森林冠层结构与功能及其时空变化研究进展
- 格式：pdf
- 大小：191.82 KB
- 文档页数：5
文档推荐
-
绵阳市生态用地景观格局及生态环境效应评价页数:11
-
生物多样性景观格局变化的关系页数:8
下载文档原格式
合集下载
具有代表性的森林生态系统的结构与功能研究
具有代表性的森林生态系统的结构与功能研究森林生态系统是地球上最重要的生态系统之一，它与人类的生存与发展有着密切的联系和互动。
具有代表性的森林生态系统的结构与功能研究，有助于深入了解这些生态系统的特点和演化规律，为其保护和利用提供科学依据。
一、典型森林生态系统的结构典型森林生态系统由植物、土壤、水分、动物等多种因素组成。
其中，植物是森林生态系统的主体，其构成了生态系统的植被层次。
不同的森林类型其植物群落特征各异，但总体上可分为四层：冠层、亚冠层、灌木层和草本层。
1. 冠层：这是森林生态系统中最高的层次，在竖直空间上覆盖了80%以上的森林面积。
冠层由很多种大型树木组成，其高度一般在20米以上，具有形态各异、层次分明和寿命长等特点。
冠层对森林生态系统的影响最大，其树种的物种多样性、数量和分布等对森林生态系统的生物多样性、景观特征和生态功能有着至关重要的影响。
2. 亚冠层：这是指森林植被中高度在6-20米的小树和大乔木之间的一层。
它与冠层遮荫联合，抵抗非生物和生物因素对森林生态系统的优势。
亚冠层的树种种类较少，而且个体生长较慢，生命力不够强，它们主要起到了增加森林植被的立体层次，使森林看起来更加丰富的作用。
3. 灌木层：它由灌木、低矮乔木和藤本植物组成，高度通常在1-3米之间。
灌木层的分布范围比亚冠层更广，它对于森林生态系统的保水保土保肥等方面起着重要作用。
4. 草本层：草本层是地面的一层，由各类禾本科、菊科、金粟兰科、兰科等植物组成。
它为森林生态系统提供了一种纤维层次，增加了森林的层次感，同时也提供了一定的营养物质。
二、典型森林生态系统的功能森林生态系统具有多种生态功能，其中，气候调节、水土保持和生物资源维持是其最重要的三种功能。
1. 气候调节功能：森林生态系统通过吸收二氧化碳，释放氧气，抑制温室气体的增加，对气候和环境的调节作用非常重要。
此外，森林可阻挡风沙、限制沙漠的向外扩散，也对气候的变化发挥着重要作用。
近30年西双版纳热带雨林群落冠层组成与结构的动态变化
SHI Mi
ng
1
1
2
1
(
1Co
l
l
egeof Fo
r
e
s
t
ry,
Sou
t
hwe
s
tFo
r
e
s
t
ry Un
i
ve
r
s
i
t
Kunmi
ng,
Yunnan 650224,
Ch
i
na;
y,
2In
s
t
i
t
u
t
eof Fo
r
e
s
tRe
s
our
c
eIn
o
rma
t
i
onTe
chn
i
s,
Ch
i
ne
s
eAcademyof Fo
功能 及 演 变,开 展 森 林 林 冠 层 研 究 对 预 测 森 林 的 演
变及揭示物种多样性形成机制等具有重要意义
。
[
1
2]
热带雨林是地球上生物多样性最丰富的生态系统类
型,西双版纳保 存 着 以 龙 脑 香 科 (
Di
t
e
r
o
c
a
r
c
e
a
e)
p
pa
乔木 望 天 树 (
Para
s
ho
r
each
i
i
t
edandnewl
t
e
r
eda
rbo
r
swe
r
er
a
r
espe
ng
1
1
2
1
(
1Co
l
l
egeof Fo
r
e
s
t
ry,
Sou
t
hwe
s
tFo
r
e
s
t
ry Un
i
ve
r
s
i
t
Kunmi
ng,
Yunnan 650224,
Ch
i
na;
y,
2In
s
t
i
t
u
t
eof Fo
r
e
s
tRe
s
our
c
eIn
o
rma
t
i
onTe
chn
i
s,
Ch
i
ne
s
eAcademyof Fo
功能 及 演 变,开 展 森 林 林 冠 层 研 究 对 预 测 森 林 的 演
变及揭示物种多样性形成机制等具有重要意义
。
[
1
2]
热带雨林是地球上生物多样性最丰富的生态系统类
型,西双版纳保 存 着 以 龙 脑 香 科 (
Di
t
e
r
o
c
a
r
c
e
a
e)
p
pa
乔木 望 天 树 (
Para
s
ho
r
each
i
i
t
edandnewl
t
e
r
eda
rbo
r
swe
r
er
a
