论光资源研究对人工林复合经营的重要性

白 石 樊莉丽

（1.国有商丘市民权林场，河南 商丘 476800；2.河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008）

我国农林复合经营的发展形式多样、内涵丰富。因历史地理、社会经济、科学技术等各种原因，各地区利用土地、选择树种、搭配作物等情况各不相同，产生了形式多样、种类繁多、行之有效、因地制宜的生产类型。各种类型归结起来，具有多用途的树木种类、多种生物类型的结合、多种生物产品的生产、多年生系统的循环周期、多组分多结构多功能的体统关系等突出特点。在人工林内开展复合经营能够有效避免林地结构单一、收获周期长、经济效益慢等问题，起到远近结合、以短养长、协调发展的产业化效应。使农、林、牧等产业实现资源共享、优势互补、协调发展、循环相生，充分实现经济、生态和社会综合效益。然而，总结现阶段我国农林复合经营发展状况，不难发现：多数研究集中在不同经营模式的开发与成功经验的总结以及效益分析上，林下特殊的光、热、水等环境、气候资源状况未予以应有的关注，相关方面的基础理论研究较为薄弱，系统模式的配置原理与优化技术、结构调控及可持续经营管理技术等方面的研究相对匮乏，相关理论体系尚未建立。由于缺乏相关理论指导和相应的区域规划，在实际生产中，农户不能准确地选择合适的模式，而出现盲从、跟风上的现象，导致林下经营系统不能充分发挥系统的优势及综合效益，制约了农林复合经营的良性循环和系统发展。

人工林复合经营是以林地资源为依托发展起来的林业多种经营，有学者认为，人工林内搞复合经营，对林地资源的关注点归结起来主要是造林树种、立地条件和林分的郁闭度。也有学者认为，发展农林复合经营主要是利用林下特殊的光、热、水等气候资源进行各种经营活动。两种观点虽提法不同，但并不冲突，互为补充。不同树种具有不同的冠层结构特征，形成不同的林荫空间类型，改变林下光、热、水等环境、气候因子，从而影响林下经营类型。农林复合系统内种间竞争诸多要素中，水肥竞争可通过投入的多寡来人为调控，而由于树冠遮阴引起的光、热资源的下降则是人力很难从根本上改变的。作物产量主要是受光、热资源限制，光热资源生产力是评价区域作物产量高低的重要指标。在光热资源中，热量资源的产生又主要靠太阳的光辐射，所以归根到底光资源是能量产生的基础与核心，是林下植被发育、生态系统作用过程的关键决定性因素。

1.人工林内光资源的主要特征

林下光环境的显著特征是光照强度减弱、光质成分发生改变。林分的冠层结构和空间分布格局影响林冠中不同高度以及林下有效光总量；冠层高度、叶片的光学特性和叶片的分布特点等会使透过的光组成发生变化，影响林下光谱比率。林木的冠层改变了林内和林外光资源的分布，从而使热量和水分的交换在时间和空间上与空旷地相比也发生了显著变化，光照、降水等在进入林分后进行重新分配。通常林内温度较低，乱流交换弱，湿度大，蒸发量小于林外。

另外，林分郁闭度引起的林下透光率变化会导致林下空气温、湿度，土壤温、湿度等小气候因子变化，从而影响林下植被类型和生长状况。成年林郁闭度高，林下空气湿度大，光照强度低，昼夜温差小。高大的林木，夏天能对林下植物起到遮阴作用；冬季能减轻或防止林下植被冻害；雨季能拦截径流，有利于蓄水保土。此外，也存在着光照不足、通风条件差等不利因素的影响，所以，在模式开发上要充分考虑优劣因素的影响程度，选择合适的种养对象。

