測(cè)定植物遮陰效果

測(cè)定植物遮陰效果目前農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)種間關(guān)系的研究主要集中在物種間水分、養(yǎng)分、光照的競(jìng)爭(zhēng)與互補(bǔ)，以及物種間化感作用等方面。多數(shù)研究者認(rèn)為，在干旱、半干旱及半濕潤(rùn)的黃土高原區(qū)，協(xié)調(diào)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)種間關(guān)系的關(guān)鍵是解決種間水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)。實(shí)際上，在影響植物生長(zhǎng)和發(fā)育的環(huán)境因子中，太陽(yáng)輻射的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化程度是最大影響因素，尤其是在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)林下太陽(yáng)輻射作為間作作物光合作用的能量來(lái)源，直接影響著間作作物的生態(tài)過(guò)程和生產(chǎn)力水平。在光環(huán)境下，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)經(jīng)太陽(yáng)輻射的吸收、反射、透射等作用，會(huì)改變林下太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度和分布范圍，對(duì)間作作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響。因此，需要研究光環(huán)境下農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度和遮陰指標(biāo)。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響，可通過(guò)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度儀測(cè)定進(jìn)行分析，也可通過(guò)Beer定律、Ross

輻射傳輸模型以及葉菲莫娃表達(dá)式等進(jìn)行模擬計(jì)算。在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)有關(guān)遮陰指標(biāo)的研究中，主要利用不同透光率的遮陰網(wǎng)覆蓋，對(duì)間作作物光合特性和產(chǎn)量性狀進(jìn)行分析，以及太陽(yáng)高度和方位角以樹(shù)高、冠幅為基礎(chǔ)推算遮陰范圍。但是，對(duì)于樹(shù)冠遮陰范圍實(shí)際測(cè)量基礎(chǔ)上時(shí)空分布的研究，由于果樹(shù)實(shí)體下地面平整度低、果樹(shù)間相互影響等原因，使得遮陰范圍的研究較困難。因此，筆者在太陽(yáng)照射地球的光線是平行光的前提下，采用相似性原理，通過(guò)實(shí)測(cè)遮陰范圍與理論遮陰范圍（依據(jù)太陽(yáng)高度角與方位角推導(dǎo)）的對(duì)比分析，優(yōu)化理論遮陰范圍表達(dá)式參數(shù)，以期指導(dǎo)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)間作期間間作作物的種植和蘋(píng)果樹(shù)種植的配置方式，從而達(dá)到果農(nóng)復(fù)合效益最優(yōu)。題目果樹(shù)樹(shù)冠遮陰模型的改進(jìn)關(guān)鍵詞果農(nóng)間作系統(tǒng)；果樹(shù)樹(shù)冠；遮陰范圍；遮陰模型；相似性原理目的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)林下太陽(yáng)輻射作為間作作物光合作用的能量來(lái)源，直接影響著間作作物的生態(tài)過(guò)程和生產(chǎn)力水平。研究果農(nóng)間作系統(tǒng)內(nèi)果樹(shù)的遮陰范圍和遮陰強(qiáng)度對(duì)果農(nóng)間作系統(tǒng)配置及間作距離的確定具有重要的意義。方法遵循平行光線下的相似性原理，將果樹(shù)按其樹(shù)體縮小50倍，根據(jù)實(shí)測(cè)蘋(píng)果樹(shù)體形狀制作不同齡級(jí)的蘋(píng)果樹(shù)3D模型，利用樹(shù)體模型在研究區(qū)進(jìn)行了果樹(shù)遮陰范圍的測(cè)定試驗(yàn)。將實(shí)測(cè)得到的樹(shù)冠遮陰范圍與依據(jù)太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角推算出的單株蘋(píng)果樹(shù)冠遮陰范圍進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)樹(shù)冠遮陰范圍表達(dá)式各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。▲圖1太陽(yáng)光下蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠的遮陰確定1.果樹(shù)模型構(gòu)建在太陽(yáng)光下通過(guò)果樹(shù)樹(shù)體模型形成的陰影確定實(shí)果果樹(shù)遮陰范圍。果樹(shù)模型作為實(shí)驗(yàn)材料，是以實(shí)驗(yàn)樣地的蘋(píng)果樹(shù)作為研究對(duì)象。選取研研區(qū)的4、5、6年生各1000株果樹(shù)進(jìn)行模型參數(shù)的測(cè)定，隨后，在Rhino5專業(yè)3D造型軟件中，利用測(cè)定的模型參數(shù)進(jìn)行蘋(píng)果樹(shù)三維模型的構(gòu)建。具體操作如下：1）對(duì)研究區(qū)選取的果樹(shù)進(jìn)行拍照和基本特征的測(cè)量;2）利用果樹(shù)照片獲取果樹(shù)樹(shù)冠的外形輪廓。通過(guò)對(duì)多株果樹(shù)樹(shù)冠輪廓的綜合分析，以及測(cè)定的實(shí)驗(yàn)地蘋(píng)果樹(shù)的基本特征參數(shù)（表1），在Rhino5