r
espe
森林生态系统的结构与功能
森林生态系统的结构与功能森林生态系统是地球上最为复杂和多样化的生态系统之一，其结构和功能对于维持地球的生态平衡具有重要作用。
本文将探讨森林生态系统的结构和功能，并对其重要性进行阐述。
一、森林结构森林结构指的是森林内各种生物的组织和分布方式。
森林由不同的层次组成，包括森林冠层、亚冠层、灌木层和地被层。
1. 森林冠层：森林冠层由最高的树木组成，其主要作用是吸收光能和二氧化碳，进行光合作用。
冠层的树木通常具有高大的身材和密集的枝叶，形成了森林的天顶。
2. 森林亚冠层：亚冠层位于冠层之下，由较矮的树木和藤蔓植物组成。
亚冠层能够充分利用冠层透过来的光线，继续进行光合作用。
3. 森林灌木层：灌木层主要由灌木和低矮的树木组成，通常位于森林底层。
灌木层提供了森林生态系统的多样性，为多种动物提供了栖息地。
4. 森林地被层：地被层位于土壤表面，由蕨类、草本植物和苔藓等组成。
地被层能够保护土壤，减少水土流失，并且为森林提供了养分循环的重要环节。
二、森林功能森林不仅是地球上最重要的碳汇之一，还具有一系列其他的功能，包括气候调节、水源涵养、生物多样性保护和土壤保持。
1. 气候调节：森林通过吸收大量的二氧化碳，帮助减缓温室效应和气候变化。
森林的蒸腾作用还能够降低气温、增加降水量，并且减少洪水和干旱的发生。
2. 水源涵养：森林的植被和树木根系能够吸收降雨水分，并将其储存于土壤中。
这些储存的水分逐渐释放，维持了河流和水域的稳定水量，为人类提供了可靠的水资源。
3. 生物多样性保护：森林是众多植物和动物的栖息地，为生物多样性的保护起到了重要作用。
森林提供了丰富的食物链和生态链，维持了生物多样性的稳定。
4. 土壤保持：森林的植被和树木根系能够保持土壤的结构稳定，减少水土流失。
森林的凋落物能够降解为有机物，为土壤提供养分和保持其肥力。
三、森林生态系统的重要性森林生态系统的结构和功能对于地球生态平衡的维持至关重要。
森林通过吸收二氧化碳和释放氧气，对抗温室效应，减缓气候变化。
森林冠层结构的生态学研究现状与展望-林业与环境科学
森林冠层结构的生态学研究现状与展望3邱建丽 李意德 陈德祥 骆土寿(中国林业科学研究院热带林业研究所 广州 510520)摘要 林冠是树木光合作用的主要层次,林冠结构造成的林下光环境差异对于植物的生长和群落的更新演替有着重要的生态学意义。
冠层结构的重要作用已引起全球生态学家的高度重视,国际科学界已举行了三届国际冠层大会,认为合作并发展全球冠层研究计划是必须的。
文章较系统地介绍了国内外冠层结构、林内环境、林下植被组成及土壤环境之间的一系列相互关系的研究进展,并将近年来有关森林冠层结构最新研究方法作简单介绍,为今后的同类研究提供参考。
关键词 冠层结构 叶面积指数 天空开度 叶倾角 林下植被 土壤有机碳中图分类号:S718.5 文献标识码:A 文章编号:1006-4427(2008)01-0075-08The Resea r ch P r ogr ess an d the S i gn i f i canceof Canopy S tr uctur e i n For est EcologyQ iu J ianli L i Yide Chen D exiang Luo Tushou(R esea rch I nstitute of Tropical Fore stry,CAF,Guangzh ou,510520)Ab stra ct Light conditions a r e very i mportant deter m inant of f or e st understor y vegetati on pa tte r n.F orest canopy struc tur e is the m ain photosynthetic layer and deter m ined light status of the unde rst ory.I t is a consensus in for est ecol ogy tha t understor y light p lays a p r o m inent r ole in the gr owth of the p lant and affected the successi on of the f orest c ommunity.I nte r na tiona l