吳云霄, 雷忻,*

1. 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 陜西, 延安716000

2. 延安市生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延安大學(xué)), 陜西, 延安 716000

樹木冠層消光度與三維綠量的關(guān)系

吳云霄1,2, 雷忻1,2,*

1. 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 陜西, 延安716000

2. 延安市生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延安大學(xué)), 陜西, 延安 716000

利用野外調(diào)查和實(shí)地測(cè)量的方法, 從植物群落和單株樹木兩個(gè)方面研究樹木冠層消光度與其三維綠量的關(guān)系。結(jié)果表明： 冠層消光度與其三維綠量之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平, 在群落水平上, 群落內(nèi)的郁閉度和群落面積與冠層消光度之間都呈現(xiàn)明顯的正相關(guān), 而喬木層的消光度與灌木層的消光度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān), 樹木在單株水平下,冠層的消光度與樹木枝下高呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。因此, 可用冠層消光作為衡量樹木三維綠量的指標(biāo)。

消光度; 三維綠量; 群落; 單株

1 前言

城市綠地系統(tǒng)泛指城市區(qū)域內(nèi)一切人工或自然的植物群體及具有綠色潛能的空間, 它由相互作用的具有一定數(shù)量和質(zhì)量的各類綠地組成, 具有重要的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1], 是城市內(nèi)唯一有生命的基礎(chǔ)設(shè)施, 也是城市生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[2-3]。城市綠地的生態(tài)效益與綠地的面積、結(jié)構(gòu)等方面都有很大的關(guān)系, 尤其取決于其三維綠量[4]。關(guān)于綠量目前有兩種測(cè)量方法, 三維綠量法(m3)和葉面積指數(shù)法(m2)[5-8], 三維綠量目前常用遙感航片和激光掃描兩種方法[9-11], 葉面積指數(shù)通常使用冠層分析儀進(jìn)行測(cè)量[12]。目前關(guān)于葉面積指數(shù)和三維綠量的測(cè)定都需要精密的儀器, 并且都處于半自動(dòng)化的狀態(tài), 測(cè)量起來(lái)工作量也比較大。國(guó)外 Boon Lay Ong曾提出了樹冠上下方光照強(qiáng)度、消光系數(shù)、葉面積指數(shù)之間的關(guān)系為Qi=Q0eK.LAI, 其中為冠層下方的光照強(qiáng)度, Q0為冠層上方的光照強(qiáng)度, K為消光系數(shù), LAI為葉面積指數(shù)[13], 國(guó)內(nèi)吳云霄等人研究了消光度與綠地結(jié)構(gòu)的關(guān)系, 并提出了消光度在綠地評(píng)價(jià)中的作用和提高綠地整體生態(tài)效益的途徑[14]。本文在以往研究的基礎(chǔ)上研究樹木冠層消光度與三維綠量之間的關(guān)系, 以期尋找簡(jiǎn)單易行的三維綠量衡量指標(biāo)。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 調(diào)查方法

實(shí)驗(yàn)地位于重慶市主城區(qū)內(nèi), 調(diào)查對(duì)象主要為城市公園綠地和街道綠地, 調(diào)查區(qū)域包括重慶市主城區(qū)范圍內(nèi)的渝中區(qū)、沙坪壩區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)和北碚區(qū)。其中：公園綠地選取沿中央山脊一線的鵝嶺公園、枇杷山公園和平頂山公園,此外,還有沙坪壩公園、大渡口公園和花卉園, 街道綠地除對(duì)主城區(qū)的主要街道進(jìn)行勘查外,重點(diǎn)對(duì)石橋鋪至鵝嶺公園路段的綠化帶進(jìn)行研究,同時(shí)選取部分立交橋(黃花園立交、松樹橋立交和石橋鋪立交)進(jìn)行研究。在樣地選擇時(shí)間主要選擇樹種生長(zhǎng)情況良好, 并且大部分樹為成年樹種的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象。

每個(gè)樣地設(shè)10個(gè)樣方(喬木20 m×20 m, 或者4個(gè)10 m×10 m; 灌叢2 m×2 m, 草地1 m×1 m), 共160個(gè)樣方。在每樣方的調(diào)查中采用梅花形5點(diǎn)調(diào)查的方法[14], 每個(gè)點(diǎn)在垂直方向上分別測(cè)定喬木層(1.5 m處)和灌木層, 各測(cè)定1次。測(cè)定的數(shù)據(jù)為光照強(qiáng)度,最后結(jié)果取其平均值。參考對(duì)象為裸地。測(cè)定的時(shí)間為夏天氣溫最高的階段 10： 00—14： 00, 其中綠地和無(wú)綠化裸地兩者之間的差值就是減少的光照強(qiáng)度。