中進(jìn)行蘋(píng)果樹(shù)體模型構(gòu)建。最終，利用3D打印技術(shù)制作蘋(píng)果樹(shù)體模型。▼表1蘋(píng)果樹(shù)的基本特征參數(shù)結(jié)果通過(guò)實(shí)測(cè)樹(shù)冠遮陰范圍與模型得出的樹(shù)冠范圍的對(duì)比分析，結(jié)果表明實(shí)測(cè)圖與模型推算圖相比，存在偏移和縮小。此現(xiàn)象主要是由于模型推算圖僅考慮太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角對(duì)果樹(shù)遮陰范圍的影響，但是，當(dāng)太陽(yáng)光線接觸果樹(shù)冠層后會(huì)出現(xiàn)偏移未被考慮。因此，對(duì)現(xiàn)有的果樹(shù)遮陰模型進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化后的修正方位角和修正高度角推算得出的修正樹(shù)冠遮陰范圍，與實(shí)測(cè)遮陰范圍的重合率均達(dá)到94％。

1.單株蘋(píng)果樹(shù)冠投影坐標(biāo)表達(dá)式樹(shù)體被放置在三維坐標(biāo)系中，以北為

Y

軸正方向，以東為

X

軸正方向，圓柱形樹(shù)干底部圓心處坐標(biāo)為（0，0，0）。假設(shè)點(diǎn)

Q

（X，Y，Z）為蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠上任意一點(diǎn)，其投影坐標(biāo)為Q'（X

1，Y

1）。太陽(yáng)光下蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠的投影坐標(biāo)確定如圖1?！鴪D1太陽(yáng)光下蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠的投影坐標(biāo)確定2.單株蘋(píng)果樹(shù)冠投影遮陰區(qū)域模擬效果應(yīng)用理論推導(dǎo)的樹(shù)冠投影計(jì)算公式得出樹(shù)冠投影坐標(biāo)，并繪制出4、5、6年生蘋(píng)果樹(shù)理論樹(shù)冠遮陰區(qū)域。將其與處理的4、5、6年生實(shí)測(cè)繪制圖進(jìn)行比較，得到蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠遮陰范圍隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)與理論曲線比較如圖2

所示。根據(jù)理論圖和實(shí)測(cè)圖的對(duì)比分析，理論圖出現(xiàn)統(tǒng)一的偏移和縮小現(xiàn)象，這是由于林木冠層投影理論圖未將冠層半陰影效應(yīng)考慮在內(nèi)。林木冠層在太陽(yáng)光照下形成的投影，受圓面張角的影響，投影邊界會(huì)發(fā)生形變，從而導(dǎo)致投影面積的縮小，投影位置發(fā)生偏移。這表明傳統(tǒng)利用太陽(yáng)高度角（h）和太陽(yáng)方位角（A）計(jì)算所得的理論圖與蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)圖相比，存在一定程度的偏移和縮小，依據(jù)太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角得出的林木冠層遮陰范圍與實(shí)際林木遮陰范圍之間存在誤差。因此，林木冠層遮陰范圍的理論算法不僅要考慮太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的影響，還應(yīng)將太陽(yáng)光接觸冠層后的冠層半陰影效應(yīng)考慮在內(nèi)?！鴪D2不同年齡蘋(píng)果樹(shù)單株樹(shù)冠遮陰范圍隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)與理論值比較3.樹(shù)冠遮陰范圍理論值的修正利用MATLAB分別提取4、5、6年生樹(shù)體實(shí)測(cè)遮陰圖輪廓坐標(biāo)，推算出修正高度角和修正方位角，并對(duì)修正高度角（h

1）和修正方位角（A

1）分別與太陽(yáng)高度角（h）和太陽(yáng)方位角（A）進(jìn)行相關(guān)分析，得出修正高度角與太陽(yáng)高度角的擬合圖，以及修正方位角和太陽(yáng)方位角擬合圖（圖3）?！鴪D3修正高度角和太陽(yáng)高度角及修正方位角和太陽(yáng)方位角的擬合圖4.遮陰范圍實(shí)測(cè)值與修正理論值對(duì)比分析經(jīng)擬合修正后的蘋(píng)果樹(shù)冠層遮陰坐標(biāo)修正理論關(guān)式，繪制出8：00-17：00內(nèi)樹(shù)冠遮陰范圍隨時(shí)間（間隔1h）的變化圖，與實(shí)測(cè)圖進(jìn)行比較。得出擬合修正后的圖形與實(shí)測(cè)圖的重合率均達(dá)到94％以上（圖4）。說(shuō)明4、5、6年生單株蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠實(shí)測(cè)投影與修正參數(shù)后理論投影的擬合效果較好。由圖4

可以看出，樹(shù)冠的投影日變化軌跡是一個(gè)不等寬的弧帶分布。1天內(nèi)，13：00-17：00時(shí)段相比8：00-12：00時(shí)段，樹(shù)冠遮陰區(qū)域在

Y

軸方向略向下移。樹(shù)冠的投影在某一區(qū)域出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間持久遮陰部分稱為重復(fù)遮陰區(qū)域。重復(fù)遮陰區(qū)域主要出現(xiàn)在每天10：00-15：00，由于重復(fù)遮陰區(qū)域會(huì)阻擋光合輻射的進(jìn)入從而不利于作物的生長(zhǎng)，故種植時(shí)應(yīng)避開(kāi)重復(fù)遮陰區(qū)域?！鴪D4不同年齡蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠遮陰范圍日變化的實(shí)測(cè)與修正理論值比較結(jié)論改進(jìn)后的樹(shù)冠遮光數(shù)學(xué)模型能夠較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際樹(shù)冠的遮陰范圍。?引文格式：[1]王晶晶,畢華興*,孫于卜,等.果樹(shù)樹(shù)冠遮陰模型的改進(jìn)[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,42(05):135-140.DOI:10.3969/j.issn.1000-2006.201711049

WANGJJ,BIHX,SUN