《森林生态学》实验指导书

1、森林生态学实验指导书实验1 叶量的垂直分布和相对照度的关系一、目的掌握一般的叶量和相对照度的测定技术和绘图方法，使学员认识叶面积指数和光衰减系数相互关系的一般规律。二、关于叶量的知识作为量度光合系统的叶的量度单位有：叶鲜重、叶干重、叶面积、叶绿素干重（Ikusima, 1965）、叶面积指数（Biaok, 1960），也有把绿化的茎考虑进去将绿茎的表面积家在叶面积里表示（Rychnovska, 1972）。在这些量当中，与划在生产构造图中的相对照度最相关的是叶面积密度的单位，表示叶面积的分布。也有用N素含量表示的（岩成和黑扬，1963）。作为叶子的环境条件，通常还把相对照度划入图中。温度、CO

2、2浓度因为变化太大，一般不描入图中。此外，还有把与各层叶相对应的光合速率（Ikusima, 1965；Nomoto, 1978）划入图中的，这对生产构造与物质生产的理解是很有启发的。相对照度与气象学中的相同，不再详述。三、仪器的准备100200cm盒卷尺、50m皮尺、胸径尺、剪刀、手锯、天平、试料袋、塑料绳若干米12 m，木工笔、记录本、记录纸、铅笔、方格纸、叶面积测定仪、烘箱、照度计若干台。四、相对照度的测定和叶子的取样测定1.在取样之前应在林分内按照林分调查规定进行调查测定，选出标准地和标准木。然后进行相对照度垂直分布的测定。相对照度的测定，地点和具体树应选在标准地内标准木上，分层测定，林

3、冠上表面的1m以上和林地各设一点，林冠层应视林冠层的厚度而分层，为了提高测定制的代表性，每0.5m为一层，每0.50.5m设一个测定，取树冠内外的平均值作为该层的代表值。严格来说应长期测定（一月或一年等），但为了方便，普遍选择晴天无云的日子，自早晨日出后每小时测定一次，连续数日，取其平均值为各层的代表值。2.树冠的分层和叶子的取样：前边一说明了门司、佐伯关于生产构造图的表示方法。按这个要求，对所要测定的树木，首先划分层次。每一层的厚度要视林木的大小而定。对于中龄林，普通树干以1m为一层，（基部留0.3m干基），对于林冠部分0.5m为一层（而这部分树干仍1m一层），层次划定后，要用木工笔在树干上

4、打上标记，并标出东南西北四个方位。用绳将四个方位分开，并将穿越几层的大枝固定，即分层的准备工作结束。上述的工作在林分中进行时，必须有较高的脚手架。由于搭脚手架的代价太高，因此，如果不是太大的树时，首先伐倒在进行上述工作，方法是将方位在树上标出后，在人为保护下使树体慢慢倒下，不要压、摔、折坏枝叶，要尽量保持原来的自然状态。伐倒后从树干的下端开始，按分的层次锯开取圆盘，圆盘一般从下端取，厚度35cm，取下后在圆盘得上表面标出方位、编号、层次、班次等，然后称记鲜重（干和圆盘），取的只剩下树冠中的那段树干时为止（树冠中的树干一般来说是等取完枝叶后再分层取圆盘称记重量）。这时将树干直立于地上，按前边所述

5、的方法分层，划方位和固定。然后即可开始叶、枝，具体做法是先摘取叶，然后再取枝，最后处理树干。对每层、每方位上取下的叶子，不能不管数量多少全部测定，这样工作量太大。通常采取抽样法，这样可以节省人力物力和时间。取样的方法有多种，最普通的是采用对分法。具体做法是：把某一层次或某一层位的叶称记鲜重后，全放在一块大小合适的塑料布上，搅拌均匀后再提起两个对角对折几次，从叶堆中间分开，去掉其中的1/2，再对折再去，直达倒适量为止。样品的多少，视树木的大小而定。苗木，因为每层次的叶量很少，可以全测。大树的每个样品应在小于该层全鲜生的1/10，大于50g、叶量在50g以下的不必抽样。抽取的样品应称记鲜重后再袋上

