測定植物遮陰效果

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

輻射傳輸模型以及葉菲莫娃表達式等進行模擬計算。在農(nóng)林復合系統(tǒng)有關(guān)遮陰指標的研究中，主要利用不同透光率的遮陰網(wǎng)覆蓋，對間作作物光合特性和產(chǎn)量性狀進行分析，以及太陽高度和方位角以樹高、冠幅為基礎推算遮陰范圍。但是，對于樹冠遮陰范圍實際測量基礎上時空分布的研究，由于果樹實體下地面平整度低、果樹間相互影響等原因，使得遮陰范圍的研究較困難。因此，筆者在太陽照射地球的光線是平行光的前提下，采用相似性原理，通過實測遮陰范圍與理論遮陰范圍（依據(jù)太陽高度角與方位角推導）的對比分析，優(yōu)化理論遮陰范圍表達式參數(shù)，以期指導農(nóng)林復合系統(tǒng)間作期間間作作物的種植和蘋果樹種植的配置方式，從而達到果農(nóng)復合效益最優(yōu)。題目果樹樹冠遮陰模型的改進關(guān)鍵詞果農(nóng)間作系統(tǒng)；果樹樹冠；遮陰范圍；遮陰模型；相似性原理目的農(nóng)林復合系統(tǒng)林下太陽輻射作為間作作物光合作用的能量來源，直接影響著間作作物的生態(tài)過程和生產(chǎn)力水平。研究果農(nóng)間作系統(tǒng)內(nèi)果樹的遮陰范圍和遮陰強度對果農(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，將果樹按其樹體縮小50倍，根據(jù)實測蘋果樹體形狀制作不同齡級的蘋果樹3D模型，利用樹體模型在研究區(qū)進行了果樹遮陰范圍的測定試驗。將實測得到的樹冠遮陰范圍與依據(jù)太陽高度角和太陽方位角推算出的單株蘋果樹冠遮陰范圍進行對比分析，對樹冠遮陰范圍表達式各參數(shù)進行優(yōu)化?！鴪D1太陽光下蘋果樹樹冠的遮陰確定1.果樹模型構(gòu)建在太陽光下通過果樹樹體模型形成的陰影確定實果果樹遮陰范圍。果樹模型作為實驗材料，是以實驗樣地的蘋果樹作為研究對象。選取研研區(qū)的4、5、6年生各1000株果樹進行模型參數(shù)的測定，隨后，在Rhino5專業(yè)3D造型軟件中，利用測定的模型參數(shù)進行蘋果樹三維模型的構(gòu)建。具體操作如下：1）對研究區(qū)選取的果樹進行拍照和基本特征的測量;2）利用果樹照片獲取果樹樹冠的外形輪廓。通過對多株果樹樹冠輪廓的綜合分析，以及測定的實驗地蘋果樹的基本特征參數(shù)（表1），在Rhino5

中進行蘋果樹體模型構(gòu)建。最終，利用3D打印技術(shù)制作蘋果樹體模型。▼表1蘋果樹的基本特征參數(shù)結(jié)果通過實測樹冠遮陰范圍與模型得出的樹冠范圍的對比分析，結(jié)果表明實測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方位角和太陽高度角對果樹遮陰范圍的影響，但是，當太陽光線接觸果樹冠層后會出現(xiàn)偏移未被考慮。因此，對現(xiàn)有的果樹遮陰模型進行優(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冠遮陰范圍，與實測遮陰范圍的重合率均達到94％。

1.單株蘋果樹冠投影坐標表達式樹體被放置在三維坐標系中，以北為

Y

軸正方向，以東為

X

軸正方向，圓柱形樹干底部圓心處坐標為（0，0，0）。假設點

Q

（X，Y，Z）為蘋果樹樹冠上任意一點，其投影坐標為Q'（X

1，Y

1）。太陽光下蘋果樹樹冠的投影坐標確定如圖1?！鴪D1太陽光下蘋果樹樹冠的投影坐標確定2.單株蘋果樹冠投影遮陰區(qū)域模擬效果應用理論推導的樹冠投影計算公式得出樹冠投影坐標，并繪制出4、5、6年生蘋果樹理論樹冠遮陰區(qū)域。將其與處理的4、5、6年生實測繪制圖進行比較，得到蘋果樹樹冠遮陰范圍隨時間變化的實測與理論曲線比較如圖2

所示。根據(jù)理論圖和實測圖的對比分析，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考慮在內(nèi)。林木冠層在太陽光照下形成的投影，受圓面張角的影響，投影邊界會發(fā)生形變，從而導致投影面積的縮小，投影位置發(fā)生偏移。這表明傳統(tǒng)利用太陽高度角（h）和太陽方位角（A）計算所得的理論圖與蘋果樹樹冠隨時間變化的實測圖相比，存在一定程度的偏移和縮小，依據(jù)太陽高度角和太陽方位角得出的林木冠層遮陰范圍與實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高度角和太陽方位角的影響，還應將太陽光接觸冠層后的冠層半陰影效應考慮在內(nèi)。▲圖2不同年齡蘋果樹單株樹冠遮陰范圍隨時間變化的實測與理論值比較3.樹冠遮陰范圍理論值的修正利用MATLAB分別提取4、5、6年生樹體實測遮陰圖輪廓坐標，推算出修正高度角和修正方位角，并對修正高度角（h

1）和修正方位角（A

1）分別與太陽高度角（h）和太陽方位角（A）進行相關(guān)分析，得出修正高度角與太陽高度角的擬合圖，以及修正方位角和太陽方位角擬合圖（圖3）?！鴪D3修正高度角和太陽高度角及修正方位角和太陽方位角的擬合圖4.遮陰范圍實測值與修正理論值對比分析經(jīng)擬合修正后的蘋果樹冠層遮陰坐標修正理論關(guān)式，繪制出8：00-17：00內(nèi)樹冠遮陰范圍隨時間（間隔1h）的變化圖，與實測圖進行比較。得出擬合修正后的圖形與實測圖的重合率均達到94％以上（圖4）。說明4、5、6年生單株蘋果樹樹冠實測投影與修正參數(shù)后理論投影的擬合效果較好。由圖4

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

Y

軸方向略向下移。樹冠的投影在某一區(qū)域出現(xiàn)長時間持久遮陰部分稱為重復遮陰區(qū)域。重復遮陰區(qū)域主要出現(xiàn)在每天10：00-15：00，由于重復遮陰區(qū)域會阻擋光合輻射的進入從而不利于作物的生長，故種植時應避開重復遮陰區(qū)域。▲圖4不同年齡蘋果樹樹冠遮陰范圍日變化的實測與修正理論值比較結(jié)論改進后的樹冠遮光數(shù)學模型能夠較準確地模擬實際樹冠的遮陰范圍。?引文格式：[1]王晶晶,畢華興*,孫于卜,等.果樹樹冠遮陰模型的改進[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版),2018,42(05):135-140.DOI:10.3969/j.issn.1000-2006.201711049

WANGJJ,BIHX,SUN