人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型 II.应用与验证

应用建立的人工同龄林辐射场模型对杉木 (Cunninghamialanceolata)人工林冠层辐射场进行了模拟 ,以实测的冠层辐射数据对模型进行了验证 ,对模型的不确定性以及叶面积密度和叶片散射的影响进行了计算和分析。结果表明 ,模拟和实测辐射场及日总量无显著差异 ,所建模型适于对杉木人工林冠层辐射的模拟。模型可能的误差来源包括树冠形状的不规则性、树冠大小和高低的不一致性、叶片在小范围内的簇生性等。考虑二维叶面积密度 (LAD)分布的模拟结果优于平均LAD。叶片的散射辐射约占总辐射的 3%～ 11%,且越靠近树冠里层和下部 ,散射作用越大。     

人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型I.理论计算

充分考虑坡地人工林冠层结构特征和叶面积空间分布的异质性,分别相邻树冠遮荫和目的树冠遮荫对树冠内辐射场的影响,建立的人工林冠层辐射场模型,可模拟树冠内任意点,在一年内任一时刻内的辐射及其直接和散射分量,以及以1h为步长的日总辐射等,为人工林可持续经营和冠层光合生产力模拟奠定基础。     

人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型Ⅰ理论计算

充分考虑坡地人工林冠层结构特征和叶面积空间分布的异质性,分别相邻树冠遮荫和目的树冠遮荫对树冠内辐射场的影响,建立的人工林冠层辐射场模型,可模拟树冠内任意点,在一年内任一时刻的辐射及其直接和散射分量,以及以1h为步长的日总辐射等,为人工林可持续经营和冠层光合生产力模拟奠定基础。     

温室甜椒叶面积指数形成模拟模型

叶面积指数是光合作用驱动的作物生长模型以及冠层蒸腾模型所需的重要作物参数,温度和辐射是影响叶片生长的重要环境因子.通过不同定植期、不同品种、不同地点的试 验,定量分析了温室甜椒出叶数、叶片长度和叶面积指数与温度和辐射的关系,构建了温室 甜椒叶面积模型,并利用独立的试验资料对模型进行了检验.结果表明：甜椒出叶数与出苗 后累积辐热积呈指数函数关系;叶片长度与出叶后累积辐热积呈负指数函数关系;甜椒出叶 数、叶片长度和叶面积指数的模拟结果与实测值之间的决定系数R²分别为0.94、0.89、0.93,其回归估计标准误RMSE分别为3.4、2.15 cm、0.15.该模型能够利用气温、辐射、 种植密度和出苗日期准确地预测温室甜椒叶面积指数动态,且模型参数少、实用性强,可以为温室甜椒生长模型和蒸腾模型提供必需的叶面积指数动态信息.     

苹果密植园与间伐园树冠层内叶片光合潜力比较

通过对成龄苹果密植园和间伐园树冠不同层次和部位叶片光合潜力及辐射通量密度、叶片N含量和比叶重等指标的比较分析,研究了苹果园改造前后辐射能和氮素利用效率差异及其与产量品质的关系.结果表明：间伐显著改善了冠层内的辐射环境,间伐园冠层内的辐射分布明显比密植园均匀,相对辐射通量密度小于30%的无效光区接近0,而密植园冠层内的最低相对辐射通量密度为17%,在相对高度03以下均为无效光区;间伐园内冠层叶片的光合效率显著提高,间伐园树冠中、下部叶片的光合速率比密植园分别提高了78%和102%;叶片的最大羧化速率和最大电子传递速率也有较大幅度的提升.苹果园冠层叶片的光合效率与叶片N含量存在显著的相关关系,而叶片N含量又与辐射通量密度存在显著的相关关系,因此,可根据冠层叶片相对N含量的垂直分布间接和定量地判断叶片的光合效率或相对辐射通量密度的空间分布.     

