樹木冠層消光度與三維綠量的關系

吳云霄, 雷忻,*

1. 延安大學生命科學學院, 陜西, 延安716000

2. 延安市生態(tài)恢復重點實驗室(延安大學), 陜西, 延安 716000

樹木冠層消光度與三維綠量的關系

吳云霄1,2, 雷忻1,2,*

1. 延安大學生命科學學院, 陜西, 延安716000

2. 延安市生態(tài)恢復重點實驗室(延安大學), 陜西, 延安 716000

利用野外調查和實地測量的方法, 從植物群落和單株樹木兩個方面研究樹木冠層消光度與其三維綠量的關系。結果表明： 冠層消光度與其三維綠量之間的相關性達到極顯著水平, 在群落水平上, 群落內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, 而喬木層的消光度與灌木層的消光度呈現(xiàn)明顯的負相關, 樹木在單株水平下,冠層的消光度與樹木枝下高呈現(xiàn)明顯的負相關。因此, 可用冠層消光作為衡量樹木三維綠量的指標。

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)量和質量的各類綠地組成, 具有重要的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益[1], 是城市內唯一有生命的基礎設施, 也是城市生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的重要基礎[2-3]。城市綠地的生態(tài)效益與綠地的面積、結構等方面都有很大的關系, 尤其取決于其三維綠量[4]。關于綠量目前有兩種測量方法, 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行測量[12]。目前關于葉面積指數(shù)和三維綠量的測定都需要精密的儀器, 并且都處于半自動化的狀態(tài), 測量起來工作量也比較大。國外 Boon Lay Ong曾提出了樹冠上下方光照強度、消光系數(shù)、葉面積指數(shù)之間的關系為Qi=Q0eK.LAI, 其中為冠層下方的光照強度, Q0為冠層上方的光照強度, K為消光系數(shù), LAI為葉面積指數(shù)[13], 國內吳云霄等人研究了消光度與綠地結構的關系, 并提出了消光度在綠地評價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上研究樹木冠層消光度與三維綠量之間的關系, 以期尋找簡單易行的三維綠量衡量指標。

2 研究對象與方法

2.1 調查方法

實驗地位于重慶市主城區(qū)內, 調查對象主要為城市公園綠地和街道綠地, 調查區(qū)域包括重慶市主城區(qū)范圍內的渝中區(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, 街道綠地除對主城區(qū)的主要街道進行勘查外,重點對石橋鋪至鵝嶺公園路段的綠化帶進行研究,同時選取部分立交橋(黃花園立交、松樹橋立交和石橋鋪立交)進行研究。在樣地選擇時間主要選擇樹種生長情況良好, 并且大部分樹為成年樹種的區(qū)域為研究對象。

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

2.2 三維綠量的測定

參照文獻[10], 利用激光掃描法測得冠層三維綠量。

2.3 消光度的測定與消光量的計算

單株個體消光度的測定,參考文獻[13]的消光系數(shù)公式, 經(jīng)過變通, 得消光度的計算公式：

式中：Q0為冠層上方入射太陽光的光照強度;Qi為穿過冠層太陽光的光照強度,具體的計算時,取冠層下方的平均光照強度。

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

調查樣方的平均消光度的測定公式為：

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 基礎處理后, 在SPSS12.0中進行方差分析和相關性分析。

3 結果與分析

3.1 群落水平上冠層消光度與三維綠量的關系

3.1.1 群落中喬木層消光度與三維綠量的關系

在研究群落水平上喬木層消光度與三維綠量的關系時, 從人工公園綠地中選取喬木層郁閉度為0.10—0. 95的43個樣方, 樣方內各株喬木的三維綠量之和作為樣方內喬木層的總三維綠量, 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系。

