广州帽峰山

城市森林群落林冠结构与林下光环境的关系

黄练忠;杨进良;徐庆华;张星元;阚蕾;张璐

【摘要】城市森林群落是城市生态系统的重要组成部分,研究城乡梯度下城市森林

群落林冠结构与林下光环境的关系对提高广州城市森林质量、创建珠三角国家森林

城市群具有重要意义.采用经典群落学调查方法和半球面影像技术,定量研究了城市

森林群落林冠结构对林下光环境的影响,并筛选出对林下光环境影响较强的林冠结

构因子.结果表明:1)市区、近郊和远郊森林群落的林冠结构参数没有遵循同一变化

模式.3个城市森林群落林冠层的胸径在不同区域间差异不显著(P>0.05),但树高、

林冠开度与叶面积指数在不同区域间均呈极显著差异(P<0.001).2)沿城乡梯度,3个

城市森林群落林下直射光、林下散射光和林下总光照的差异性均达到极显著水平

(P<0.001),林下散射光与林冠结构的关系更密切.近郊和远郊的冠层林下光环境特

征相似,均与市区差异显著.3)沿城乡梯度,城市森林群落林冠结构对林下光环境的影

响不一致.胸径和树高对林下光环境无影响,林冠开度的影响较小,但叶面关于成功的句子 积指数的影

响较大.

【期刊名称】《中南林业科技大学学报》

【年(卷),期】2019(039)009

【总页数】6页(P53-58)

【关键词】林分因子;林冠开度;叶面积指数;林下直射光;林下散射光;林下总光照

【作者】黄练忠;杨进良;徐庆华;张星元;阚蕾;张璐

【作者单位】广东省东莞市大岭山森林公园,广东东莞523725;广东省东莞市大岭

山森林公园,广东东莞523725;广东省东莞市大岭山森林公园,广东东莞523725;

华南农业大学林学与风景园林学院,广东广州510642;华南农业大学林学与风景

园林学院,广东广州510642;华南农业大学林学与风景园林学院,广东广州

510642

【正文语种】中文

【中图分类】S718.5

城市是人口密集、经济发达的区域，预计到2050年，世界上居住在城市地区的人

口可能达到66%[1]。良好的城市生态环境是地球人共同的追求和要求，而城市森

林正是为满足此种要求应运而生。作为城市生态系统的重要组成部分[2]风景的四字成语 ，城市森

林在改善城市环境方面发挥着重要作用[3]，具有改善空气和水质、调节小气候、

减少噪音、进而改善人类健康和福祉的功能[4-5]。森林冠层是地球上90%的陆地

生物量与大气之间的功能界面[6]，是一个复杂的三维空间结构[7]，具有较强的空

间异质性[8]。林冠层的结构特征客观地反映了树木对空间资源的利用情况[9]。林

冠内的光辐射分布主要取决于林冠结构、地形因素、太阳位置[10]以及气候变化、

人为干扰等[11]。林冠结构对辐射的作用是森林群落内光辐射研究热点之一[12]。

由于到达地面的光照需要通过林冠层[13]，森林的林冠层通过对光照的吸收与转换，

直接影响着林下光照的分布和照射时间，林下光环境具有很高的空间异质性[14]。

同时，林下空间结构的异质性也强烈影响森林的有效光辐射[15]。林冠结构影响着

林下光环境的变化进而影响林木的生长[16]。

目前，少有研究把城市森林林冠结构和光环境作为整体因素来研究[17]。对林冠结

构和林下光环境的研究将加深对植物群落演替进程及其机制的理解[18]，量化林冠

结构和林下光照对研究林冠时空变化和林下环境异质性具有重要意义，有助于深入

了解森林动态。本研究以城乡梯度下南亚热带城市森林群落为研究对象，量化广州

市区、近郊和远郊的城市森林群落林冠结构与林下光环境的关系，主要研究以下问

题：沿城乡梯度，城市森林群落林冠结构对林下光环境的影响是否一致？哪个林冠

结构因子对林下光环境的影响较强？研究不仅可为南亚热带森林群落更新和维持提

供理论依据，还可为提高广州城市森林质量、创建珠三角国家森林城市群提供技术

支持。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究样地位于广东省广州市市区黄花岗公园、近郊帽峰山森陈兴銮 林公园和远郊石门国家