基于Campbell椭球分布函数的大兴安岭地区主要树种叶倾角分布模拟

叶倾角分布(LAD)直接决定着植被冠层对辐射的截获量,同时对入射太阳辐射的大小与走向也起着决定性作用,是定量遥感中的关键参数.本研究基于Campbell椭球分布函数和迭代方法拟合大兴安岭林区主要树种的LAD,定量分析冠层叶片分层与不分层时模型的拟合情况及不同龄组对LAD的影响.结果表明： 大兴安岭地区6种主要树种的LAD均属于横椭球分布,针叶树的平均叶倾角小于阔叶树;无论对叶片分层处理与否,模型拟合叶倾角的结果与实测结果基本一致;白桦和落叶松的拟合结果与实测结果线性回归的相关系数分别是0.8268、0.8192,均方根误差分别是3.7%、4.3%,说明Campbell模型应用于森林冠层是可靠的;考虑龄组的影响时,虽然分层处理时叶倾角的分布趋势与龄组无关,但幼龄落叶松的平均叶倾角小于成熟落叶松,表明龄组对叶倾角分布取值有正向影响,而对消光系数取值有负向
影响.     

基于SVAT模型的冬小麦光合作用和蒸散过程研究

在已建立的土壤－植被－大气传输（SVAT）模型中,冠层光合作用／气孔导度耦合子模型可区分遮荫叶和受光叶光合作用强度的差异;作物生长模型考虑了生长呼吸和维持呼吸,模拟与实测结果对比发现,日总蒸散量实测和模拟的根均方差（RMSD）为0.65mm,平均绝对差（MAPD）为14％;对冠层上部净光合作用率日变化过程而言,实测和模拟结果具有较好的一致性。利用模型模拟了冬小麦全生育争光合作用率和蒸散的演变过程。最后,分析了冬小麦蒸散和水分利用效率对不同最大叶面积指数,大气CO2浓度和叶片N含量的响应。     

杉木幼树冠层结构与生物量关系的初步研究

本文探讨了5年生杉木树冠的结构特点及其与植株生物量的关系。不问冠型如何,同一林分幼杉各器官干重的比重都比较稳定;树冠针叶干得密度为0.18—0.44千克/米~3,针叶面积(仅计一面)密度为0.97—2.40米~2/米~3,比Kira等(1969)报道的阔叶树的叶面积密度大4—5倍;针叶主要着生在二级和一级侧枝上,集中分布在树冠中下部。闽北地区Ⅱ一Ⅲ地位级杉木造林后4年内干物质生产速率平均为345克/米~2/年,对辐射能的利用率为0.17％。浓密型杉木的生长要显著快于稀疏型杉木。 根据幼杉冠层结构的特点,提出:(1)应加强幼林抚育,改善中下部林冠的光照条件,以发挥比重最大的中下部冠层针叶的光合潜力;(2)为使幼杉树冠发育良好,闽北地区Ⅱ—Ⅲ地位级杉木的栽植密度应在2×2米至2×3米之间;(3)为提高杉木幼林期林地的光能利用率,可在幼林内间作农作物;(4)抚育采伐时应尽量保留浓密型杉木而去除稀疏型杉木;(5)可以考虑把浓密型杉木单独造林;(6)可以指望把浓密型杉木作为优良的育种原始材料。     

玉米冠层内太阳直接辐射三维空间分布的模拟

太阳直接辐射在植物冠层内的空间分布特征影响植物生理生态功能 ,是衡量植物群体结构是否合理的重要指标。利用田间实测的玉米冠层内植株各器官的三维空间坐标进行冠层结构分析 ,将冠层内的植株器官表面划分成小面元 ;根据几何光学中光的直线传播原理 ,利用面元沿太阳光线的平行投影和投影深度排序 (Z- buffer)算法计算冠层内面元受太阳光直接照射的情况 ,建立了太阳直接辐射在玉米冠层内三维空间分布的模拟模型。模型可计算出作物冠层内任选植株的器官表面或冠层内地面上的太阳直射光斑 (Sunflecks)分布 ,也可输出选定空间位置或范围上的太阳直接辐射的分布 ,同时可实现模拟结果的三维可视化。根据此模型的模拟结果可对太阳直接辐射在玉米冠层内的空间分布进行各种分析。利用玉米冠层内光斑的三维分布测定试验 ,在光合有效辐射 (PAR)波段对模型进行了检验。模型适用于任意三维结构可测并可进行面元化划分的植物群体或个体     