6、注明实际重量、层位、标准木号、班、组，测量者姓名，以备测定。五、叶量的测定前边已经说过，叶量普通是用叶面积指数和干重表示。现在介绍叶面积指数的测定法。在抽出样品后应立即进行叶面积的测定，如果一时做不完，应设法保持叶片的新鲜状态，以防干缩。叶面积的测定法方有以下几种：用叶面积测定仪进行测定，具体操作按使用说明书上去做。方格纸法： 是把样品中的每一片叶子绽开在方格纸上，用细铅笔将叶片的边界描出，然后以mm2为单位点数叶面积。几何图形法：由于不少树种的叶片边缘不整齐，用铅笔描图一是费人力，二是也不精确，于是可以把叶子按其自然形状，选择合适的几何图，如长方形、正方形、三角形、梯形等，以cm为单位进行剪

7、切，去掉叶片的边缘部分，使其变为规则的几何图形，然后测算其面积，并称量其鲜重量、干重量，同时剪切掉的部分也要称量其鲜、干重量，然后根据叶子的干重量与面积的关系，可以推算出一个样品的叶面积。对于大树，由于叶量多，在一个层位内并非一个样品，有时多达几个到十几个样品，于是在一层次的样品可进行回归求出。如下式：SLi = a + bWLi 其中WLi为叶重，SLi为叶面积。利用式可以计算出一个层位的叶面积数。六、数据的整理和叶面积指数的推算1. 各层叶量的干量WLiWLi = WLi干重率 干重率 = 样品的干重 / 样品的鲜重 以上计算要注意以g为单位。2. 该株数的叶总干重：WL = WL1 +

8、WL2 + + WLn SLi = a + bWLi 4. 叶面积和：SL = SL1 + SL2 + + SLn 5. 叶面积指数： 林分的叶面积指数：F = L/平均单株所占的面积（m2/m2） L: 标准木的叶面积要变成m2，平均单株所占面积也要变为m2。在大面积森林调查时，不是一株标准木，而是几株或者更多（这是可取期平均值）。 林分叶面积指数的垂直分布：FLi = SLi / 平均单株所占的面积（m2/m2） 6. 消光系数的计算：K = -In(IZ/IO)/ FZ 利用式时，是把林分的林冠上表面看作是平的。当林分或苗木在充分郁闭时是可以的。而当处在幼龄阶段时，由于上表面凹凸不平不可

9、用式表示In(IZ/IO)FZ的关系。这时用式表示In(IZ/IO)FZ的关系。 FZ 其中K即为该树种的平均消光系数值，即为定数。024681012叶面积指数0.5151050100相对照度（%）群落内部的相对照度和叶面积指数的关系（依田，1971）以Beer Lambcrt法则为计算依据的例子唐菖蒲、日本芦苇、热带雨林、米储、山毛榉似飞蓬得菊科植物柳杉7. 叶面积指数的空间分布和相对照度分布：根据以上测定数据，就可以绘出相对照度和叶面积指数的相互关系的空间分布图。方法如下：先确定消光系数K值（K值要经过多次测定才可得到）。但是实践中经常是先多次测定林分内相对照度分布，然后求出各层相对照度的

10、代表值，这是在计算出各层的叶面积指数后，可利用式求出多个K值，取其平均值可以作为该林分的消光系数K值。知道了K值，可利用式求出各层次的相对照度的推算值。有了各层的叶面积指数和相对照度的推算值后，选择合适的比例尺就可以画图了。生产构造图要求把叶量和相对照度的关系图放在图的左侧。如图1所示。用所计算的结果，除了可以绘出生产构造图外，还可以绘出水平相对照度与叶面积指数的关系图。见图。实验2 叶面积指数的测定一、实验目的：叶片是树木光合作用的器官，使森林群落物质生产和能量转换的主要部位，植物的叶面积是评价个体或群落第一性生产力的重要指标，叶面积测定是估计生态系统太阳能利用率的有效方法。另外，森林群落叶

