋势的趋于缓和，可能的影响因素有：强度抚育间伐处理的样地较于中度抚育间伐的坡度较缓，且坡向向北，林冠层对于光照的拦截效果增加，影响抚育间伐后林下光照的程度较强。同时当抚育间伐强度达到某一强度后，抚育间伐强度的增加对于林下光照量的增加的影响基本消除，此时林下光照直射量、散射量及光照总量只受大气等因素影响，而抚育间伐强度转而变成次要因素。

而对于强度抚育间伐的1号地产生的异于其他样地的林下光照异质性现象，根据对1号地各个照相分析点各自单独的冠下光照总量比较分析，其林下光照量级分布表现出样带性，根据数据分析很可能育1号地坡下区域临近居民放牧区，日常监管的疏漏使放牧有可能影响坡下部分的灌木生长发育。

在黄传响等对长白山云冷杉针阔混交林林隙夏季光照特征研究里表明小林隙受面积因素影响，其光照强度及异质性程度明显低于大林隙[10]。而抚育间伐强度的增加就对林隙增大有直接的作用效果，因此此次调查结果也印证了抚育间伐强度增加的同时也会使林下光照异质性增加，但对于抚育间伐强度增加到某一强度时可能对林下光照的影响较小的情况，在玲继华，王丽，张鸿景对木兰林管局白桦次生林经营的建议里讲到，白桦次生林作为木兰林管局的主要林分类型，应在生态公益林和商品林基础上，以发挥森林的生态防护功能为主，兼顾木材生产的原则，根据立地条件、主体功能和林分特点划分适宜的经营类型，其中生态公益林以封育为主，商品林以低强度抚育为主[11]。由于研究的为杨桦次生林抚育间伐后单一因素的特征，而就林下光照特征这一单一因素来讲，过高抚育间伐强度带来的增益效果也并不明显，但过高抚育间伐强度对其他林下因素的影响本次研究并未做出探讨，顾目前结果来看不宜采取过高强度的抚育间伐，而应采取较为适中的抚育间伐强度。

森林的可持续经营管理需要科学的依据支持，应对各个因素应该逐个进行探讨研究再进行综合性研究，以提供更可靠的科学依据。本次研究虽对林下光照这一单一因素进行较为全面研究，但还是难以脱离来自其他因素的干扰影响，同时对于杨桦次生林的抚育间伐的连年监测应该继续，以提供更多更可靠的数据。

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