scientists conside r ed it is nece ssary to devel op and co2operate the p lan of the canopy study in the world.The i mportance of the canopy study has attracted ecol ogist’s high attenti on.This pa pe r tries t o expatiate on the study of the correlation of the canopy str ucture,understory light,unde rst ory floristic compo2 siti on and s oil envir onment which have been m ade in this fie ld,and si mply intr oduces the late st study me thods on canopy,with the ai m of p r oviding inf or m ati on f or sa m e research.Key words f orest canopy structure,Leaf A rea I ndex,D iff use Non2interceptance,Mean Tilt Angle,un2 dergr owth,S OC森林是地球表面上生物量最为庞大的植被类型,林冠是树木的主要光合层次,是接受太阳能的主体,冠层结构的特征在一定程度上决定了森林生态系统的能流过程和强度[1]。
森林冠层高度的遥感估算：进展、挑战与未来方向
森林冠层高度的遥感估算：进展、挑战与未来方向在地球的陆地生态系统中，森林扮演着至关重要的角色。
森林冠层高度作为描述森林结构的关键参数之一，对于理解和监测森林生态系统的功能和健康状态至关重要。
近年来，随着遥感技术的发展，如何利用遥感数据高效、准确地获取森林冠层高度信息，已成为林业研究和森林管理中的热点问题。
遥感技术在森林监测中的应用遥感技术通过不同的传感器和平台，提供了一种大范围、快速获取森林信息的手段。
从早期的光学影像到现在的激光雷达（LiDAR）技术，遥感技术在森林监测中的应用不断深化。
光学影像由于受大气条件和季节变化的影响较大，往往难以获取森林的垂直结构信息。
而LiDAR技术能够穿透森林冠层，获取更为精确的森林高度和生物量信息。
LiDAR技术：穿透森林的“激光眼”LiDAR技术通过发射激光脉冲并接收其反射回来的信号，计算地面和植被的高度信息。
这项技术在森林垂直结构监测中显示出了巨大潜力。
然而，LiDAR数据的获取成本较高，且数据处理复杂，这限制了其在更大范围森林监测中的应用。
地理统计学：森林监测的得力助手为了克服LiDAR数据成本高和覆盖范围有限的问题，研究者们开始尝试将地理统计学方法与遥感数据相结合，以提高森林监测的效率和精度。
回归克里金（Regression Kriging, RK）技术就是其中一种有效的手段。
通过将遥感数据与地面实测数据相结合，RK技术能够在考虑空间自相关性的基础上，对森林冠层高度进行更为准确的估算。
森林冠层高度的不确定性量化在进行森林冠层高度估算时，不确定性的量化同样重要。
这不仅涉及到模型本身的精度，还包括数据采集、处理过程中的各种误差。
通过对不确定性的评估，可以更好地理解模型的可靠性，为森林管理提供更科学的决策支持。
未来展望：技术融合与智能化随着技术的不断进步，未来森林监测将朝着技术融合和智能化的方向发展。
无人机（UAV）搭载的小型化LiDAR设备、合成孔径雷达（SAR）以及更高分辨率的光学影像，将为森林监测提供更为丰富和精细的数据源。
林冠对森林培育效果的光合作用及生长特性研究
种子世界2024年第4期总第485期DOI:10.3969/j.issn.1000-8071.2024.04.066引言林冠是森林生态系统中最关键的组成部分，其结构和功能直接影响森林的光合作用和生长特性。
本研究旨在分析林冠对森林培育效果的影响机制，尤其关注光合作用过程和生长特性的变化。
通过深入分析林冠结构，本文旨在为森林管理和培育提供科学依据，以优化森林生态系统的健康和生产力。
1林冠结构林冠结构对森林培育效果的影响是一个复杂而关键的领域。
本节将深入探讨林冠结构的特征，包括林冠的密度与形态、枝叶布局特性以及物种多样性与林冠结构之间的关系。