森林公园。该区地处广东省中南部，珠江三角洲北部，年平均气温20～22℃，

年平均降水量1600～1800mm。黄花岗公园位于广州市越秀区，地理位置为

11317′58″～11318′12″E，238′43″～238′48″N，土壤多为红黄粘壤土。帽峰

山森林公园距广州市中心约23km，地理位置为2316′9″～2319′26″N，

11322′5″～11329′32″E，土壤类型主要为赤红壤。石门国家森林公园位于广

州市从化区的东北部，距广州市中心约86km，地理位置为11346′16″～

11349′17″E，2336′50″～2339′20″N，土壤随海拔分布有红壤、赤红壤、黄

壤、草甸土等。该区地带性植被为南亚热带季风常绿阔叶林，但山地丘陵的森林主

要为次生林和人工林[19]。

1.2研究方法

1.2.1样地设置

以广州市黄花岗公园、帽峰山森林公园和石门国家森林公园分别作为广州市区、近

郊和远郊样地代表[20]，在这3个公园选择典型城市森林群落分别设置10个面积

为20m20m的样方，每个样地4000m2，共计调查1.2hm2。3个样地的土

壤、地形等因素尽量保持一致。在每个样方进行每木调查，记录胸径(Diameterat

breastheight,DBH)≥3cm的所有活立木和枯立木的种名、胸径、树高和冠幅。

1.2.2半球面影像拍摄与分析

在阴天或好天气的日出和日落，用三脚架将NikonCoolPixD750数码相机外接

NikkorAF-S8-15/3.5-4.5E鱼眼镜头转换器水平放置于离地面1.65m处，用指

南针确定方向使记录的照片顶部与磁北方向重合，在每个20m20m样方四角

和对角线四分位处镜头朝上拍摄半球面林冠影像。

1.2.3地形因子记录

分别用手持式GPS仪、坡度计等实测样方的地理坐标、海拔、坡位、坡度和坡向

等，并记录样地群落的林冠郁闭度和人为干扰情况。

1.2.4数据分析

1.2.4.1林冠参数与光环境分析

采用GapLightAnalyzer2.0(GLA)图像处理软件分析林冠影像，输出林冠开度

（CanopyOpenness,CO）、叶面积指数（Leafareaindex,LAI)、林下直射光

（Transmitteddirectlight,Tdir）、林下散射光（Transmitteddiffud

light,Tdif）和林下总光照（Transmittedtotallight,Ttot）。

1.2.4.2林冠参外来人员 数差异性分析

采用Statistica8.0统计软件对3个城市森林群落的林冠开度、叶面积指数、林下

直射光、林下散射光和林下总光照等参数进行Kruskal-Wallis（非参数ANOVA）

检验，并对差异显著的结果进一步做多重比较。

1.2.4.3林冠结构与林下光环境的相关分析

采用Statistica8.0统计软件分别分析3个城市森林群落林冠层的胸径、树高、林

冠开度、叶面积指数与林下直射光、林下散射光和林下总光照等参数的相关性。

2结果与分析

2.1城市森林群落林冠结构特征

基于12000m2调查样地，城市森林群落林冠层共有立木3244株，分属于158

种102属54科，以常绿植物占绝对优势（92.7%）。群落平均胸径、平均树高和

平均冠幅分别为11.00.5cm、8.00.2m和2.80.03m，两两之间均存在显著

相关关系（P＜0.05）。其中，平均胸径和平均树高的正相关性较强（r=0.615

9），平均胸径和平均冠幅的正相关性也较强（r=0.5347），但平均树高和平均

冠幅的相关性较弱，r值仅为0.1395。城市森林群落林冠层沿城乡梯度的基本特

征见表1。

沿城乡梯度，城市森林群落林冠层立木胸径逐渐增大，林冠开度表现为近郊＞远郊

＞市区；而树高和叶面积指数刚好相反，表现为近郊＜远郊＜市区（图1）。

Kruskal-Wallis检验分析揭示，除了胸径在不同区域间差异不显著外（P＞0.05），

树高、林冠开度与叶面积指数在不同区域间均呈极显著差异（P＜0.001）。多重

比较进一步表明，近郊的树高与市区、远郊均差异显著。无论是林冠开度还是叶面