11、面积的大小，对其生产力的高低和生态功能的发挥有重要的影响。因此深入研究叶面积，可谓确定林分最佳结构，充分利用光能，提高森林生产力提供理论依据。二、实验方法：（一）单叶叶面积的测定测定叶面积的方法很多，繁简不一，仅将阔叶树常用的方法介绍如下：1、方格计算法：把测定的叶子平摊在方格纸上，绘出叶子轮廓。计算叶片所占格数，叶缘不足半格者不计，超过半格按一格计，最后合计叶片所占总格数，再乘以格的面积，即可得到叶片的面积。2、称纸法：把叶轮廓转绘于方格纸上，剪下叶形，按下式计算叶面积：3、几何图形法：把叶子按自然形状，选择适当的几何图形，如长方形、正方形、三角形、梯形等，以cm为单位进行剪切，去掉叶片的边

12、缘部分，使其变为规则的几何图形，然后测算其面积，并称量其鲜、干重量，同时剪切掉的部分也要称量其鲜、干重量，然后根据叶子的干重于面积的关系，可以推算出一个样品的叶面积。此外还有求积仪测定法、光电叶面积仪测定法等。对于针叶树多采用叶面积计算公式求得。（二）单株叶面积的测定将标准株的叶子全部摘下，称其总鲜重（G）。取其中一小部分称重（g），然后测其叶面积（So）。但株总叶面积（S）可由下式计算得出：若为低矮的植物群落，可以数标准株全株叶片总数N，并取部分叶片（n片），测定但叶面积（Si）。则单株总叶面积（S）为：（三）群落叶面积的测算群落叶面积的测算，依群落类型的不同，可采用不同的方法。1、平均标准

13、木法：在群落内设一定面积的标准地（或样方）。测定标准地内每一株的胸径，选取标准木。然后测定标准木的叶面积Rf，则标准地内叶面积为： N是林木总株数2、径阶标准木法：对标准地内林木进行每亩检尺后，划分径阶，计算径阶的平均胸径，选择个径阶的标准木。对标准木进行叶面积测量，然后计算标准地内总叶面积。公式为：式中：Si第I径阶单位鲜叶重的叶面积 Wi第I径阶标准木全株鲜叶重 ni径阶林木株数 m径阶数目另外还有重量法：一般适用于低矮的植物群落，测定具有破坏性。其中：S为样方总叶面积；Wf为样方叶片总鲜重；S为单位重量的鲜叶面积。回归分析法：利用叶量与胸径（或胸径平方树高）成幂函数的相关关系，即（或），

14、计算叶面积。（四）叶面积指数和叶面积密度的测定1、叶面积指数（LAI）2、叶面积密度（LAD）它表示单位空间叶面积的数量，是分析林分结构的指标，用叶面积与林分所占空间之比表示。三、实验步骤1、在群落内选择有代表性地段设立标准地或样方。样方面积为：2m2m。2、对标准地内所有林木进行胸径测量，并计算其平均值。3、选择标准木（胸径为平均值的林木）。4、取叶。对所要测定的树木，首先划分层次。每一层的厚度要视林木的大小而定。对于中龄林，普通树干以1m为一层，（基部留0.3m干基），对于树冠不分0.5m为一层，层次划定后，要用木工笔在树干上打上标记，并标出东西南北四个方位。分别从每一层次的四个方位取中间

15、的纸条，并从枝条的中间取3片叶子。分层存放。5、测定各层叶面积，求出单株叶面积。6、计算林分叶面积、叶面积指数和叶面积密度。四、实验仪器剪刀、天平、皮尺、钢卷尺、胸径尺、方格纸实验3 植物群落生物量和生产力的测定一、目的植物群落中的绿色植物的物质生产无论对于人类还是整个生物界都具有根本的意义。对于林业工作者，研究森林生态系统的生物量和生产力尤为重要。本实验的目的在于学习测定植物群落生物量和生产力的方法，培养学生的实际操作能力。二、实验步骤（一）乔木生物量的测定1标准地的设置和林木调查在植物群落内具有代表性的地段设一矩形标准地测量其面积。对标准地内的林木确定一个起测胸径，然后逐株测量林木的胸径和