1.1林冠密度与形态密度指的是林冠中树木的排列密度，而形态涉及树冠的形状和层次。
这两个因素直接影响了光照的分布和强度，进而影响了下层植被的生长和生态系统的功能。
密度较高的林冠会限制更多的光线穿过，使得下层植被接受到的光照较少。
这可能导致下层植被的竞争激烈，因为它们需要争夺有限的光能资源。
高密度的林冠还会减少土壤表面的蒸发和水分蒸散，导致水分供应不足，进而影响森林的水循环。
密度较高的林冠可能对森林生态系统的水分和光合作用产生负面影响；林冠的形态也对光照渗透产生影响。
不同形状和层次的树冠会以不同的方式捕获和分散光线[1]。
例如，圆形的树冠可能更均匀地分散光线，而高大的树冠可能在树冠层中形成较浓的阴影区域。
这些形态差异会导致下层植被的光照条件存在差异，进而影响它们的生长和竞争关系。
1.2枝叶布局特性枝叶的布局特性直接影响着光合作用的效率。
枝叶在林冠中的分布决定了阳光能否有效地被树木吸收和利用：林冠中的树叶通常分布在不同高度和方向上，以最大限度地捕获阳光。
这种分布方式有助于树木充分利用可用的光线资源，提高光合作用效率。
然而，如果树叶的分布不均匀，可能会导致光线透过树冠时出现明显的阴影区域，影响下层植被的光照条件；枝叶的形状和大小也会影响光线的分散和折射。
大叶子以及繁茂的枝叶可能会导致更多的光线被吸收和反射，小叶子及稀疏的枝叶可能会让更多的光线穿透树冠。
利用半球图像法提取植被冠层结构特征参数
利用半球图像法提取植被冠层结构特征参数彭焕华;赵传燕;冯兆东;许仲林【摘要】植被冠层结构深刻地影响着植物群落与环境的相互作用,对植被冠层结构的研究是深入理解植被生态系统格局、过程及其运作机制的重要基础.冠层结构特征参数的快速测量方法是植被冠层结构研究的前提,目前测量方法主要是基于实际测量的地面法,地面法一般费时费力,受人为因素影响较大,因此本文探索利用半球图像法获取植被冠层结构特征参数.通过对半球图像进行几何纠正并建立参数图层,与分类后的植被冠层图层进行运算提取植被冠层结构特征参数.将该方法应用于祁连山旺腰沟流域青海云杉冠层结构特征参数的提取,包括植被冠幅、冠层面积、冠层周长等,结果显示:半球图像法能够较好的提取植被冠层结构特征参数,该方法具有简单、客观、可重复等优点,也可作为植被冠层结构变化的监测方法.【期刊名称】《生态学报》【年(卷),期】2011(031)012【总页数】8页(P3376-3383)【关键词】半球图像;植被冠层;冠幅;冠层面积【作者】彭焕华;赵传燕;冯兆东;许仲林【作者单位】兰州大学西部环境教育部重点实验室,兰州,730000;兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室,兰州,730000;兰州大学西部环境教育部重点实验室,兰州,730000;兰州大学西部环境教育部重点实验室,兰州,730000【正文语种】中文植被冠层是植被与外界环境相互作用最直接和最活跃的界面层，对生态系统物质、能量交换，生物多样性，气候变化等具有重要的影响。
冠层结构是冠层研究的一个重要方面，对植被冠层结构的研究是理解植被生态系统格局、过程及其运作机制的重要基础［1］。
冠层结构是一个很直观的群落外观可视化指标，不仅影响植被截获太阳辐射的程度，还影响到诸如风速、空气温湿度、土壤蒸发量、土壤温度等气候特征，从而调节植物与环境的相互作用，影响动植物生存和生长［2-3］。
对冠层结构特征进行研究，一方面可以反映植物群落长期演变过程的变化特征，对理解植物许多生态过程是非常重要的［4］，另一方面冠层结构特征参数又是许多生物-大气过程模型的重要输入参数。
森林植被滞尘功能研究进展
森林植被滞尘功能研究进展单燕祥;冯万富;柳勇【摘要】森林植被吸滞粉尘、净化环境空气功能是当前城市大气污染防治研究的热点和难点问题之一.在广泛查阅文献资料的基础上,综述了国内外森林植被滞尘功能研究进展,分析了植物滞尘机理以及植物滞尘功能的调查和评价方法,并对森林植被滞尘功能应用前景进行了展望.对城市空气污染防治工作具有一定的指导意义.【期刊名称】《河南林业科技》【年(卷),期】2018(038)004【总页数】4页(P35-38)【关键词】森林植被;滞尘功能;研究进展;机理分析【作者】单燕祥;冯万富;柳勇【作者单位】信阳市林业科学研究所,河南信阳464000;信阳市林业科学研究所,河南信阳464000;信阳市林业科学研究所,河南信阳464000【正文语种】中文【中图分类】S718.5随着中国经济的快速发展，城市化进程加快，城市环境污染已成为社会关注的热点问题，特别是大气颗粒物已成为许多城市空气的主要污染物。