2.人工林内光资源研究的主要内容

现今对林分内光环境的主流研究主要是从光的能量角度出发，研究通常涉及光能在不同系统内的传输理论与途径、时空分布规律、动态变化规律及系统内光能的再分配规律和利用率等问题。另外，基于气象学、气候学原理的林下光分布模型的模拟及应用的研究也是热点之一，研究内容包括了可见、不可见光在林下的衰减，在森林自然生态系统或农林间作等半自然生态系统中的传输、分布及其与光合作用的关系等。相关模型的研究在对自然及半自然环境内光因子复杂生态效应的了解、模拟和预测中占有不可替代的位置。从光能分布角度研究林分光环境问题，太阳总辐射、直射辐射、散射辐射、各种分光谱辐射及日照时间等常作为研究要素。其中光合有效辐射是影响植物光合作用及干物质产量的最主要因子，一直以来是植物生态学生理学研究的重要内容之一。光合有效辐射（PAR）是指波长在 400～700nm的太阳短波辐射，它是植物光合作用可以利用的太阳辐射，是影响植物光合作用效率的关键因素。对于林下光资源来说，光合有效辐射是主要的生态因子。光合有效辐射不但影响林下植被的更新、生长和分布，而且与林上的光合有效辐射一起制约着林地的边界气候、水汽和 CO2等主要生命物质交换，并作为净初级生产量模型、气候模型、水文模型、生物地球化学模型等生态模型的关键变量而被重视。相较于林冠上方PAR，林冠下方PAR的时空差异较大，研究比较困难，国外有学者进行过单点观测讨论；还有学者设计了不同的多通道感光系统对林下PAR进行观测，但多是使用磷砷化镓光电极管(Ga AP)s进行集合点状观测，观测精度和视角有限，并且多是短期观测，最长的为5个月，较少考虑气候情况或冠层叶面积季节变化带来的林下PAR特征差异；也有学者通过鱼眼镜头拍照技术间接表达林下PAR的时空特征，推算的PAR值与直接观测的PAR值有较高的相关性，在一定程度上能反映冠层结构和林窗大小对林下PAR的影响，但该方法仅在天空散射辐射大于直射辐射或密闭冠层 (closed-canopy)的情况下有较高精度，存在一定的局限性。综上所述，由于影响林下太阳辐射能的因素众多，因此，多点和长期定位观测是克服短期和局地观测造成误差的最准确、有效的方法。

冠层结构是人工林内光资源研究的重要内容之一。树木的光合作用主要发生在冠层，林冠结构的不同会造成林下光环境的差异，这对植物生长和群落更替都有重要的生态学意义。林木的冠层几何学特征不仅直接影响林木本身截获太阳辐射的程度以及截留大气降水的能力等，还影响到诸如风速、空气温湿度、土壤蒸发量、土壤热储量、土壤温度等林内小气候特征，并影响到林冠和外界大气环境之间的能量交换。通常林业上对林下光环境的动态描述，多选取一些光环境指标比如：光合光量子通量密度（PPFD）和一些冠层结构形态学指标如：空隙度（Gapfraction）、平均叶倾角（MLA）、叶面积指数（LAI）等进行描述。早期有研究表明：林下的有效光和辐射最低，只有空旷地的1%～2%，而较大的林隙中心点的有效光辐射量甚至能达到20%～35%，说明光照强度的变化是大林隙＞小林隙＞林下。国外研究冠层结构，通常针对冠层的形态学指标如叶面积指数在不同层次、不同林龄的冠层中的变化规律和生态功能；冠层结构和林隙透光率之间的关系；林冠结构的季节性变化等。我国学者也对冠层结构与功能的关系、林窗和林隙动态、叶面积指数的年变化规律，以及冠层特性与产量之间的关系等做了大量研究。人工林冠层虽然没有森林冠层的结构复杂，但同样影响着不同层次林木平均日光合有效辐射的截获、透射和吸收，决定了林内不同层次的光分布情况，对人工林下光资源特征的研究离不开冠层结构的相关研究。

