冠层分析仪在板栗冠层光辐射特征研究中的应用

郭素娟，熊 欢，邹 锋，吕文君，李广会，谢 鹏，彭晶晶

(北京林业大学 林学院，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京100083)

冠层分析仪在板栗冠层光辐射特征研究中的应用

郭素娟，熊 欢，邹 锋，吕文君，李广会，谢 鹏，彭晶晶

(北京林业大学 林学院，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京100083)

采用WinsCanopy 2006a冠层分析仪测定燕山地区迁西县23个典型的板栗园115棵板栗树的冠层光辐射参数，通过计算获得光合有效辐射（PAR）透过率与消光系数K，并对各参数进行相关性分析。同时采用LI-3000C叶面积仪测定叶面积指数（LAIdi），与冠层分析仪提供的方法测定的叶面积指数（LAIin）进行相关性比较。结果表明：（1）板栗冠层光辐射参数中，林隙分数、开度和叶面积指数与冠下总辐射和定点因子显著相关，并且不同树体间差异较大，表明林隙分数、开度、叶面积指数对板栗冠层光截获能力影响较大，而平均叶倾角与冠层光辐射其他参数无显著相关性。（2）叶面积指数LAI(Ellips)-Lin与LAIdi呈显著相关，相关系数为0.893（P＜0.05），表明采用冠层分析仪提供的LAI(Ellips)-Lin方法测定板栗叶面积指数具有较高的可靠性。（3）PAR透过率和消光系数K的最小值分别达到0.666和0.037，说明板栗冠层光截获能力较强。因此，修剪对板栗冠层结构的调控非常必要，冠层分析仪在板栗冠层光辐射特征研究中的应用前景广阔。

板栗；冠层分析仪；冠层；光辐射；叶面积指数

板栗Castanea mollissima Bl.是我国重要的木本粮食树种，在我国栽培历史悠久，被称之为“铁杆庄稼”。但是，板栗因其果枝顶端结果和枝芽的顶端优势等生长特性，板栗园易郁闭、光照不良已成为影响我国板栗主产区产量品质低下的重要因素，而解决这一问题的关键在于对板栗园采取合理有效的整形修剪措施，形成与品种、年龄及栽植密度相适应的冠层结构，来保证通风透光良好，从而大面积提高板栗产量。

WinSCANOPY For Canopy Analysis冠层分析仪属于半球面影像技术的一种，可以方便、 准确地测定群落光辐射与冠层结构参数，并且具有良好的稳定性[1]，多被用在林分和农田生态系统中。单株树冠内的光环境很大程度上取决于树木本身的结构[2]。目前，已经有学者将冠层分析仪用在苹果Malus pumila Mill.[3-4]、梨Pyrus pyrifolia Nakai cv. Sunhwang[5]、 柿 Diospyros kaki Thunb.[6]、 核 桃Juglans regia L.[7]等果树上，研究其冠层结构光辐射特征，作为判断树体结构是否合理的重要指标，但针对板栗冠层结构光辐射特征的研究甚少。

叶面积指数是研究植物许多生物化学过程的关键参数和研究植被冠层结构的重要指标[8]，其大小与植被种类、生长周期、叶倾角、叶簇以及非叶生物量等因素有关，此外还受叶面积指数的定义和测定方法的影响。因此，对于特定对象应该选择适宜不同算法[3,9]。Winscanopy 2006a具有10种以 LAI 为体系的基本反演算法，在对叶面积指数进行数据分析之前，应筛选出适宜板栗叶面积指数的计算方法，而试验中往往忽略了这一步，只是盲目的参考已有的计算方法。

因此，本试验运用WinsCanopy 2006a冠层分析仪对我国板栗河北省迁西县23个板栗园的115棵板栗树冠层结构光辐射特征进行了研究，通过对林隙分数、开度、叶面积指数、定点因子、冠下总辐射等指标的测定以及冠层PAR的透过率与消光系数K之间的相关性分析，旨在探讨冠层分析仪在板栗冠层光辐射特征研究中的可行性，以期为板栗整形修剪技术提供理论指导。通过将直接测定的叶面积指数（LAIdi）与采用冠层分析仪提供的10种方法测定的叶面积指数（LAIin）进行相关性比较，来筛选出适宜板栗的叶面积指数测定方法。