积指数，市区与近郊、远郊差异明显，但近郊与远郊之间差异不显著，说明市区、

近郊和远郊的城市森林群落林冠结构参数没有遵循同一变化模式。近郊和远郊的林

冠开度与叶面积指数特征较为相似，却都与市区相差较多。究其原因，可能是因为

市区的森林群落是人工林，粉单竹Bambusachungii在市区林冠层中占据绝对优

势，该物种胸径(DBH)≥3cm的个体数占市区林冠层所有物种个体数的61.9%，

而且粉单竹生长良好且均匀，因而市区森林群落林冠开度最小，叶面积指数最大；

而近郊和远郊的森林群落为次生林，由于人为干扰和自然干扰出现了较多的林窗，

所以林冠开度较大，叶面积指数较小。

2.2城市森林群落林下光环境特征

城市森林群落林下直射光、林下散射光和林下总光照分别为2.770.73、

2.400.49、5.171.18molm-2d-1。林下光环境变异较大，其中又以林下直射

光变异最大，变异系数为26.34%，其次为林下总光照（22.90%），而林下散射

光的变异最小（20.28%）。

表1城市森林群落林冠层基本特征Table1Thebasalfeatureofcanopyof

urbanforestcommunities位置科属种多度常绿植物落叶植物优势种/多度

市区3554681561152437粉单竹/967，鱼尾葵/83，对叶榕/78，南洋杉

/67，窿缘桉/43近郊296樟树/115，油茶/99，鸭脚木/75，

长芒杜英/69，藜蒴/56远郊3754华润楠/196，木荷/111，罗

浮柿/54，密花树/39，红花荷/38

图1城市森林群落林冠结构数量特征Fig.1Quantitativecharacteristicsof

canopystructuresofurbanforestcommunities

对不同区域城市森林群落的林下光环境参数分别进行Kruskal-Wallis检验，结果

表明林下直射光、林下散射光和林下总光照的差异性均达到极显著水平（P＜

0.001）。多重比较揭示，森林群落冠层林下的3个光环境参数差异性表现一致，

即在近郊和远郊不显著，而在市区则分别与近郊和远郊差异显著（图2）。研究结

果说明，城市森林群落近郊和远郊的冠层林下光环境特征相似，均不同于市区。进

一步分析得知，近郊和远郊的林下直射光、林下散射光和林下总光照的数值极为接

近，均与市区相差较多（图3）。林下光环境3个参数从小到大依次为市区＜远郊

＜近郊，其原因可能是受到林冠结构的影响较大。林冠开度越大，叶面积指数越小

的林下光环境参数就越大，反之则小。

图2城市森林群落林下光环境特征Fig.2Characteristicsofunderstorylight

availabilityofurbanforestcommunities

图3城市森林群落林下光环境对林冠结构的响应Fig.3Responsofunderstory

lightavailabilitytocanopystructuresofurbanforestcommunities

2.3城市森林群落林下光环境对林冠结构的响应

城市森林群落林冠结构与林下光环境的相关分析（图3）表明，无论是市区、近郊

还是远郊，林冠层胸径和树高与林下光环境均无显著相关（P＞0.05）。市区的林

冠开度和叶面积指数与林下散射光和林下总光照表现出显著相关（P未来的什么作文 ＜0.05），但

与林下直射光没有显著相关性（P＞0.05）；近郊的林冠开度与林下光环境参数之

间均呈极显著正相关（P＜0.001），叶面积指数与林下光环境参数之间均呈极显

著负相关（P＜0.001）；远郊的林冠开度与林下光环境参数没有显著的相关性

（P＞0.05），叶面积指数则呈现为极显著负相关（P＜0.001）。城市森林群落

林冠结构对林下光环境的影响不一致。胸径和树高对林下光环境无影响，林冠开度

的影响较小，但叶面积指数的影响较大。

3结论与讨论

光照是森林中林木生长的主要环境因子[21]。林冠结构影响林下光照的分布和有效

性[22]。研究指出，冠层对辐射的截获导致透过林冠进入林下的光照减少，叶面积