3.光资源对植物生长的调节作用

光资源对于植物生长具有特殊重要的地位，因为它不仅影响着植物生长发育全过程，而且还为光合提供能量。光照是植物进行光合作用的基础条件，光合作用过程中同化力的形成、酶活化、气孔开放等都需要光照启动和参与。光影响种子发芽，特别是小型种子需要一定的光照才能发芽良好，也有一些种子发芽不受光的影响，甚至会受到光抑制。光影响植物茎、叶的生长，研究表明白天许多植物茎的伸长速度不及夜间，这就是光对生长的抑制作用。高强度蓝光对茎的伸长有抑制作用，而同等强度的红光则促进茎伸长。蓝光虽然阻止叶柄的伸长，但它却可以增加叶面积。光促进的叶片扩大，主要是由于加强了细胞分裂，细胞最终的大小和保持在黑暗中的并没有明显不同。在完整叶片中，亮光下生长的叶片的细胞的分裂伸长的分化速度比在低强度光下更快。光对叶片发育和成熟也有一种全面刺激的效果，尤其是双子叶植物。叶绿素的合成也离不开光的参与，黑暗中生长的细胞所含类胡萝卜素总量很小，但在其变绿的过程中此含量能增长10倍。光质也影响叶绿素的合成，蓝光下叶绿素含量最高，其次是白光和红光，黑暗和绿光上最低。另外,光周期诱导开花。长日照植物要想开花，需要大于临界日时长，日照时间越长则开花越早，在连续日照下开花最早。短日照植物则须在短于临界日长时才能开花，日照时间短则开花提前，但这个时长不能短于光合作用的光需求。光周期诱导植物开花所需要的光照强度并不高，大约在50lx～100lx，所以光照强度不是诱导开花的绝对因素。红光和远红光对开花反应具有反复的逆转作用，决定植物开花的是最后一次光照射，若是红光短日植物就不开花，弱是远红光就开花。

光除了作为一种能源控制着光合作用，还作为一种信号对植物的生长发育有广泛的调节作用，种子发芽、脱黄化到形态建成，昼夜节律、基因表达、向光性和向地性，这些受光诱导和调节的发育统称为植物的光形态建成。植物的光形态建成反应分为两类：即红光反应和蓝光反应。叶片增大主要是红光反应；而蓝光反应包括气孔的开合、叶绿体的分化和运动。另外光质对光合代谢也有重要的影响，植物在红光下体内会积累较多的碳水化合物，而在蓝光下叶片或种子总蛋白质含量比红光下生长的高。另外，红光在诱导植物开花、种子萌发、芽的休眠、去黄化、茎叶的伸长、叶片脱落、根茎和鳞茎的形成等方面起着重要作用；而蓝光则在茎伸长的抑制、气孔开闭、蛋白质含量的增加、延缓衰老、叶绿素合成、叶绿体的分化和运动、向光性反应等方面具有显著作用。

4.林内光资源研究的重要性

人工林内光资源是决定林农复合经营的关键因子,是人为最难改变和补充的客观环境因子，所以在制定农林复合经营方案时，应当进行充分的林地资源调查、科学的资源优势整合，把林地的光资源作为限制因素摆在首位考虑。植物生长和发育过程中，光辐射因子起着重要的作用。首先辐射是植物光合作用的能源，影响着光合作用过程中形成的产量和产品的质量。其次，光作为一种起调节作用的，还对植物的形态发生与发展、叶子的形状与大小以及从营养生长到生殖生长的转变速度起着重要的作用。太阳辐射中，波长范围在400～700nm的短波辐射，即光合有效辐射（PAR），是植物可以利用的太阳辐射部分。植物的五种光合反应，即光合作用、色素合成、光周期现象、趋光性和光形态诱变，都集中在这个波段内。不同植物对光环境的需求不同，光饱和点和光补偿点是反映植物需光特性的两个主要指标，一般情况下光饱和点和光补偿点均较高的植物属于阳性植物，反之属于阴性植物。光补偿点较低、光饱和点较高的植物对光环境的适应性较强；而光补偿点较高、光饱和点较低的植物对光照的适应性较弱。

在人工林内搞复合经营，特别是林下种植，要考虑植物生长所需的各种要素，其中水分、矿质营养最容易通过人为的灌溉、施肥等方式补给，而温度也可通过地面覆盖等措施加以调节，但光照条件，通常是人为因素最难以改变的，所以在选择林下植物类型时，需重点考虑光环境特征。在人工林内搞复合经营就是要借助林地的生态环境，充分利用林下的自然条件、土地资源和林荫空间，除了林下的资源，林中、林上都是可研究利用的空间。这就需要对直接影响林分光资源分布及储量的林分冠层结构进行深入研究，对不同林龄、密度条件下林地光合有效辐射进行系统观测，摸清规律，总结出经验模型，然后再结合植物的需光特性进行相应模式的植物匹配。充分的调查研究和经验模型的总结有助于农林复合经营科学体系的建立。科学的规划布局有助于改变目前农林复合经营发展中存在的简单模仿、盲目跟风等现象，促进产业的良性循环与发展。