遼東山區(qū)人工紅松林小氣候的影響特征研究

溫亮

摘 要：采用對林外和林內(nèi)小氣候定位觀測的實(shí)驗(yàn)方法，以遼東半島站2013年9月—2014年8月的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、土壤溫度（土壤深度：5cm、10cm、20cm、40cm、80cm）等因子對草河口人工紅松林林外林內(nèi)的小氣候要素差異性分析，得出了以下結(jié)論：保溫作用：林內(nèi)對環(huán)境溫度影響效果平均在4%左右；林外溫度越是向極端情況發(fā)展時(shí)，影響的效果越顯著；在不同土壤深度中，林內(nèi)的各個(gè)土層溫度都減小了土壤的溫度變化；保濕作用：林內(nèi)月平均濕度基本高于林外；林內(nèi)平均提高環(huán)境濕度5%左右；林內(nèi)外的濕度白天低于晚上，成U字形曲線；當(dāng)外界濕度達(dá)到70%以上時(shí)，紅松林有提高濕度的作用；當(dāng)外界濕度低于80%時(shí)，紅松林有降低濕度的作用；防風(fēng)作用：紅松林影響空氣地表層的風(fēng)速明顯，平均降低35.5%的風(fēng)速；涵養(yǎng)水源：林木生長的最旺盛期時(shí)對林外降雨影響效果是最明顯的，減少降雨量在70%以上。紅松生長的最旺盛期時(shí)對林外降雨影響效果是最明顯的，減少降雨量在70%以上；林木對于降水的影響表現(xiàn)為：森林能增加大氣的垂直降水；森林可以減少地表逕流；森林能增加水平降水。

關(guān)鍵詞：森林小氣候；紅松；特征

中圖分類號：S791.247 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20161131027

森林小氣候是指由森林以及林冠下灌木叢和草被等形成的一種特殊小氣候。在森林小氣候的形成中，組成森林的樹木品種、林齡、結(jié)構(gòu)、郁閉度以及灌木層和草被的特性等，都起著很大的作用。由于森林的存在和影響，在林內(nèi)表現(xiàn)出太陽輻射減少、氣溫日變化緩和、空氣濕度和降水量增大以及風(fēng)速減小等小氣候特征。此外，森林小氣候還與四周氣候條件、地形特征和土壤性質(zhì)等有關(guān)。因之，研究森林小氣候是揭示森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估森林對環(huán)境影響的重要基礎(chǔ)。

國內(nèi)對于森林小氣候的研究較早。盧其堯（1963）根據(jù)1960年8—11月在熱帶地區(qū)海南島樹林內(nèi)外的輻射平衡、熱量平衡與小氣候的觀測，對林內(nèi)外的輻射能與熱能收支作了計(jì)算，分析了林內(nèi)外小氣候要素的分布與變化規(guī)律[1]；洪啟法（1981）在1960—1970年，對吉林省防護(hù)林重點(diǎn)縣進(jìn)行了3次考察，對主要結(jié)構(gòu)類型的楊樹林帶進(jìn)行了5次以小氣候效應(yīng)為主的調(diào)查研究[2]；劉學(xué)勤等（1988）研究了華北落葉松人工林的小氣候特征，為營林作業(yè)和生態(tài)效益研究積累一些資料[3]；李海濤等（1999）探討了暖溫帶山地落葉闊葉混交林和油松林不同梯度的氣溫、濕度、土壤溫度的日變化特征[4]；張遠(yuǎn)彬等（2006）對川西亞高山白樺林（海拔2540m）內(nèi)太陽輻射、空氣溫濕度以及土壤5cm和15cm層溫度等進(jìn)行了連續(xù)的定位觀測[5]；歐陽旭等（2014）選取2010年鼎湖山針闊葉混交林通量塔林內(nèi)氣象資料及其附近氣象站空曠地同時(shí)段內(nèi)氣象資料，對兩站點(diǎn)的氣溫、濕度、地溫等小氣候因子的日變化及月變化進(jìn)行分析和對比[6]。上述文章多是基于某一年或是一年中某個(gè)生長季的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

森林內(nèi)外小氣候特征的對比研究，對于揭示森林小氣候效應(yīng)，闡明森林植被對局地氣候的影響具有重要的價(jià)值。人工紅松林是遼東山區(qū)主要的森林植被類型，它對于調(diào)節(jié)氣候，保持生態(tài)平衡意義重大。本文是遼東半島森林生態(tài)定位站標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析人工紅松林內(nèi)外空氣溫度、濕度、風(fēng)速、降雨量、土壤溫度（土壤深度：5cm、10cm、20cm、40cm、80cm）等因子差異，揭示人工紅松林小氣候效應(yīng)。提高森林的生態(tài)效益認(rèn)識，為森林保護(hù)和營林生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

人工紅松林區(qū)地處遼寧東部山區(qū)的本溪縣草河口鎮(zhèn)境內(nèi)。屬于溫帶大陸性氣候，溫度低，雨量大，冬季干冷，夏季多雨。林區(qū)位于遼東丘陵地帶，屬長白山脈向西南延伸的支脈或余脈，平均海拔645m。林區(qū)土壤為棕色森林土，土層厚度50～70cm，pH值5.5～6.5。人工林區(qū)屬長白和華北植物區(qū)系交匯處，具有2個(gè)區(qū)系植物組成特點(diǎn)，種類組成豐富，有木本植物192種。森林植被類型主要以人工林為主，主要有人工紅松林、人工落葉松林及少量以遼東櫟為主的天然次生林等。