2.2 三維綠量的測(cè)定

參照文獻(xiàn)[10], 利用激光掃描法測(cè)得冠層三維綠量。

2.3 消光度的測(cè)定與消光量的計(jì)算

單株個(gè)體消光度的測(cè)定,參考文獻(xiàn)[13]的消光系數(shù)公式, 經(jīng)過(guò)變通, 得消光度的計(jì)算公式：

式中：Q0為冠層上方入射太陽(yáng)光的光照強(qiáng)度;Qi為穿過(guò)冠層太陽(yáng)光的光照強(qiáng)度,具體的計(jì)算時(shí),取冠層下方的平均光照強(qiáng)度。

對(duì)于整個(gè)樣方的消光度,先測(cè)定每種植物的消光度(每種植物要測(cè)定多株),然后取其平均值為該種植物的消光度。

調(diào)查樣方的平均消光度的測(cè)定公式為：

式中： R1為單株喬木的消光度; S1為單株喬木冠幅; R2為灌木的消光度; S2為灌木的冠幅; S為樣方面積。

冠下消光量為R×S。

2.4 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)Excel 基礎(chǔ)處理后, 在SPSS12.0中進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 群落水平上冠層消光度與三維綠量的關(guān)系

3.1.1 群落中喬木層消光度與三維綠量的關(guān)系

在研究群落水平上喬木層消光度與三維綠量的關(guān)系時(shí), 從人工公園綠地中選取喬木層郁閉度為0.10—0. 95的43個(gè)樣方, 樣方內(nèi)各株喬木的三維綠量之和作為樣方內(nèi)喬木層的總?cè)S綠量, 最后分析喬木層減少的光照、郁閉度、消光度與三維綠量之間的關(guān)系。

分析結(jié)果(表 1)顯示, 在群落水平上, 郁閉度與喬木層的三維綠量、光照差和消光度之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(p＜0.01), 即隨著郁閉度的增加, 喬木層的三維綠量和消光度也隨之增加, 而三維綠量通常被作為衡量綠地生態(tài)效益的標(biāo)準(zhǔn), 因此, 增加喬木層的郁閉度是改進(jìn)綠地生態(tài)效益的有效手段。三維綠量和消光度之間的相關(guān)性也達(dá)到了極顯著水平, 所以,可以認(rèn)為喬木層的消光度能夠間接反映群落內(nèi)喬木層的三維綠量大小。雖然喬木冠層三維綠量通常被用來(lái)衡量綠地的生態(tài)效益, 并且合理性較強(qiáng), 但三維綠量在具體的測(cè)量過(guò)程中工作量比較大,并且準(zhǔn)確性也較低, 但消光度的測(cè)量簡(jiǎn)單易行, 并且準(zhǔn)確度比較高。所以, 可以用消光度來(lái)代替三維綠量, 從而使三維綠量的測(cè)量變得更加簡(jiǎn)單易行。

表1 喬木層三維綠量與消光度、郁閉度之間的相關(guān)性Tab. 1 Correlation between tridimensional green biomass, extinction ratios and degree of canopy closure

3.1.2 面積對(duì)喬木層消光度的影響

在研究面積對(duì)喬木層消光度的影響時(shí), 選取重慶市主城區(qū)綠地系統(tǒng)中主要類型綠地, 在各類綠地中選擇自然成塊的綠地, 面積由89 m2—520 m2大小不等, 調(diào)查樣方共45個(gè), 在各個(gè)樣方中均采取梅花五點(diǎn)法在 1.5 m高處測(cè)得光照強(qiáng)度, 然后計(jì)算得消光度, 結(jié)果顯示, 在郁閉度相同的情況下, 面積對(duì)喬木層消光度有明顯的影響, 兩者呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系, 隨著面積的增加, 即使郁閉度相同, 面積越大, 喬木層的平均消光度也越大。該結(jié)果說(shuō)明, 喬木層的消光度存在著明顯的面積效應(yīng), 所以在以后的綠地建設(shè)中, 要想使綠地具有比較好的生態(tài)效益,其面積必須達(dá)到一定的數(shù)量。