定植密度对日光温室甜椒干物质生产与分配影响的模拟研究

2007年10月—2009年5月,在中国山东省寿光市日光温室内设计不同定植密度和不同定植日期的甜椒栽培试验,系统收集温室环境数据和作物生长数据,分析定植密度对日光温室甜椒干物质生产与分配的影响。结果表明,定植密度在2.0—6.7株·m-2范围内,不同定植密度处理的甜椒叶面积指数与定植后天数的关系较好地符合logistic模型,收获时最大叶面积指数与定植密度呈线性正相关。研究发现,不同密度处理的单位面积甜椒生物量与冠层累计截获的光合有效辐射日积分呈线性正相关,单位面积植株干物质增长率和叶片的干物质分配指数随定植密度增加而增加,果实的干物质分配指数随密度增加而减少,茎的干物质分配指数受密度影响不显著。在此基础上,首先构建甜椒叶面积指数模型和冠层光截获模型,然后建立以冠层截获的PAR日积分为尺度的温室甜椒干物质生产与分配模型,并利用独立试验数据对模型进行检验,表明定植密度为2.0、4.0、6.7株·m-2的总干重、叶干重、茎干重、果实干重和产量的模拟值与实测值间基于1:1线的决定系数(R2)分别为0.946、0.891、0.945、0.923和0.867,回归估计标准误差(RMSE)分别为51.97g·m-2、3.53g·株-1、4.72g·株-1、16.4g·株-1和910.8g·m-2,说明所建模型的模拟值与实测值有较好符合度,能够较准确地模拟日光温室甜椒的干物质生产与分配,模型参数少,实用性强,可以为日光温室甜椒产量预测提供决策支持。     

热带季节雨林林窗辐射特征研究

利用不同季节热带季节雨林林窗、林内及旷地不同波长太阳辐射的实测资料,探讨了热带季节雨林林窗不同波长辐射特征。结果表明,热带季节雨林林窗中央和北侧林冠下的不同波长太阳辐射存在“突跃现象”,中午前后各辐射量值迅速达到最大后又急速下降;林窗内不同波长太阳辐射日总量值均大于林内,却小于旷地;林窗中央和北侧林冠下比较可见,在干热季、雨季和雨季后期,林窗中央的各辐射要素总量值高于北侧林冠下,但雾凉季时受浓雾和太阳高度以及方位的影响,各辐射要素总量值较北侧林冠下低;林窗中央的总辐射日总量在雨季太阳高度角最大时最高,雨季后期和干热季其次,雾凉季时最小;林窗中央和北侧林冠下的红外辐射及可见光在总辐射中所占份额随季节的变化而不同,充分显示了林窗辐射环境的异质性;与旷地和林内相比,林窗内各测点的红外辐射在总辐射中所占份额介于旷地和林内之间．高于旷地却低于林内;而可见光占总辐射的比值情况正好相反．另外,林窗可见光分配率的季节变化都大于红外辐射;热带季节雨林林窗育增加红外辐射、减少可见光的特征．     