分析結果(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性達到極顯著水平(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)效益的標準, 因此, 增加喬木層的郁閉度是改進綠地生態(tài)效益的有效手段。三維綠量和消光度之間的相關性也達到了極顯著水平, 所以,可以認為喬木層的消光度能夠間接反映群落內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衡量綠地的生態(tài)效益, 并且合理性較強, 但三維綠量在具體的測量過程中工作量比較大,并且準確性也較低, 但消光度的測量簡單易行, 并且準確度比較高。所以, 可以用消光度來代替三維綠量, 從而使三維綠量的測量變得更加簡單易行。

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

3.1.2 面積對喬木層消光度的影響

在研究面積對喬木層消光度的影響時, 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, 調查樣方共45個, 在各個樣方中均采取梅花五點法在 1.5 m高處測得光照強度, 然后計算得消光度, 結果顯示, 在郁閉度相同的情況下, 面積對喬木層消光度有明顯的影響, 兩者呈現(xiàn)顯著的正相關關系, 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。該結果說明, 喬木層的消光度存在著明顯的面積效應, 所以在以后的綠地建設中, 要想使綠地具有比較好的生態(tài)效益,其面積必須達到一定的數(shù)量。

3.1.3 不同立體結構植物群落的消光度與三維綠量的關系

在研究不同立體結構植物群落冠層消光度與三維綠量關系時, 把植物群落按照立體結構分為草叢、灌叢、喬木單層結構(郁閉度≥0.6)、喬草復層結構(郁閉度≥0.6和 0.2≤郁閉度≤0.4)和喬灌草復層結構(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喬木單層結構群落的消光度與草地、灌叢、0.2≤郁閉度＜0.4喬草復層和0.2≤郁閉度＜0.4喬灌草復層結構群落的消光度之間的差別均達到極顯著水平, 而與郁閉度≥0.6喬草復層和郁閉度≥0.6喬冠草復層結構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喬草復層和0.2≤郁閉度＜0.4喬灌草復層結構群落的消光度之間的差別均不明顯(p＞0.05), 分析結果說明喬木層郁閉度對整個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隨之減少, 群落整體的綠量不可能無限制的增加。所以在以后的綠地建設中應盡量增加喬木的數(shù)量, 從而增加整個群落的消光量(三維綠量),提高綠地的生態(tài)效益,當受條件限制不能增加喬木的數(shù)量時, 可以通過增加灌木和草本植物來優(yōu)化群落結構。

對喬木層消光度、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性進行分析(表3), 結果顯示： 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,并且相關性達到極顯著水平, 說明喬木層對整個植物群落起到?jīng)Q定性作用, 喬木層消光度與喬木層三維綠量正相關, 并且達到極顯著水平, 所以可以用喬木層的消光度來衡量其三維綠量, 而喬木層的消光度、郁閉度與灌草層消光度呈極顯著負相關, 說明喬木層會明顯影響到灌草層植物的生長。

3.1.4 喬木層郁閉度對灌草層消光度的影響

表2 不同立體結構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灌草層消光度的影響時,選取了 3種群落類型, 包括灌叢群落和喬灌草結構的群落(0.2≤郁閉度＜0.4和郁閉度＞0.6)為研究對象。分析結果表明： 灌叢結構、0.2≤郁閉度＜0.4的喬灌草結構和郁閉度＞0.6的喬灌草復層結構三種群落類型的灌草層的消光度分別為2.2487、2.1604和1.9252,并且差異都達到了極顯著水平。對其綠量進行測量和分析也表現(xiàn)出相同的規(guī)律, 說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, 這可能是因為郁閉度的增加會影響到灌草層光能和影響的獲得。所以,在綠地建設過程中, 一方面可以通過增加喬木層的郁閉度來增加植物群落的三維綠量和生態(tài)效益, 同時可以通過增加綠地的立體結構層次來實現(xiàn), 但喬木層郁閉度會影響到灌草層植物的生長, 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系