3.1.3 不同立體結(jié)構(gòu)植物群落的消光度與三維綠量的關(guān)系

在研究不同立體結(jié)構(gòu)植物群落冠層消光度與三維綠量關(guān)系時(shí), 把植物群落按照立體結(jié)構(gòu)分為草叢、灌叢、喬木單層結(jié)構(gòu)(郁閉度≥0.6)、喬草復(fù)層結(jié)構(gòu)(郁閉度≥0.6和 0.2≤郁閉度≤0.4)和喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)(郁閉度≥0.6和0.2≤郁閉度≤0.4)等7種群落類型, 不同群落之間的消光度進(jìn)行單因素方差分析(表 2)所示： 草地群落與其它各種群落的消光度之間的差異性達(dá)到極顯著水平(p＜0.01), 也即草地的消光度明顯低于其它群落類型, 郁閉度≥0.6喬木單層結(jié)構(gòu)群落的消光度與草地、灌叢、0.2≤郁閉度＜0.4喬草復(fù)層和0.2≤郁閉度＜0.4喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)群落的消光度之間的差別均達(dá)到極顯著水平, 而與郁閉度≥0.6喬草復(fù)層和郁閉度≥0.6喬冠草復(fù)層結(jié)構(gòu)群落的消光度之間的差別并不明顯(p＞0.05), 灌叢與0.2≤郁閉度＜0.4喬草復(fù)層和0.2≤郁閉度＜0.4喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)群落的消光度之間的差別均不明顯(p＞0.05), 分析結(jié)果說(shuō)明喬木層郁閉度對(duì)整個(gè)群落的消光度起決定性的作用, 但隨著郁閉度的增加, 喬木下方的灌木和草本會(huì)隨之減少, 群落整體的綠量不可能無(wú)限制的增加。所以在以后的綠地建設(shè)中應(yīng)盡量增加喬木的數(shù)量, 從而增加整個(gè)群落的消光量(三維綠量),提高綠地的生態(tài)效益,當(dāng)受條件限制不能增加喬木的數(shù)量時(shí), 可以通過(guò)增加灌木和草本植物來(lái)優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)。

對(duì)喬木層消光度、總體消光度、喬木層消光量、總體消光量及三維綠量等各要素的相關(guān)性進(jìn)行分析(表3), 結(jié)果顯示： 喬木層消光度、消光量和郁閉度與總體消光度、總體消光量和總體三維綠量均呈正相關(guān),并且相關(guān)性達(dá)到極顯著水平, 說(shuō)明喬木層對(duì)整個(gè)植物群落起到?jīng)Q定性作用, 喬木層消光度與喬木層三維綠量正相關(guān), 并且達(dá)到極顯著水平, 所以可以用喬木層的消光度來(lái)衡量其三維綠量, 而喬木層的消光度、郁閉度與灌草層消光度呈極顯著負(fù)相關(guān), 說(shuō)明喬木層會(huì)明顯影響到灌草層植物的生長(zhǎng)。

3.1.4 喬木層郁閉度對(duì)灌草層消光度的影響

表2 不同立體結(jié)構(gòu)植物群落消光度單因素方差分析Tab. 2 Single factor analysis of variance of extinction ratios of different tridimensional structure communities

在研究喬木層郁閉度對(duì)灌草層消光度的影響時(shí),選取了 3種群落類型, 包括灌叢群落和喬灌草結(jié)構(gòu)的群落(0.2≤郁閉度＜0.4和郁閉度＞0.6)為研究對(duì)象。分析結(jié)果表明： 灌叢結(jié)構(gòu)、0.2≤郁閉度＜0.4的喬灌草結(jié)構(gòu)和郁閉度＞0.6的喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)三種群落類型的灌草層的消光度分別為2.2487、2.1604和1.9252,并且差異都達(dá)到了極顯著水平。對(duì)其綠量進(jìn)行測(cè)量和分析也表現(xiàn)出相同的規(guī)律, 說(shuō)明隨著郁閉度的增加, 喬木下灌草層的消光度和綠量逐漸減少, 這可能是因?yàn)橛糸]度的增加會(huì)影響到灌草層光能和影響的獲得。所以,在綠地建設(shè)過(guò)程中, 一方面可以通過(guò)增加喬木層的郁閉度來(lái)增加植物群落的三維綠量和生態(tài)效益, 同時(shí)可以通過(guò)增加綠地的立體結(jié)構(gòu)層次來(lái)實(shí)現(xiàn), 但喬木層郁閉度會(huì)影響到灌草層植物的生長(zhǎng), 所以郁閉度高就減少下層植物數(shù)量, 如果喬木層郁閉度較低, 就可以適當(dāng)增加灌草的數(shù)量,從而增加綠地的綠量和生態(tài)效益。