白云山国家森林公园不同人为干扰强度的群落冠层结构和光照特征

为探究森林冠层结构与林下光照的变化规律及其相关性,在河南省白云山国家森林公园选取人工林、择伐林、皆伐林和老龄林建立四块面积为1 hm²（100 m×100 m）的固定监测样地,利用半球面影像技术获取冠层结构及林下光照数据。研究发现：1）随着人为干扰强度降低,冠层覆盖度与叶面积指数呈增加趋势,林下散射辐射与直接辐射呈减少趋势;2）择伐林冠层覆盖度与叶面积指数最大,平均叶倾角与透光比最小,林下光照（直接辐射、散射辐射）与冠层覆盖度和叶面积指数都呈显著负相关,林下散射辐射与冠层覆盖度和叶面积指数的负相关关系最强;3）处于不同干扰强度的群落由于冠层结构的差异,形成了不同群落内特定的光照环境。研究结果丰富了暖温带-亚热带生态过渡区森林冠层结构与林下光照动态变化研究资料,同时也为该区域森林的恢复与重建等提供科学的依据。     

地面覆盖对皮叶两用杜仲(Eucommia ulmoides Oliv.)林冠层辐射能分布的影响

通过在杜仲林地种植白三叶草、覆膜和覆秸秆,研究了地面覆盖对8a生皮叶两用杜仲林冠层光能分布的影响.结果表明:地面种植白三叶草、覆膜、覆秸秆和不覆盖条件下,林冠中部的总辐射分别比林冠表面降低了18.8%、20.0%、17.1%、17 1%;在林冠层,不同地面覆盖的林冠下表面接受的地面反射辐射差异较大,种植白三叶草、覆膜和覆秸秆的林冠下表面接收的反射辐射分别较地面无覆盖的高42.8%、56.4%和8.1%,且林冠中部接受的地面反射辐射明显低于林冠下表面;种植白三叶草、覆膜和覆秸秆的林冠中部的净辐射能分别较地面无覆盖的高14.4%、18.5%和5.6%.不同覆盖处理的冠层净辐射垂直分布趋势基本一致,在冠层范围内,净辐射能随高度升高呈指数规律增大.     

Plant competition for light analyzed with a multispecies canopy model

Summary Competition for light among species in a mixed canopy can be assessed quantitatively by a simulation model which evaluates the importance of different morphological and photosynthetic characteristics of each species. A model was developed that simulates how the foliage of all species attenuate radiation in the canopy and how much radiation is received by foliage of each species. The model can account for different kinds of foliage (leaf blades, stems, etc.) for each species. The photosynthesis and transpiration for sunlit and shaded foliage of each species is also computed for different layers in the canopy. The model is an extension of previously described single-species canopy photosynthesis simulation models. Model predictions of the fraction of foliage sunlit and interception of light by sunlit and shaded foliage for monoculture and mixed canopies of wheat (Triticum aestivum) and wild oat (Avena fatua) in the field compared very well with measured values. The model was used to calculate light interception and canopy photosynthesis for both species of wheat/wild oat mixtures grown under normal solar and enhanced ultraviolet-B (290–320 nm) radiation (UV-B) in a glasshouse experiment with no root competition. In these experiments, measurements showed that the mixtures receiving enhanced UV-B radiation had a greater proportion of the total foliage area composed of wheat compared to mixtures in the control treatments. The difference in species foliage area and its position in the canopy resulted in a calculated increase in the portion of total canopy radiation interception and photosynthesis by wheat. This, in turn, is consistent with greater canopy biomass of wheat reported in canopies irradiated with supplemental UV-B.     

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

以粤北车八岭2008年受冰灾破坏的山地常绿阔叶林为研究对象,设置2 hm2固定样地开展连续3a(2008—2010年)的群落调查,并采用半球面影像技术(Hemispherical photography)获取冠层结构和林下光照指标,分析灾后森林演替过程中冠层结构和林下光照的动态。研究发现:1)灾后森林恢复过程中,样地林下光照(直射光、散射光和总光照)均随林冠开度的减少、叶面积指数的增加而减少;2)从2008到2010年,各年度冠层结构和林下光照的差异均极显著(P<0.0001),但年间差异程度有逐年减少的趋势;3)灾后森林恢复前3a,林下直射光对林下总光照的贡献大于散射光,其时空波动性也大于散射光;4)林冠开度对冠层结构的反映程度比叶面积指数高,冠层结构对林下散射光的影响比对直射光大。灾后林木先是迅速生长然后生长速度缓慢下来并逐渐稳定,随森林逐渐郁闭林下光照也随之减少,其中林冠开度用于评价冠层结构动态的效果更佳,林下直射光比散射光的时空变化更复杂。     