以重慶市代表性比較強的香樟(Cinnamomum camphora)和小葉榕(Ficus microcarpa)為對象研究植株單體三維綠量與冠層消光度、消光量之間的關系。在研究香樟時, 共選擇樣本 53株, 胸徑(D)為 7—49 cm, 分別對單體三維綠量、消光度和消光量進行測量和計算。根據(jù)林業(yè)中樹木胸徑分級標準和實際應用需要, 把胸徑分為5個級別： D≤10 cm, 10 cm＜D≤20 cm, 20 cm＜D≤30 cm, 30 cm＜D≤40 cm, 40 cm＜D≤50 cm, 對各胸徑級別個體的特征進行研究, 并進行相關性分析, 結果見表4。

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

對香樟單株的各項指標的相關性進行分析, 結果(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, 并且達到了極顯著水平(P＜0.01), 樹木個體的胸徑與消光度和消光量有一定的相關性, 但與消光度的相關性不明顯(P＞0.05), 與消光量之間的相關性達到極顯著水平(P＜0.01)。香樟個體的高度與樹木的消光度之間的相關性達到顯著水平, 與樹木個體的消光量之間的相關性達到極顯著水平。香樟個體的枝下高與消光度和消光量在一定的程度上都呈現(xiàn)一定的負相關性, 這說明隨著枝下高的增加, 樹木個體下方的消光度和消光量都呈現(xiàn)下降的趨勢。冠幅和冠層三維綠量與消光度相關性不明顯, 但與消光量的相關性達到極顯著水平。冠層厚度與消光度之間的相關性達到顯著水平, 與消光量的相關性達到極顯著水平。

對小葉榕研究時, 選取 45個胸徑為 1—38 cm的個體, 分別對其特征進行測定, 相關性分析(表 4)顯示： 其結果與香樟相似, 小葉榕的胸徑與樹木個體的高度、枝下高、冠層厚度、冠幅、三維綠量兩兩之間都呈現(xiàn)明顯的相關性。樹木個體的胸徑、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性, 但都不太明顯, 與消光量的相關性達到極顯著水平。

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

4 結論與討論

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。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)點為生態(tài)學的能量轉換利用和植物莖葉的生理功能。通過量化植物莖葉體積來探討綠色三維體積與植物生態(tài)功能水平的相關性。

本研究把消光度引入到城市綠地的研究中, 其結果顯示： 無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性都達到了極顯著水平, 并且由消光度的公式可以看出消光度實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構、比例、生長狀況等, 因此可以在綠地綠量測量過程中用消光度來代替, 可以使測量變得簡單易行。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相關, 說明喬木層會影響到灌木層植物的生長, 在喬木層植物不能太多的情況下可以通過增加灌木層植物來增加整個群落的綠量。郁閉度相同的情況下, 群落內的平均消光度和面積還呈一定的正相關, 說明綠地的消光度也有一定的面積效應, 因此在以后的綠地建設中應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相關, 所以在綠化過程中還應該選擇合適的樹高。

城市綠地的一個重要任務是充分發(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, 于強等人曾研究玉米冠層消光系數(shù)與植株光合作用的關系, 其研究結果顯示二者呈顯著的正相關關系[15], 因此, 一個城市主要樹種的消光系數(shù)和葉面積指數(shù)可以通過儀器測得, 建立相應的數(shù)據(jù)庫, 在綠地建設過程中首先應選用消光系數(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)與群落的結構關系密切,群落結構越復雜, 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)的一個有效措施。但當喬木數(shù)量增大時, 由于灌草層光照和營養(yǎng)的減少, 會導致灌草層綠量減少, 所以, 應適當控制喬木的數(shù)量, 通過增加灌草的數(shù)量來增加整個群落的葉面積指數(shù), 從而增大整個群落的平均消光度, 達到改進群落總體生態(tài)效益的目的。在可能的情況下, 應該盡量增大單塊綠地的面積, 同時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)學重點學科專項; 陜西省高水平大學建設專項資金資助項（2012SXTS03）; 國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項項目(201004064)

吳云霄(1980—), 女, 河南濟源人, 碩士, 講師, 主要從事園林生態(tài)學研究, 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系[J]. 生態(tài)科學, 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.