16、树高。2选择标准木(供试木)利用群落调查中每木检尺数据选择标准木，选择标准亩应根据群落特点、树种的珍贵程度、调查力量和调查时间的多少分别采用不同的方法。（1）平均标准木法 根据每木调查结果，计算出全部活立木的平均胸高断面积（或平均胸径）把标准地内胸高端面积（或胸径）最接近于平均值的35株树木选出作为标准木。 （2）径阶标准木法 根据每木调查资料将标准地内全部活立木按径阶分组，在各径阶内选择标准木。各径阶内标准木的株数，根据各径阶林木株数按比例确定。（3）相对生长法（回归分析法） 在标准地内选择各种大小的树木作为供试木。注意一定要把标准地内的最大树选在其中，因为它对精度的影响最大。无论用什么方法

17、选出供试木，应没有明显的变形或缺陷，如双杈木、弯曲、病腐、无顶稍等情况发生。3标准木伐倒测量（1）测量树干材积和鲜重将标准木齐地伐倒，立即测量活枝下高和活枝下直径。然后在距地面0.3米、1.3米、2.6米处锯断，往上按12米分层将树干锯断，各层枝、叶、果分开。在每一区分段的下面锯取25厘米厚的圆盘。锯下的圆盘在区分短处的断面为工作面，另一面为非工作面。在非工作面上标记标准地号、样株号、区分段高度及树种名称，装入样品袋带回驻地。对干枝区别不太明显的阔叶树种，巴长得最直最粗的部分算作主干。带回的圆盘作树干解析和测量容积重。若条件允许，可现地称量各段的鲜重（木材和树皮分别称重），并取部分样品带回实验

18、室烘干侧含水率。（2）枝的测量沿树干自下而上主意测量枝长（L）、枝基径（Do），抽测其中57个枝的枝上叶鲜重、去叶后枝鲜重。各部分均应抽取部分样品，称鲜重后装入样品袋，做好标记后带回实验室测含水率。3烘干称重在实验室内，首先将样品按标准地、株、层分类管理。然后放入烘箱，控制温度为80恒温。小枝、叶、果实样品烘干24小时。木材、大枝等大个样品要烘干48小时烘干后用天平称干重。截取的树干圆盘，将工作面刨光，测量带皮直径、去皮直径、年轮数、年轮至髓心的距离等。作完树干解析的圆盘测定带皮体积和去皮体积，将皮剥下分别称木材和树皮鲜重。放烘箱烘干，称其干重。4生物量的计算（1）单株枝、叶、果实的计算用以上

19、攻石柱柱、朱曾计算枝、叶、果实、枝皮、木材等项的干物质率。用外业测得的各项鲜重乘以同一项目的干五律，得该项的干物质重量。（2）单株枝、叶生物量的计算以57个枝的枝干物质量重（Ws）、叶干重（WL）、枝长（L）和枝基径（Do）为基础作回归分析，建立相对生长的回归方程：对相关系数（R)的可靠性检验合格后，即可利用这些共识计算每一个枝的干重荷叶干重。将单株树木的的单枝的枝和叶干重求和，即可得到单株的枝干中和叶干重。（3）单株木材、树皮干物质量计算计算出木材和树皮含水率和干物质率后，分别计算容积重：容积重乘以各区分段木材和树皮体积，得到区分段木材干物质量和树皮干物质量。将各区分段的木材和树皮干重分别求

20、和即得到单株木材干物质重量和树皮干物质重量。（4）单位土地面积生物量计算有了单株树木的各部分干物质量，如何换算成单位土地面积上的生物量，取决于标准木的选取方法。平均标准木法先单项计算单位土地面积上的干物质量。方法是把各样木同一项目的单株干重总合（W），再乘以标准地内林木胸高断面积和（G）与标准木胸高断面积合计(g)之比就得到标准地内该项的干物质总量，即：然后将其换算成一公顷林地的数值，就是单位土地面积上某一单项的生物量。把木材、树皮、多年枝、当年枝、多年叶、当年叶和果实生物量合计之就得到单位土地面积乔木层生物量。径阶标准木法将同一径阶内各供试木的某项测值（例如叶干重）合计（W），乘以该径阶全部