表3 冠層消光度與三維綠量的關(guān)系Tab. 3 Relation between tridimensiona green biomass and extinction ratio

3.2 植株單體冠層三維綠量與消光度的關(guān)系

以重慶市代表性比較強(qiáng)的香樟(Cinnamomum camphora)和小葉榕(Ficus microcarpa)為對(duì)象研究植株單體三維綠量與冠層消光度、消光量之間的關(guān)系。在研究香樟?xí)r, 共選擇樣本 53株, 胸徑(D)為 7—49 cm, 分別對(duì)單體三維綠量、消光度和消光量進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。根據(jù)林業(yè)中樹木胸徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用需要, 把胸徑分為5個(gè)級(jí)別： D≤10 cm, 10 cm＜D≤20 cm, 20 cm＜D≤30 cm, 30 cm＜D≤40 cm, 40 cm＜D≤50 cm, 對(duì)各胸徑級(jí)別個(gè)體的特征進(jìn)行研究, 并進(jìn)行相關(guān)性分析, 結(jié)果見表4。

表4 香樟和小葉榕植株單體三維綠量與消光度相關(guān)性Tab. 4 Correlation between tridimensional green biomass green biomass and extinction ratio of Camphor and Ficus monomer trees

對(duì)香樟單株的各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析, 結(jié)果(表4)顯示, 胸徑與樹高、冠幅、冠層厚度和三維綠量之間都呈正相關(guān), 并且達(dá)到了極顯著水平(P＜0.01), 樹木個(gè)體的胸徑與消光度和消光量有一定的相關(guān)性, 但與消光度的相關(guān)性不明顯(P＞0.05), 與消光量之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。香樟個(gè)體的高度與樹木的消光度之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平, 與樹木個(gè)體的消光量之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。香樟個(gè)體的枝下高與消光度和消光量在一定的程度上都呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性, 這說(shuō)明隨著枝下高的增加, 樹木個(gè)體下方的消光度和消光量都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。冠幅和冠層三維綠量與消光度相關(guān)性不明顯, 但與消光量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。冠層厚度與消光度之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平, 與消光量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。

對(duì)小葉榕研究時(shí), 選取 45個(gè)胸徑為 1—38 cm的個(gè)體, 分別對(duì)其特征進(jìn)行測(cè)定, 相關(guān)性分析(表 4)顯示： 其結(jié)果與香樟相似, 小葉榕的胸徑與樹木個(gè)體的高度、枝下高、冠層厚度、冠幅、三維綠量?jī)蓛芍g都呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。樹木個(gè)體的胸徑、高度、枝下高、冠層厚度、冠幅、三維綠量與消光度都有一定的相關(guān)性, 但都不太明顯, 與消光量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。

香樟個(gè)體和小葉榕個(gè)體的分析結(jié)果顯示：樹木個(gè)體的胸徑、高度、枝下高、冠層厚度、冠幅、冠層體積之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平, 樹木個(gè)體特征與消光度之間的相關(guān)性不明顯, 但與消光量之間呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。所以, 在樹木個(gè)體的研究過(guò)程中, 可以用樹木個(gè)體的胸徑反映樹木個(gè)體其它方面特征和消光量, 從而減少測(cè)量的工作量。

4 結(jié)論與討論

城市綠地系統(tǒng)能夠改善城市微氣候, 而其效果與其三維綠量有關(guān)。三維綠量主要是指植物莖和葉體積之和, 其中又以葉為重。綠量這一概念的基本出發(fā)點(diǎn)為生態(tài)學(xué)的能量轉(zhuǎn)換利用和植物莖葉的生理功能。通過(guò)量化植物莖葉體積來(lái)探討綠色三維體積與植物生態(tài)功能水平的相關(guān)性。