大气颗粒物是悬浮在空气中的微小固体和液滴的混合物，是雾、烟和空气粉尘的主要成分。
这些灰尘积聚重金属，携带致癌物质和细菌病毒等有害物质，严重危害人体健康[1]。
减少空气污染物的主要途径，一是改变能源结构，控制污染源排放；二是植树，通过植物的吸收和阻滞等作用来净化空气。
植树造林防治空气污染被认为是当前最经济有效的手段，进而在城市空气污染防治中得到广泛应用。
森林植被能够增加地表面粗糙度并降低风速。
其净化大气主要途径：通过滞留、附着和粘附等方式进行滞尘；粉尘在植物叶片表面滞留一段时间后，再通过降水的淋洗，植物重新恢复吸附粉尘的能力，从而实现滞尘功能，其滞尘作用具有一定的“可塑性”[2]。
当携带粉尘的空气流过林木树冠时，部分粉尘被树叶阻挡而降落在地面，部分吸附在枝叶表面。
降雨期间，滞留在枝叶表面的部分粉尘被雨水冲走；起风时，有的粉尘会重回空气中。
不同植物的滞尘能力和积尘量也有差异，植物冠层表面积、叶片表面特性及湿润性决定植物的滞尘能力。
林木冠层结构量化干预研究
林木冠层结构量化干预研究林木冠层是森林生态系统的核心，林木冠层结构对森林生态系统的生物多样性、生产力、碳循环和生态系统稳定性等生态功能具有重要的影响。
因此，了解林木冠层结构特征、变化规律，并进行针对性的干预措施，对于森林生态系统的生态修复和管理具有极其重要的意义。
林木冠层结构的特征和变化规律主要与环境条件、物种特性和干扰因素等因素密切相关。
其中，环境条件包括气候、土壤、水分等因素，这些因素对林木生长的影响直接反映在林木冠层结构的形态、空间分布和层次结构等方面。
物种特性是林木间存在显著差异的另一个因素，不同物种的林木冠层结构具有不同的形态和空间分布。
干扰因素是影响林木冠层结构变化的另一个重要因素，包括人类活动、自然灾害、疾病和群落演替等因素。
针对林木冠层结构的变化规律和影响因素，开展针对性的干预措施是森林生态系统管理的必要手段之一。
干预措施包括理论研究和实践应用两个方面。
理论研究方面，开展林木冠层结构的数量级、形态和空间分布特征的定量研究，深入分析林木冠层结构特征与环境因素、物种特性和干扰因素的关系，以促进对林木冠层结构变化规律的深入理解。
同时，结合植被物理学、植物生理学等多学科交叉研究，确定林木冠层结构的模型并建立其模拟程序，加强对林木冠层结构数量化模拟和预测的能力。
实践应用方面，根据林木冠层结构变化规律和影响因素，开展针对性的干预措施，包括营养和生长调控、林下开荒、人工造林、群落抚育和重建等。
其中，营养和生长调控是改善林木冠层结构的有效手段之一，通过合理施肥、配合适量水分等手段，调控林木生长，达到优化林木冠层结构的效果。
林下开荒能够增加林木之间的空间距离，降低林木之间的竞争，利于林木的生长和发展；人工造林能够增加森林植被覆盖率和生物多样性，促进森林生态系统的恢复和发展；群落抚育和重建可以重塑森林生态系统，促进该生态系统的稳定性和生产力的提升。
综上所述，针对林木冠层结构的变化规律和影响因素开展数量化干预研究，是促进森林生态系统发展和管理的必要途径。
青海大通典型林分冠层结构与林下植被物种多样性关系研究
青海大通典型林分冠层结构与林下植被物种多样性关系研究王莉;林莎;李远航;陈梦飞;贺康宁【摘要】为探究青海高寒山区典型林分冠层结构与林内光环境中维持林下植被物种多样性稳定的关键因素,该研究以青海大通县青海云杉林(Ⅰ)、青杨林(Ⅱ)、华北落叶松-青海云杉混交林(Ⅲ)、青杨-白桦混交林(Ⅳ)和白桦-青海云杉混交林(Ⅴ)5种典型人工林分为研究对象,运用冠层分析仪采集数据,并结合实地调查,研究冠层结构与林内光环境特征及其对林下植被的影响.结果表明:(1)林分Ⅰ、Ⅲ的林冠开度显著低于林分Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ (P＜0.05),各林分叶面积指数大小顺序为Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅴ＞Ⅳ,总体表现为阔叶林的林冠开度大于针叶林,但其叶面积指数小于针叶林;林分Ⅱ、Ⅳ的直射辐射、散射辐射及总辐射均显著高于林分Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ (P＜0.05),其中林下总辐射与散射辐射表现为Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅰ＞Ⅲ,直射辐射为Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅴ;林分Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ的消光系数均显著高于Ⅰ、Ⅲ,总体上均表现为阔叶林＞针叶林.