21、林木胸高断面积之积（G）与供试木胸高断面积之和(g)的比值，求各径阶同一项目的干重。把各径阶值合计就得到标准地内各单项干物质量。在把各单项值总合之就得到单位土地面积上乔木层的生物量。相对生长法利用供试木各项测值（W）与测数因子之间的关系：或求出a、b值，得到回归方程。把标准地内全部木的相应测树因子一一代入方程，求各株单项干物重。将同一项数值累加得到标准地内各项干物质量。把它们换算成单位土地面积值，在把各单项总和即得到单位土地面积乔木层生物量。（二）乔木层生产力的测算1树干木材、树皮年生长量的测定树干的生长量是通过树干解析法来进行的。方法是从伐倒木的各个高度截取圆盘。如截取部位恰好遇到树杈等，从

22、而不适合用来测定年轮时，可上下小范围更换位置截取新的断面。截下的圆盘要在非工作面上记载解析木编号和工作面的高度。工作时要用刀子、刨子等工具削成易于读出年轮的状态。用铅笔通过髓心的最大直径和同样通过髓心并与之垂直的直线画出来，沿着这个方向的直线从树干外侧，在5年前、10年前、15年前的年轮上用铅笔做上记号，同时读出全部年轮数。所定年龄间隔可以根据实际情况适当伸缩。数年轮时要注意四个方向上的年轮是否在同一环上，以排除假年轮的干扰。当年轮非常密集时刻用放大镜帮助。把精密的尺子紧贴靠各个直线上，读出髓心到树皮外缘的长度、到去皮后木质部边缘长度、5年前、10年前、年轮的长度。把四个方向的测定结果记录入表

23、。区四个方向的平均值则得个龄阶的平均半径。根据这个结果绘制树干解析图。并计算各区分段的材积：g 1、g2分别是上下界面的面积、L为区分段长度。梢头部分的材积，近似于圆锥体，如假设其基部断面积为g，高为l，则可用公式：来计算。如果将各时期各高度的材积加以合计，就可以求出单株的带皮的带皮材积、去皮材积、5年前材积、10年前材积。要把材积换算成干重时，需从树干不同部分截取试材 ，测定容积重，即可求侧干物质量。设最近一年树干生长量为Ws，现在的重量是Ws，t年前的重量为Ws，如果此间是呈直线生长，则Ws可用下式计算：若树木不是正处于旺盛生长期，而是呈指数生长时期，则用下式来计算：其中 至于采用那个公式

24、才更接近实际，这要根据该树最近的材积生长曲线来判断。 树皮的生长量通常是假定与木材具有相同的生长率。如果能加上老皮脱落量的修正，则更精确。 有了单株生长量，就可以用平均标准木法或相对生长量法，换算成单位土地面积，一年内树干的生产量，即树干生产力。2 枝生产量的测定 枝生产量的测定比较困难，因为既有新生枝条，又有老枝的增粗，测定时应分别进行。对伐倒木首先是把当年新生枝条区分出来，单独称重。阔叶树当年生枝与老枝界限不明显，但也要通过对芽鳞痕的观察和新老枝皮色的对比将区分开来。老枝的粗生长形成的生产量，可用以下方法测定：（1） 逐株分层选取样株，并根据枝的粗度分级，求出各枝基部断面积生长率，再乘以各

25、个粗度级的干物质量，从而求出干物质增加量。（2） 选取样枝，用和树干完全相同的解析方法，求出一年间的增长量，计算出增长率，用以推测全株，进而推测泉林的枝生产量。但将表头的样株改为样枝，区分段为0.5cm长。（3） 当用相对生长法测定生物量的情况下，因为已求出现在（t2时刻）枝的生物量与D或D2H的关系式。策伐倒木在t1时刻的D或D2H。利用同一关系式求出t1时刻的枝量。则t2与t1时刻的差值即为该期间的产量，处以时间则得一年的生产量。这里是假设t2与t1时刻的常数是相同的。通过上述方法求算的老枝增粗的生产量，与当年生枝条的生产量合计，即为一年的生产量。这里忽略了草食动物的取食量和凋落量。若有条