本研究把消光度引入到城市綠地的研究中, 其結(jié)果顯示： 無(wú)論是在群落水平還是在樹木單株水平上, 冠層消光度與三維綠量之間的相關(guān)性都達(dá)到了極顯著水平, 并且由消光度的公式可以看出消光度實(shí)際上是由葉面積指數(shù)和消光系數(shù)共同決定的, 而兩者恰恰反映了群落的樹種結(jié)構(gòu)、比例、生長(zhǎng)狀況等, 因此可以在綠地綠量測(cè)量過(guò)程中用消光度來(lái)代替, 可以使測(cè)量變得簡(jiǎn)單易行。在群落水平上喬木層消光度與灌木層消光度之間呈明顯的負(fù)相關(guān), 說(shuō)明喬木層會(huì)影響到灌木層植物的生長(zhǎng), 在喬木層植物不能太多的情況下可以通過(guò)增加灌木層植物來(lái)增加整個(gè)群落的綠量。郁閉度相同的情況下, 群落內(nèi)的平均消光度和面積還呈一定的正相關(guān), 說(shuō)明綠地的消光度也有一定的面積效應(yīng), 因此在以后的綠地建設(shè)中應(yīng)盡量增加單塊綠地的面積, 使生態(tài)效益更佳。單株樹木的冠層消光度與枝下高成負(fù)相關(guān), 所以在綠化過(guò)程中還應(yīng)該選擇合適的樹高。

城市綠地的一個(gè)重要任務(wù)是充分發(fā)揮其生態(tài)效益, 改善城市生態(tài)環(huán)境。而綠地生態(tài)效益的好壞在很大程度上是由植物的光合作用所決定, 于強(qiáng)等人曾研究玉米冠層消光系數(shù)與植株光合作用的關(guān)系, 其研究結(jié)果顯示二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[15], 因此, 一個(gè)城市主要樹種的消光系數(shù)和葉面積指數(shù)可以通過(guò)儀器測(cè)得, 建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù), 在綠地建設(shè)過(guò)程中首先應(yīng)選用消光系數(shù)和葉面積指數(shù)(單位面積的葉面積)大的樹種。群落的葉面積指數(shù)與群落的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切,群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜, 葉面積指數(shù)越大, 其中增大群落中喬木所占的比例是增大群落葉面積指數(shù)的一個(gè)有效措施。但當(dāng)喬木數(shù)量增大時(shí), 由于灌草層光照和營(yíng)養(yǎng)的減少, 會(huì)導(dǎo)致灌草層綠量減少, 所以, 應(yīng)適當(dāng)控制喬木的數(shù)量, 通過(guò)增加灌草的數(shù)量來(lái)增加整個(gè)群落的葉面積指數(shù), 從而增大整個(gè)群落的平均消光度, 達(dá)到改進(jìn)群落總體生態(tài)效益的目的。在可能的情況下, 應(yīng)該盡量增大單塊綠地的面積, 同時(shí)選擇合適高度的樹種。

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Relationship between the extinction ratio of tree canopy and tridimensional green biomass

WU Yunxiao1,2, LEI Xin1,2,*

1. College of Life Science, Yan'an University, Yan’ an 716000, China
2. Yan’an Key laboratory of Ecological Restoration (Yan'an University), Yan’an 716000, China

Using the methods of field investigation and field measurement, we study the relationship between extinction ratio of tree canopy and tridimensional green biomass. The result shows that the correlation between canopy extinction and tridimensional green biomass reaches extremely significant level. At community level, there is a significant correlation between the community within the canopy density and community area and canopy extinction ratio. But the extinction ratios of tree layer opacity and of shrub layer opacity of the show a significantly negative correlation. At individual level, the extinction ratios of canopy and under branch height show a significantly negative correlation. Therefore, the extinction ratio of tree canopy can be used as a measure of tridimensional green biomass.

Extinction ratios; Tridimensional green biomass; Community; Tree individual

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.026

S715.3

A

1008-8873(2016)01-167-05

2015-01-30;

2015-03-01

陜西省生態(tài)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科專項(xiàng); 陜西省高水平大學(xué)建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)（2012SXTS03）; 國(guó)家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201004064)

吳云霄(1980—), 女, 河南濟(jì)源人, 碩士, 講師, 主要從事園林生態(tài)學(xué)研究, E-mail： wuyunxiao110@163.com

*通信作者：雷忻, 女, 博士, 教授, 主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究, E-mail：leizz66@126.com

吳云霄, 雷忻. 樹木冠層消光度與三維綠量的關(guān)系[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(1)： 167-171.

WU Yunxiao, Lei Xin. Relationship between the extinction ratio of tree canopy and tridimensional green biomass[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 167-171.