指数越大，光截获率越大，林冠结构对林下散射光的影响比对林下直射光大

[17,23-24]。本研究对南亚热带城市森林群落的研究也揭示，与林下直射光相比，

林下散射光对林冠结构的响应更敏感。不同演替阶段次生林的林冠开度对冠层结构

的反映程度比叶面积指数高[25]。但本研究却揭示，胸径、树高对林下光照影响不

大，林冠开度对林下光照的影响也较小，叶面积指数对林下光照的影响较大，尤其

对林下散射光、林下总光照的影响较大世界花样滑冰锦标赛 。这可能在于林冠结构的差异是林下光照变

异的主要原因。

林下散射光主要受林分类型、林分叶片倾角和枝干形状等因素的影响，而林下直射

光则主要受太阳路径、坡度和坡向等的综合影响[26]，尤其是太阳位置的变化[27]。

本研究揭示，沿城乡梯度，近郊森林群落无论是物种丰富度和多度都最小，其林冠

开度最大，而叶面积指数最小。就物种组成而言，市区森林群落林冠层的单优种粉

单竹（967株）挺秀优姿，株型高大，常用于华南地区庭园绿化，平均高度为

9.60.06m，平均胸径为6.60.03cm。粉单竹叶片多披针形，长10～20cm，

宽2～4cm。而近郊森林群落林冠层以樟Cinnamomumcamphora（115株）

和油茶Camelliaoleifera（99株）占优势，远郊森林群落林冠层则以华润楠

Machiluschinensis（196）和木荷Schimasuperba（111）为共优种。市区以

粉单竹为绝对优势的森林群落林冠层叶面积指数最大，林冠开度最小，林下直射光、

林下散射光及林下总光照等林下光环境均最小。但城市森林群落尤其是市区的人工

林物种组成和结构更多的是受人类活动和社会经济因素的影响。不同的林冠结构、

不同的物种组成，其林下光环境不同，城市森林景观及生态效益也不同。因地因时

制宜，综合考虑城市森林自身因素和社会经济因素，是保护和营建城市森林的重要

举措。但由于城市森林林冠层的复杂性，不同季节和不同垂直高度林冠层对林下光

环境的影响还没有展开系统研究。量化林冠结构在时间和空间上的动态变化，剖析

城市森林植物群落不同物种对林下光环境的响应，并提出城市森林管理的措施还有

待进一步的研究。

参考文献：

【相关文献】

[1]ETTINGERAK,LEEBR,mitationandlackofdownedwood,not

invasivespecies,threatenconiferregenerationinanurbanforest[J].Urban

Ecosystems,2017,20(4):877-887.

[2]唐泽,任志彬,郑海峰,等.城市森林群落结构特征的降温效应[J].应用生态学报,2017,28(9):2823-

2830.

[3]PRETZSCHH,BIBERP,UHLE,izeandgrowingspacerequirementof

commontreespeciesinurbancentres,parks,andforests[J].UrbanForestry&Urban

Greening,2015,14(3):466-479.

[4]O'BRIENL,MORRISJ,ngwithperiurbanwoodlandsinEngland:the

contributiontopeople'shealthandwell-beingandimplicationsforfuture

management[J].InternationalJournalofEnvironmen卡通娃娃头像 talRearchandPublic

Health,2014,11(6):6171-6192.

[5]OSTOISK,ingglobalscientificdiscours

onurbanforestry[J].UrbanForestry&UrbanGreening,2015,14(1):129-138.

[6]OZANNECMP,ANHUFD,BOULTERSL,ersitymeetstheatmosphere:a

globalviewofforestcanopies[J].Science,2003,301:183-186.