26、件分别测定后加以补正，则精度可以提高。3 叶生产量的测定 叶生产量的测定比较容易。落树和当年生枝明显的常绿树种，当年生叶可以近似代表叶的生产量。通过伐倒测定。若能加上叶子脱落量及被取食量，则精度可提高。 最后将干、枝、叶、根的生产量总和即为群落乔木层生产量，即生产力。严格上说群落的生产力还应包括幼树、灌木和草木植物的生产量。三、要求和注意事项1. 群落生物量和生产量的测定工作项目较多，步骤繁杂，任务量比较大。这就要求学生在试验之前认真阅读操作方法，并以小组为单位进行讨论，确实理解，才能避免操作中的忙乱窝工现象。2 注意不要遗漏应测项目，因此，测定之前制定测定提纲是必要的。3 测定中要认真做好记

27、录。本实验所需要记录的表格较多，但指导书并未附表，要求各组自己预先设计出并画好备用。这样做的目的是培养学生独立工作的能力。四、试验用具1 小组用具（括号内数字为所需数量）锯（1）枝剪（1） 皮尺（1） 钢卷尺（1） 胸围尺（1） 三角板或直尺（2） 秤（1） 天平（1/100）（1） 样品袋（20） 标签（100）2 全班公共用具 体重秤（2） 电子台秤（3） 鼓风干燥箱（1）实验4 多样性指数计算(Biodiversity Index)一、实验目的 掌握群落物种多样性的的测定方法，使学生认识到不同群落物种多样性的差异及其形成的原因。二、仪器设备 100cm200cm盒尺、记录纸、铅笔等。关于

28、生物多样性指数的调查方法与前面介绍的密度调查方法相似，因此，这里只介绍统计和计算方法。三、多样性指数（1）Simpson 多样性指数从一个无限总体中随机抽出2个，它们属于同一个种的概率：设种的总数是S, 第1个种有n1个个体，第2个种有n2个个体， 所有s中的总数是N,所以，N= n1 + n2 +.ns. 假设这个概率为，则：Si=1s ni（ni-1） = -N（N-1）式中是总体优势度的度量，值大总体中有的种占优势，值小则说明总体中的每个种个体数比较均匀。由于优势度多样性互补，可以认为，如值小则群落有较大的多样性；如值较大则群落种类成分单一。群落的多样性与优势度是互补的。即：Ds = 1

29、-= 1 - Si=1s ni（ni-1）/N（N-1），Ds 为群落的多样性指数。（2）Shannon-Weaver 多样性指数通常测量异质性最常用的是信息理论，在信息论中信息被定义为： I = ln（Po/Pi），式中：Po代表后验概率； Pi 代表先验概率。后验概率是事件发生以后的不肯定程度，一般Po为1，故上式为：I= ln（1/Pi）=- ln Pi。如果在某一段时间内，我们获得S条信息，那么我们获得的平均信息量由数学期望的定义为：H = i=1sPiIi，Pi是种i的先验概率，Ii是第i条信息，将I = ln Pi代入上式有：H = i=1s Pi ln Pi，这就是生态学著名的S

30、hannon 公式，它的基本思想是把群落内与每个生物个体作为总的信息单元。(3) 均匀性指数(Evenness)无论Simpson 多样性指数还是Shannon 多样性指数都包括两个成分，一是丰富度：指群落中包含的物种数（S）；另一是均匀度：指每个种个体数间的差异。前面这两个多样性指数是丰富度和均匀度的综合指标，与二者的增加与减少正相关。各种之间，个体分配越均匀，H值越大。如果每个体都属于不同的种，多样性指数就最大；如果所有个体均属同一物种，多样性就最小。实践上群落丰富度的计测就是用群落种数S表示，均匀度用实测多样性与最大多样性之比表示。如 Shannon 多样性指数为: H=-i=1 s (ni/N)ln(ni/N)，假定它的多样性H是确定的，S个种的总体中，当所有种都以相同比例1/S存在时，将有最大的多样性, 因此，Hmax=-i=1 s (1/S)ln(1/S)=lnS， 于是群落的均匀度为：E=H/Hmax=H/lnS，其中E为均匀性指数.。（4）多样性指数计算和分析(Calculation of Biodiversities)分别计算乔木层、灌木层、草本层的多样性指数，并利用三个组的资料进行比较分析。在调查资料中分别植物种统计株数、重要值，计算每个种出现的株数概率和重要值概率记入种的株数多样性统计计算表和种的重要值多样性