1 材料和方法

1.1 试验材料

在河北省迁西县选择具有代表性的板栗园23个，并选择9～12 a生，长势中庸、树形为自然开心形、管理水平中等的板栗树共115株。

1.2 试验方法

1.2.1 冠层结构光辐射特征参数测定方法

试验于2012年7月中旬选择阴天条件下进行。在23个板栗园中随机选取了观测树115株，采用WinsCanopy 2006a冠层分析仪对每棵试验树从东、南、西、北4 个不同方向进行拍摄, 每个方位拍摄3次，拍摄高度距地面约50 cm，采集图像[10-11]。

采集图像后，采用冠层分析仪配套软件对图像进行分析处理，得林隙分数、开度、叶面积指数、定点因子、冠下总辐射等指标。其中叶面积指数由10种计算方法获得，即LAI(Bonhom)-Lin、LAI(2000)-Lin、LAI(2000G)-Lin、LAI(Sphere)-Lin、LAI(Ellips)-Lin、LAI(Bonhom)-Log、LAI(2000)-Log、LAI(2000G)-Log、LAI(Sphere)-Log、LAI(Ellips)-Log。

1.2.2 实际叶面积指数测定方法

参考张小卫实际叶面积指数测定方法[12]，根据板栗的生长特性进行了相应改变。在其中一个板栗园，随机选择树体中庸、树势健康的5株试验树，数出每一棵树上的结果母枝数并测量树体的冠径（东西、南北），计算投影面积。将树体分为上、中、下3层，每层选3个典型的结果母枝，数其叶片数，将所选的结果母枝上的叶片数相加后取平均值，即为一个结果母枝上的叶片数。采用LI-3000C叶面积仪测定所选的结果母枝上每片叶的叶面积，取平均值，即为平均叶面积。总叶片数=结果母枝数×平均一个结果母枝上的叶片数；实际叶面积指数（LAIdi）=总叶片数×平均叶面积/投影面积。

1.2.3 冠层PAR透过率与消光系数K计算方法

消光系数K是衡量林分冠层对有效光合辐射吸收的一个重要指标，也是计算冠层光合产量及光能利用率的一个重要参数[13]。 由 Beer-Lambert方程求出[14]，K 表达式为：K=-ln （I0/Iz）/ILA。

其中：K为消光系数； I0为穿透林冠到达林下的总辐射；Iz为冠层林上总辐射；ILA叶为叶面积指数。

根据林上及林下总光合有效辐射可计算得出：冠层PAR透过率= I0/Iz。

1.3 数据分析方法

用Office Excel和SPSS 18.0软件对试验数据进行统计和相关分析。

2 结果与分析

2.1 冠层结构光辐射特征参数分析

由表1和表2可知，除平均叶倾角和冠上总辐射以外，其他冠层特征参数因树体不同差异很大。平均叶倾角与其他冠层结构光辐射参数间的相关性不显著，冠上辐射与冠下辐射间的相关性不显著，其他冠层结构光辐射参数间均存在极显著相关性。造成平均叶倾角差异小的原因可能是，因为平均叶倾角只与树种等遗传因素有关，也可能与冠层特征参数数据采集的时期有关，试验选择在7月中旬进行，此时板栗叶片的生长已停止[15]。在同一时期、立地条件相似的情况下，因单棵树体结构差异大，导致板栗树体枝叶分布不同，而冠层上方的光合有效辐射基本相同，以致其他冠层光辐射特征参数差别很大，且透过冠层到达树下的各种辐射也在一定程度上反映了冠层光截获能力。

表1 冠层结构的光辐射特征参数Table 1 Light radiation characteristic parameters of canopy structure