[7]FOURNIERRA,hericalphotographyinforest

science:Theory,methods,applications[J].ManagingForestEcosystems,2017,28:53-83.

[8]ELLSWORTHDS,structureandverticalpatternsofphotosynthesis

andrelatedleaftraitsinadeciduousforest[J].Oecologia,1993,96:169-178.

[9]VOLAKD,SVTEKM,ENFELDRM,ionincanopyopennessamongmain

structuraltypesofwoodyvegetationinatraditionallymanagedlandscape[J].Folia

Geobotanica,2017,52:15-32.

[10]BEAUDETM,ionincanopyopennessandlighttransmissionfollowing

lectioncuttinginnorthernhardwoodstands:Anasssmentbadonhemispherical

photographs[J].AgriculturalandForestMeteorology,2002,110:217-228.

[11]PROMISA,SCHINDLERD,REIFA,adiationtransmissioninandaround

canopygapsinanuneven-agedNothofagusbetuloidesforest[J].InternationalJournalof

Biometeorology,2009,53:355-367.

[12]BALZOTTICS,andabioticcontrolsovercanopyfunctionand

structureinhumidHawaiianfor新春对联 ests[J].Ecosystems,2018,21(2):331-348.

[13]EDIRIWEERAS,SINGHAKUMARABMP,ionincanopy

structure,lightandsoilnutritionacroslevationofaSriLankantropicalrain

forest[J].ForestEcologyandManagement,2008,256:1339-1349.

[14]SONGY,alchangesinverticalcanopystructureinatemperate

broadleavedforestinKorea[J].EcologicalRearch,2015,30:821-831.

[15]韩有志,王政权.森林更新与空间异质性[J].应用生态学报,2002,13(5):615-619.

[16]张星元,张璐,马丁,等.不同冠层结构下的植物生长型和生活型特征[J].中南林业科技大学学

报,2018,38(7):37-44.

[17]黄慧敏,董蓉,何丹妮,等.冠层结构和光环境的时空变化对紫耳箭竹种群特征的影响[J].应用生态学

报,2018,29(7):2129-2138.

[18]谭一波,何琴飞,郑威,等.珠江流域中上游防护林冠层结构对林下植被的影响[J].生态学杂

志,2016,35(12):3148-3156.

[19]章家恩,黄兆祥,唐国玲.广州市几种林型土壤动物群落调查研究[J].华南农业大学学

报,2005,26(3):47-51.

[20]FUY,LUX,ZHAOY,mentimpactsofweatherandlandU/Landcover

(LULC)changeonurbanvegetationnetprimaryproductivity(NPP):Acastudyin

Guangzhou,China[J].RemoteSensing,2013,5(8):4125-4144.

[21]OSADAN,ightinterceptionefficiencyrelatedtoshootstructureintall

canopyspecies[J].Oecologia,2017,185(1):29-41.

[22]SUREZSALAZARJC,NGOBIENGMA,MELGAREJOLM,ypologyofcacao

(TheobromacacaoL.)systemsinColombianAmazonia,badontreespecies

richness,canopystructureandlightavailability[J].PlosOne,2018,13(2):e191003.

[23]区余端,苏志尧.粤北山地常绿阔叶林自然干扰后冠层结构与林下光照动态[J].生态学

报,2012,32(18):5637-5645.

[24]崔佳玉,曾焕忱,王永强,等.银瓶山自然保护区阔叶林冠层结构与辐射消减效应[J].西北林学院学

报,2015,30(4):45-49.

[25]解丹丹,苏志尧.石门台亚热带森林不同演替阶段冠层结构与林下光照特征[J].许昌学院学

报,2018,6(6):10-14.

[26]BRANGP,FELTENSV,g,noon,orafternoon:Doestimingofdirect

radiationinfluencethegrowthofPiceaabiedlingsinmountainforests?[J].Annalsof

ForestScience,2005,62:697-705.

[27]HARDYJP,MELLOHR,KOENIGG,adiationtransmissionthroughconifer

canopies[J].AgriculturalandForestMeteorology,2004,126:257-270.