(2)相关分析结果表明,林冠开度与林下光照指标呈极显著正相关关系(P＜0.01),叶面积指数与林下光照指标呈极显著负相关关系(P＜0.01),且其对林下散射辐射的控制能力最强;典型相关分析表明,纯林的林冠开度对冠层结构的贡献和解释能力较叶面积指数和平均叶倾角大,混交林的叶面积指数对林下光照的影响大于纯林.(3)混交林的林下物种多样性指数(H)及丰富度指数(P)均高于纯林;林下草本层物种多样性指数(H)及丰富度指数(P)与林冠开度及林下光辐射呈显著正相关关系,与叶面积指数呈显著负相关关系(P＜0.05);物种均匀度(Jsw)与平均叶倾角呈极显著负相关关系(P＜0.01),与林下散射辐射呈显著正相关关系(P＜0.05).研究认为,在人工纯林改造和结构调整中,对乔木层适当补植伴生树种,并逐步调整为多树种混交林,增加冠层结构和林下光照异质性,将更有利于林下植被物种多样性的维持.【期刊名称】《西北植物学报》【年(卷),期】2019(039)003【总页数】10页(P524-533)【关键词】人工林;冠层结构;林内光环境;林下植被;物种多样性【作者】王莉;林莎;李远航;陈梦飞;贺康宁【作者单位】北京林业大学水土保持学院,国家林业局水土保持重点实验室,北京市水土保持工程技术研究中心,林业生态工程教育部工程研究中心,北京100083;北京林业大学水土保持学院,国家林业局水土保持重点实验室,北京市水土保持工程技术研究中心,林业生态工程教育部工程研究中心,北京100083;北京林业大学水土保持学院,国家林业局水土保持重点实验室,北京市水土保持工程技术研究中心,林业生态工程教育部工程研究中心,北京100083;北京林业大学水土保持学院,国家林业局水土保持重点实验室,北京市水土保持工程技术研究中心,林业生态工程教育部工程研究中心,北京100083;北京林业大学水土保持学院,国家林业局水土保持重点实验室,北京市水土保持工程技术研究中心,林业生态工程教育部工程研究中心,北京100083【正文语种】中文【中图分类】Q948.12;Q948.15+7林冠是森林与外界能量流动和物质交换的界面[1-2]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
森林冠层结构与功能及其时空变化研究进展*李德志1 臧润国2(1华东师范大学环境科学系,上海200062;2中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京100091)摘要 林冠是森林与外界环境相互作用最直接和最活跃的界面层,同时,它本身又承载了森林生物多样性的主体部分。
森林冠层研究的方法和技术在近些年取得了长足发展,从而促进了有关林冠结构与功能的研究。
这些研究深化了人们对于林冠结构与光能截获以及群落干物质积累之间关系的认识,同时,对于森林冠层的物质循环和能量传输以及冠层内各营养级之间相互关系动态也有了更为深入的理解。
考察森林冠层的结构与功能及其时空变化是深入理解整个森林生态系统的格局、过程及其运作机制的重要基础。
关键词 林冠 功能 机制 格局 结构The Research Advances on the Structure and Function of Forest Canopy,as well as Their Temporal and Spatial ChangesLi Dezhi1 Zang Runguo2(1D epar tment o f Env ir onmental Science,East China No rma l U niv ersity,Sha ng hai200062;2R esear ch Inst itute of F or est Ecolog y,Env ir onment and P r otectio n,Chinese Academy o f Fo restr