表2 冠层光辐射特征参数间的相关性Table 2 Correlations among light radiation characteristic parameters of canopy structure

2.2 林隙分数与开度、总定点因子、冠下总辐射

林隙分数是图像中象素等级作为开放的天空（不被植被阻隔的）所占图像（在两个空间间隔中）中天空网格区域的指数（所占百分比），开度是图像得来的林隙分数经过补偿计算剔除了枝干阻隔的影响得出的实际冠层林隙分数[3]。由图1可知，林隙分数与开度呈极显著正相关，相关系数达0.998（P＜0.01），因此，对于板栗树而言，

图1 林隙分数与开度Fig. 1 Gap fraction and openness

2.3 消光系数K与冠层PAR透过率

消光系数K主要受太阳高度角和林冠结构的运用WinsCanopy 2006a 冠层分析仪得到的林隙分数基本不受枝干阻隔的影响。定点因子则是指冠层下方接收到的日平均辐射与冠层上方接收到的日平均辐射比值，相当于透光率。由图2、3可知，林隙分数与定点因子、冠下总辐射呈极显著正相关，相关系数达0.900（P＜0.01）、0.811（P＜0.01），即林隙分数越大，透光率也就越大、冠下总辐射也越大。影响[16]，针叶树、阔叶树和农田作物的差异也很大。本研究通过计算得，消光系数最小值为0.666，最大值为1.470，明显大于针叶树种的消光系数[1]，与丁圣彦等在其他阔叶林上的研究结果一致[17]。消光系数总体相对较大，说明其冠层截获光的能力较强，林下光环境相对较差。PAR透过率只是粗略反映太阳辐射的在林冠中的传输状况，只有消光系数K才能真正反映冠层中枝叶本身的受光状况及其光学性质[13]。通过计算得，PAR透过率最小值为0.037，最大值为0.586。如图4所示，PAR透光率与消光系数呈极显著负相关，相关系数为-0.486（P＜0.01）。

图2 林隙分数与总定点因子Fig. 2 Gap fraction and fixed site factor

图3 林隙分数与冠下总辐射Fig. 3 Gap fraction and total under canopy radiation(TUCR)

图4 冠层PAR透过率与消光系数Fig. 4 Transmission rate of photosynthetic effective radiation (RPART) and extinction coefficient K

2.4 叶面积指数

2.4.1 叶面积指数计算方法的选择

由表3得知，实际测量的叶面积指数（LAIdi）与间接测量叶面积指数（LAIin）LAI(Ellips)-Lin方法的计算结果呈显著相关，相关性为0.893（P＜0.05）。因此，在进行叶面积指数分析和其他冠层参数分析时，可采用LAI(Ellips)-Lin计算方法得到的叶面积指数值[3,7,18]。

2.4.2 叶面积指数与林隙分数、冠下总辐射的相关性分析

叶面积指数（LAI）是冠层生物学特征的一个重要参数它不仅与林木的光合作用、蒸腾作用以及地表净初级生产力密切相关[19-20]，同时也与林木的光能截获及利用、产量和品质的形成等过程紧密相关，它在一定程度上决定了林木的生产效率。由图5和图6可知，叶面积指数与林隙分数和冠下总辐射呈极显著负相关，相关系数分别为－0.902（P＜0.01）、－0.841（P＜0.01），即叶面积指数越大，与之相关的林隙分数、开度、总定点因子和冠下总光合有效辐射平均密度越小。因此，可依据叶面积指数大小来作为判定板栗树体冠层结构是否合理的指标。

表3 LAIdi与LAIin结果比较及相关性分析Table 3 Relation analysis of results of ILAC and ILAIW

图5 叶面积指数与林隙分数Fig. 5 ILAIW and gap fraction

图6 叶面积指数与冠下总光辐射Fig. 6 ILAIW and total under canopy radiation(TUCR)