南方现代化温室黄瓜冬季蒸腾测量与模拟研究

 温室作物蒸腾直接影响到温室内空气温湿度,是进行温室温度和湿度优化调控所必需的信息。通过冬季温室小气候和蒸腾速率与气孔阻力的实验观测,分析了冬季南方温室黄瓜(Cucumis sativus)蒸腾速率的变化特征及其与温室小气候要素之间的定量关系,确定了南方现代温室冬季黄瓜冠层阻力rc和边界层动力学阻力ra的特征值和作物蒸腾消耗的潜热占到达冠层上方的净辐射的比例,并采用Penman-Monteith方法模拟计算了冬季温室内黄瓜作物蒸腾速率。结果表明,冬季温室内作物蒸腾速率的日变化趋势与净辐射的日变化基本一致,在正午达一天中的最大值。而空气饱和水汽压差（VPD）的日最大值则基本出现在午后1～2 h。在我国南方温室冬季高湿的环境下（VPD<2 kPa）,作物蒸腾速率日变化主要取决于太阳辐射日变化。冠层上方的净辐射和VPD及作物冠层蒸腾速率日最大值分别在350 W·m－2、2.0 kPa和200 W·m－2以下。冬季温室作物蒸腾消耗的潜热占到达冠层上方的净辐射的比例为46%。冬季黄瓜作物的rc和ra特征值分别为100 s·m-1和600 s·m-1。采用实际变化的rc与ra值和rc与ra的特征值计算的作物蒸腾速率和累积蒸腾量均与实测值基本一致。作物蒸腾消耗的潜热占到达冠层上方的净辐射的比例及rc和ra特征值的确定为研制基于作物蒸腾模型的温室环境和肥水灌溉的优化控制系统奠定了基础。但研究所确定的这些特征值在其它地区和其它类型温室是否适用,尚需进一步的实验资料来证明。     

Near‐ground solar radiation along the grassland–forest continuum: Tall‐tree canopy architecture imposes only muted trends and heterogeneity

Solar radiation directly and indirectly drives a variety of ecosystem processes. Our aim was to evaluate how tree canopy architecture affects near‐ground, incoming solar radiation along gradients of increasing tree cover, referred to as the grassland–forest continuum. We evaluated a common type of canopy architecture: tall trees that generally have their lowest level of foliage high above, rather than close to the ground as is often the case for shorter trees. We used hemispherical photographs to estimate near‐ground solar radiation using the metric of Direct Site Factor (DSF) on four sites in north Queensland, Australia that formed a grassland–forest continuum with tree canopy cover ranging from 0% to 71%. Three of the four sites had tall Eucalyptus trees with foliage several metres above the ground. We found that: (i) mean DSF exceeded >70% of the potential maximum for all sites, including the site with highest canopy cover; (ii) DSF variance was not highly sensitive to canopy coverage; and (iii) mean DSF for canopy locations beneath trees was not significantly lower than for adjacent intercanopy locations. Simulations that hypothetically placed Australian sites with tall tree canopies at other latitude–longitude locations demonstrated that differences in DSF were mostly due to canopy architecture, not specific site location effects. Our findings suggest that tall trees that have their lowest foliage many metres above the ground and have lower foliar density only weakly affect patterns of near‐ground solar radiation along the grassland–forest continuum. This markedly contrasts with the strong effect that shorter trees with foliage near the ground have on near‐ground solar radiation patterns along the continuum. This consequence of differential tree canopy architecture will fundamentally affect other ecosystem properties and may explain differential emphases that have been placed on canopy–intercanopy heterogeneity in diverse global ecosystem types that lie within the grassland–forest continuum.