y,Beijing100091)Abstract Fo rest canopy is regarded as a m ost direct and active interface betw een the for est and its outer env ironment.At the meantime,it also contains the m ain part of the forest biodiv ersity.The methods and techniques fo r studying forest canopy hav e progr essed g reatly in the recent years,w hich prom oted the r esearches on the forest canopy structur e and function.T hese re-searches deepened the reco gnition on the relationships between the for est canopy,light capture and dry matter accumulatio n within the co mmunity,and also,deepened the understanding of the material cycle,energy flo w and the dynamics of interrelations am ong the trophic levels w ithin the canopy.The studies on the fo rest canopy structure and function as w ell as their temporal spatial changes are the bases fo r deep understanding the pattern,process and mechanism o f w hole forest ecosystem.Key words:canopy,function,m echanism,pattern,structur e1 引言植物的冠型是植物用以适应环境和提高整体光合效能所采取的一种生态对策。
具有不同的生态习性或生长在不同类型生境中的植物,其冠型结构特征往往会表现出很大的不同。
例如,生长在开阔地的树木一般倾向于形成扩散型的多层冠型结构(叶片散布于冠层的内外);而生长在庇荫环境中的树木则倾向于形成单一而连续的冠层(叶片多集中于冠层的外部)[21]。
传统的植物形态学研究侧重于对植被冠层进行定性描述,并主要以单株植物为研究对象。
随着现代测量技术手段的发展,在植物群体冠型结构的研究方面已经取得了长足进步。
森林是地球表面上生物量最为庞大的植被类型,同时,森林冠层的生物多样性也构成了地球生物多样性的主要部分,森林生态系统中具有光合活性的叶层系统也基本囊括其间[25]。
因此,林冠研究不仅有利于深入了解森林生态系统的运作机制,也有利于合理培育和经营森林群落。
林冠的研究典型地包括4个组织层次,即器官(叶、茎、枝)、植株、林分和群落[40]。
林冠生物学是森林科学中的一个新兴学科,它包括固着的和运动的生物的研究,以及它们与生态群落相联系的过程[29,30]。
有关森林冠层的生态学研究起步相对较晚,并且最初基本上是以描述性的研究为主。
随着一些新的研究方法的不断问世,生态学家们终于能够采用更加便捷、有效和数量化的方法进行林冠方面的研第17卷 第3期2004年6月 世 界 林 业 研 究World Forestry ResearchVol.17 No.3J un.2004本研究得到上海市生态学重点学科、华东师范大学211工程项目以及国家自然科学基金项目(No.30370245)的资助。
收稿日期:2004-02-20究。
林冠研究受到生境内的时间与空间因素的限制,它包括(1)林冠生物对于树冠内部几何空间的差异性利用;(2)基质的异质性;(3)冠层内的树木龄级变化;(4)冠层与大气界面的微气候变化;(5)各类生物的高度多样性(其中很多生物至今仍然未被命名或发现);(6)定量化研究林冠的通用规程的缺乏[29]。
近些年来,林冠实测技术已经得到长足发展,并且以此为基础,已经大大深化了人类对于森林冠层诸多内在过程和机制的理解程度。