3 讨论与结论

（1）通过对板栗单个树体冠层结构参数的研究，初步认为WinsCanopy 2006a冠层分析仪可用于对板栗树冠结构的合理性进行评价。但采用什么样的方法才能使的冠层结构更加合理，冠层结构达到什么样的标准对于板栗来说才是最合适的，还有待研究。冠层结构的合理性因立地条件、树种、树龄、栽培方式的不同而不同[21-25]。

（2）WinsCanopy 2006a冠层分析仪可以测定的指标较多，但不同树种对冠层光截获能力影响存在差异。本研究中板栗冠层光辐射参数中，林隙分数、开度和叶面积指数与冠下总辐射和定点因子显著相关，并且不同树体间差异较大，表明林隙分数、开度、叶面积指数对板栗冠层光截获能力影响较大，而平均叶倾角与冠层光辐射其他参数无显著相关性。

（3）WinsCanopy 2006a冠层分析仪对不同的树种，叶面积指数的计算方法不同。应尽量避免直接套用叶面积指数的计算方法。通过将直接测量的叶面积指数值（LAIdi）与间接测量的叶面积指数值（LAIin）进行相关性分析后，可知，对板栗进行叶面积指数分析时采用LAI(Ellips)-Lin的数据更合理。

（4）叶面积指数与板栗树冠的林隙分数、冠下总辐射等指标极显著相关，所以可将叶面积指数用作判断板栗冠层结构是否合理的重要指标。但合理的冠层结构对应的叶面积指数值的确定还有待研究。

（5）阔叶树与针叶树的消光系数差别很大，消光系数K与冠层PAR透光率呈极显著负相关。树冠的消光系数K越大，冠层PAR透光率减小。同理，消光系数K越小，冠层PAR透光率增加[2]。本研究中PAR透过率和消光系数K的最小值分别达到0.666和0.037，说明板栗冠层光截获能力较强。因此，修剪对板栗冠层结构的调控非常必要，冠层分析仪在板栗冠层光辐射特征研究中的应用前景广阔。

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Study on canopy radiation characteristics of Castanea mollissima Bl. by using WinsCanopy 2006a

GUO Su-juan, XIONG Huan, ZOU Feng, LV Wen-jun, LI Guang-hui, XIE Peng, PENG Jing-jing

(Key Laboratory for Silviculture and Conservation Attached to China Ministry of Education, College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

With WinsCanopy 2006a, the canopy light radiation parameters of 115 Chinese chestnut trees were measured in 23 typical orchards in Qianxi county of Yanshan area. Through the calculation, the transmission rate of photosynthetic effective radiation (RPART)and extinction coefficient K were obtained, then the parameters correlations were analized. The leaf area indexes of the tested trees were measured by using LI-3000C leaf area meter. The correlation comparisons between the measured values (ILAC) by LI-3000C and those (ILAIW) by WinsCanopy 2006a were conducted. The results show that（1）the gap fraction, openness and ILA had significant correlation with the total under canopy radiation (TUCR) and fixed site factor, and there were large differences among different trees,which indicate that the gap fraction, openness and ILA had significant influences on the light interception ability, the AML had no significant correlation with other canopy optical radiation parameters;（2）The ILAW had significant relationship with ILAC and the coefficient was 0.893 (P ＜ 0.05), it means that the ILAIW had higher reliability;（3）The minimum of extinction coefficient K and RPART were 0.666 and 0.037, respectively, this shows that the light interception ability of Chinese chestnut canopy was strong.Therefore, it is necessary to regulate the Chinese chestnut canopy structure by pruning, and there is a wide application prospect of canopy analyzer in chestnut canopy radiation features study.

Castanea mollissima; Chinese chestnut; canopy analyzer; canopy; radiation; leaf area index

S727.3

A

1673-923X(2013)06-0012-05

2013-01-09

国家林业公益性行业科研专项重大项目“板栗产业链环境友好丰产关键技术研究与示范”（201204401）；“十二五”科技支撑专题“北方板栗高效生产关键技术”研究与示范（2013BAD14B0402）

郭素娟（1965-），女，教授，博导，主要研究方向，经济林栽培，E-mail：gwangzs@263.com

[本文编校：吴 彬]