测定植物遮阴效果

测定植物遮阴效果目前农林复合系统种间关系的研究主要集中在物种间水分、养分、光照的竞争与互补，以及物种间化感作用等方面。多数研究者认为，在干旱、半干旱及半湿润的黄土高原区，协调农林复合系统种间关系的关键是解决种间水分和养分的竞争。实际上，在影响植物生长和发育的环境因子中，太阳辐射的时空动态变化程度是最大影响因素，尤其是在农林复合系统中。农林复合系统林下太阳辐射作为间作作物光合作用的能量来源，直接影响着间作作物的生态过程和生产力水平。在光环境下，农林复合系统复杂的群落结构经太阳辐射的吸收、反射、透射等作用，会改变林下太阳辐射的强度和分布范围，对间作作物的产量和品质产生影响。因此，需要研究光环境下农林复合系统太阳辐射的强度和遮阴指标。农林复合系统中太阳辐射强度的影响，可通过太阳辐射强度仪测定进行分析，也可通过Beer定律、Ross

辐射传输模型以及叶菲莫娃表达式等进行模拟计算。在农林复合系统有关遮阴指标的研究中，主要利用不同透光率的遮阴网覆盖，对间作作物光合特性和产量性状进行分析，以及太阳高度和方位角以树高、冠幅为基础推算遮阴范围。但是，对于树冠遮阴范围实际测量基础上时空分布的研究，由于果树实体下地面平整度低、果树间相互影响等原因，使得遮阴范围的研究较困难。因此，笔者在太阳照射地球的光线是平行光的前提下，采用相似性原理，通过实测遮阴范围与理论遮阴范围（依据太阳高度角与方位角推导）的对比分析，优化理论遮阴范围表达式参数，以期指导农林复合系统间作期间间作作物的种植和苹果树种植的配置方式，从而达到果农复合效益最优。题目果树树冠遮阴模型的改进关键词果农间作系统；果树树冠；遮阴范围；遮阴模型；相似性原理目的农林复合系统林下太阳辐射作为间作作物光合作用的能量来源，直接影响着间作作物的生态过程和生产力水平。研究果农间作系统内果树的遮阴范围和遮阴强度对果农间作系统配置及间作距离的确定具有重要的意义。方法遵循平行光线下的相似性原理，将果树按其树体缩小50倍，根据实测苹果树体形状制作不同龄级的苹果树3D模型，利用树体模型在研究区进行了果树遮阴范围的测定试验。将实测得到的树冠遮阴范围与依据太阳高度角和太阳方位角推算出的单株苹果树冠遮阴范围进行对比分析，对树冠遮阴范围表达式各参数进行优化。▲图1太阳光下苹果树树冠的遮阴确定1.果树模型构建在太阳光下通过果树树体模型形成的阴影确定实果果树遮阴范围。果树模型作为实验材料，是以实验样地的苹果树作为研究对象。选取研研区的4、5、6年生各1000株果树进行模型参数的测定，随后，在Rhino5专业3D造型软件中，利用测定的模型参数进行苹果树三维模型的构建。具体操作如下：1）对研究区选取的果树进行拍照和基本特征的测量;2）利用果树照片获取果树树冠的外形轮廓。通过对多株果树树冠轮廓的综合分析，以及测定的实验地苹果树的基本特征参数（表1），在Rhino5

中进行苹果树体模型构建。最终，利用3D打印技术制作苹果树体模型。▼表1苹果树的基本特征参数结果通过实测树冠遮阴范围与模型得出的树冠范围的对比分析，结果表明实测图与模型推算图相比，存在偏移和缩小。此现象主要是由于模型推算图仅考虑太阳方位角和太阳高度角对果树遮阴范围的影响，但是，当太阳光线接触果树冠层后会出现偏移未被考虑。因此，对现有的果树遮阴模型进行优化，经优化后的修正方位角和修正高度角推算得出的修正树冠遮阴范围，与实测遮阴范围的重合率均达到94％。

1.单株苹果树冠投影坐标表达式树体被放置在三维坐标系中，以北为

Y

轴正方向，以东为

X

轴正方向，圆柱形树干底部圆心处坐标为（0，0，0）。假设点

Q

（X，Y，Z）为苹果树树冠上任意一点，其投影坐标为Q'（X

1，Y

1）。太阳光下苹果树树冠的投影坐标确定如图1。▲图1太阳光下苹果树树冠的投影坐标确定2.单株苹果树冠投影遮阴区域模拟效果应用理论推导的树冠投影计算公式得出树冠投影坐标，并绘制出4、5、6年生苹果树理论树冠遮阴区域。将其与处理的4、5、6年生实测绘制图进行比较，得到苹果树树冠遮阴范围随时间变化的实测与理论曲线比较如图2

所示。根据理论图和实测图的对比分析，理论图出现统一的偏移和缩小现象，这是由于林木冠层投影理论图未将冠层半阴影效应考虑在内。林木冠层在太阳光照下形成的投影，受圆面张角的影响，投影边界会发生形变，从而导致投影面积的缩小，投影位置发生偏移。这表明传统利用太阳高度角（h）和太阳方位角（A）计算所得的理论图与苹果树树冠随时间变化的实测图相比，存在一定程度的偏移和缩小，依据太阳高度角和太阳方位角得出的林木冠层遮阴范围与实际林木遮阴范围之间存在误差。因此，林木冠层遮阴范围的理论算法不仅要考虑太阳高度角和太阳方位角的影响，还应将太阳光接触冠层后的冠层半阴影效应考虑在内。▲图2不同年龄苹果树单株树冠遮阴范围随时间变化的实测与理论值比较3.树冠遮阴范围理论值的修正利用MATLAB分别提取4、5、6年生树体实测遮阴图轮廓坐标，推算出修正高度角和修正方位角，并对修正高度角（h

1）和修正方位角（A

1）分别与太阳高度角（h）和太阳方位角（A）进行相关分析，得出修正高度角与太阳高度角的拟合图，以及修正方位角和太阳方位角拟合图（图3）。▲图3修正高度角和太阳高度角及修正方位角和太阳方位角的拟合图4.遮阴范围实测值与修正理论值对比分析经拟合修正后的苹果树冠层遮阴坐标修正理论关式，绘制出8：00-17：00内树冠遮阴范围随时间（间隔1h）的变化图，与实测图进行比较。得出拟合修正后的图形与实测图的重合率均达到94％以上（图4）。说明4、5、6年生单株苹果树树冠实测投影与修正参数后理论投影的拟合效果较好。由图4

可以看出，树冠的投影日变化轨迹是一个不等宽的弧带分布。1天内，13：00-17：00时段相比8：00-12：00时段，树冠遮阴区域在

Y

轴方向略向下移。树冠的投影在某一区域出现长时间持久遮阴部分称为重复遮阴区域。重复遮阴区域主要出现在每天10：00-15：00，由于重复遮阴区域会阻挡光合辐射的进入从而不利于作物的生长，故种植时应避开重复遮阴区域。▲图4不同年龄苹果树树冠遮阴范围日变化的实测与修正理论值比较结论改进后的树冠遮光数学模型能够较准确地模拟实际树冠的遮阴范围。▶引文格式：[1]王晶晶,毕华兴*,孙于卜,等.果树树冠遮阴模型的改进[J].南京林业大学学报(自然科学版),2018,42(05):135-140.DOI:10.3969/j.issn.1000-2006.201711049

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