更为重要的是,标准化的研究方法的采用正在把冠层研究从传统的描述性科学发展为更加严格和定量化的科学,并且一些更为深刻、中肯的假说已经应运而生并正在接受实证检验。
森林的冠层几何学特征不仅直接影响森林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。
森林冠层结构不仅与组分植物种群自身的生长发育特性密切相关,而且还会影响到与植物群落相伴生的其它生物种群(如动物和微生物种群等)的动态特征,乃至森林生态系统的食物链结构。
因此,森林冠层的结构与功能密切相关,这一方面的研究在整个森林生态系统研究中也占有十分重要的地位。
2 森林冠层研究方法的新进展最早的林冠研究多半是盲人摸象式的,即通过可以获得的下层枝叶的样本资料来推断上层乃至整个林冠的结构。
虽然也可以通过望远镜对上层林冠的形态和结构,以及哺乳动物或者鸟类的行为等进行直接观察[30],但毕竟难以进行近距离的准确测量。
正因为如此,长期以来,林冠生态学家们一直在尝试各种可以抵达林冠上层进行实测研究的方法。
如利用伸向林冠深处的藤本植物攀援而上,进行上层林冠的实测研究;或者通过培训灵巧的猴子来完成摘取冠层枝叶样本的任务;或者利用热气球、摘棉机或超轻便小型飞机等工具来完成对上层林冠的取样等。
然而,在研究方法的可靠性,研究者本身的安全性,以及在获取数据资料的准确性方面,尚需针对具体情况作具体分析。
最近的一些研究方法使得设施的安全性和数据的精确性大为提高,并且使研究人员之间的互助与合作程度也得以增加,从而使得林冠研究的领域大为拓宽[19,30]。
在冠层研究方面的一个最为重要的进展,表现在用于实测林冠的更为可靠的硬件设施的改进。
很多的研究设备都是可以携带的或移动的,从而使研究进行得更为便捷而高效。
例如,用于测定整个树冠光合作用的仪器设备已经可以非常方便地由一个研究者操纵,并通过升降绳索进行移动和测量。
林冠研究不仅在仪器设备方面得到了改进,而且在测量精度方面也得到了提高。
研究者不仅能够更加高效地进行各类取样或实测,也可以相互合作完成更加复杂的任务。
树冠最上层表面的不规则性和异质性可以通过图形学的方法加以描绘,并且这种冠层变化的大部分原因可以归结于森林中组成树种的多样性。
籍助于冠层升降机和更为复杂的工具,研究者们已经可以深入考察巴拿马热带森林的冠层表面的结构特征[35]。
一些用于定量化研究林冠表面的结构特征的新技术包括半球形摄影技术[39]、遥感技术[3,23]、三维X射线断层摄影技术[42]以及分形的方法[44]等。
对于林冠层中较大型的鸟类等生物种群的研究,已经可以采用超轻型飞机[30]或者无线电跟踪的方法[8]进行观测。
森林冠层研究是一项复杂而浩大的工程,它不仅需要多学科众多科学家的密切配合,而且需要进行长期而艰苦的定位观测。
长期定位观测,是用于克服以短期的和局域的取样或观测资料推测长期和全局的演化结果而可能造成的误差的最为准确而有效的办法。
最近几年,在全球范围内,相继建立了30余处大型的林冠研究定位站,并以热带雨林为中心区域星罗棋布分布在世界各地。
热带森林的多样性特征及其生态系统的维持机制正在受到全球关注[9]。
装备升降设备和永久性的观测平台或冠层步道的林冠研究站在美国和中美洲的一些热带森林地区已建有多处。
通过在加拿大温哥华岛的卡玛纳谷所建造的冠层步道,得以近距离地观测和研究原始的针叶林冠层的复杂结构,并且通过调查得知冠层内节肢动物多样性非常之高,它表明原始针叶林结构复杂的冠层生境可能是温带生物多样性的重要源库。
通过这种方法,使得昆虫或鸟类与林冠层植物间的相互作用等许多方面的研究也成为可能,从而使温带森林生态系统的功能研究得到进一步深化(如在美国的几个定位观测站开展的相关研究)[38,41]。
3 森林冠层结构及其时空变化Hal 等[18]深入研究了树木生长模型,并且把树冠定义为整个林冠的可重复的构筑(architecture)单位。
最近的一些观察和研究表明,这些共同组成了13第3期 李德志 臧润国:森林冠层结构与功能及其时空变化研究进展 整个林冠的构筑单位,在生长和生殖等活动方面并非同步,并且,随着树冠最上层小气候严酷性的增加,树冠的形态多样性趋于下降[30]。
描述树冠形态的几何学参数包括冠型、分枝特征、叶片形状、大小、光学特性、排列方位以及生理扩散阻力等[2]。
北涤和星川[2]提出用“株型”和“长相”来描述各种农作物的冠层形态特征。
这种方法对于冠型复杂的林木而言虽不完全适用,但也具有借鉴意义。