2 觀測區(qū)的自然狀況與研究方法

2.1 觀測區(qū)自然狀況

2.1.1 林外觀測區(qū)

林外對照觀測區(qū)選擇在遼東半島森林生態(tài)定位站標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測場內(nèi)，該氣象觀測場地理位置N4052'2.84"、E12354'11.64"，年平均氣溫6.1℃，最高氣溫36.1℃，最低氣溫-31.7℃，無霜期127.6d，年降水量為926.3mm，年蒸發(fā)量1072.5mm，年平均相對濕度為72%，日照時(shí)數(shù)2285.3h，平均日照率51%，氣象觀測場內(nèi)地被植物是三葉草。

2.1.2 林內(nèi)觀測區(qū)

林內(nèi)觀測區(qū)林分系人工紅松林，觀測點(diǎn)位于草河口鎮(zhèn)茳草村八組人工紅松林內(nèi)，距離到林外標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測場約1.36km。觀測區(qū)面積為1.2hm2，處于下坡位，人工紅松林齡23a，樹高平均25m，胸徑平均20cm，地面腐殖質(zhì)層厚15cm，郁閉度0.6。

2.2 研究方法

林外對照觀測區(qū)、林內(nèi)觀測區(qū)均采用美國Campbellscientific公司生產(chǎn)的自動氣象儀器觀測。儀器的布置使用和觀測均按照中央氣象局編制的《地面氣象觀測規(guī)范》的要求來進(jìn)行。對溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、土壤溫度（土壤深度：5cm、10cm、20cm、40cm、80cm）的數(shù)據(jù)自動采集是隔10min一次。觀測時(shí)間為2013年9月1日—2014年8月31日。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林對于空氣溫度影響

3.1.1 林內(nèi)外月平均溫度動態(tài)情況

將觀測期間的溫度數(shù)據(jù)分析（由圖1、表2可知）按月統(tǒng)計(jì)結(jié)果看：林外的最高溫出現(xiàn)在8月，溫度達(dá)到34.3℃。林內(nèi)的最高溫出現(xiàn)在8月，溫度達(dá)到33.3℃。由此可見，人工紅松林將林外最低溫度降低了1℃，降低幅度為3%；人工紅松林外最低溫度出現(xiàn)在1月，溫度達(dá)到-23.9℃；林內(nèi)最低溫度出現(xiàn)在1月，溫度達(dá)到-22.6℃。由此可見，人工紅松林將林外最低溫度提高了1.3℃，提高幅度為5.7%；人工紅松林在11月到次年2月間平均溫度處于零下，而林內(nèi)外平均溫度最低出現(xiàn)在次年1月，且林內(nèi)平均溫度高于林外平均溫度，最大相差出現(xiàn)在12月和次年2月，相差值為1.2℃，最小相差出現(xiàn)在11月，相差值為0.4℃，次年1月的平均溫度相差值為1.1℃；而在9—10月以及次年3—8月間林內(nèi)外的平均溫度在零上，而林內(nèi)外平均溫度最高出現(xiàn)在8月，且林內(nèi)平均溫度低于林外平均溫度，最大相差出現(xiàn)在10月，相差值為2.6℃，最小相差出現(xiàn)在次年8月，相差值為0.9℃。由此可見，林內(nèi)外平均溫度進(jìn)入零下時(shí)，林內(nèi)平均溫度高于林外，且林外平均溫度越低，林內(nèi)外平均溫度相差就越大；林內(nèi)外平均溫度在高于零上時(shí)，林內(nèi)平均溫度低于林外，且林外平均溫度越高，林內(nèi)外平均溫度相差就越小。

根據(jù)以上月統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，造成的原因是由于太陽輻射地面一年四季的角度不同，出現(xiàn)了一年中月溫度不同的變化，而經(jīng)過森林覆蓋下地表溫度受植物本身的一系列的生理活動影響。春夏秋3個(gè)季節(jié)是紅松生長期，其從根部向上運(yùn)輸水分完成蒸騰作用，增加了環(huán)境濕度，降低了林內(nèi)溫度，冬季作為四季常綠的針葉植物完成其呼吸作用的同時(shí)在向外界散失熱量，提高林內(nèi)溫度，且呈現(xiàn)了顯著的影響效果，體現(xiàn)森林植被對于環(huán)境溫度調(diào)節(jié)作用，但缺少對于不同林層的影響效果探討[7]。綜上所述，人工紅松林林內(nèi)外年溫度變化可以得出以下規(guī)律：林內(nèi)溫度總是隨著林外溫度變化而變化，且林外溫度越高林內(nèi)溫度就越高；林內(nèi)溫度變化幅度總是小于林外的變化幅度，且人工紅松林在溫度高于零上時(shí)有降低環(huán)境溫度作用，低于零下溫度時(shí)有提高環(huán)境溫度的作用，其對環(huán)境溫度影響效果平均在4%左右；林外溫度越是向極端情況發(fā)展時(shí)，影響的效果越顯著。

3.1.2 林內(nèi)外的日溫度動態(tài)變化情況

通過人工紅松林月溫度變化的情況，選取1a中通常出現(xiàn)最高溫的8月份和出現(xiàn)最低溫的1月份以及4月份來觀察林內(nèi)外日變化的情況，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如圖2所示）：林內(nèi)外1月份日平均溫度最高出現(xiàn)在14：00左右，林外日平均溫度最低出現(xiàn)在7：00左右，林內(nèi)日平均溫度最低出現(xiàn)在6：00左右，林外1月份日平均溫度變化區(qū)間在-15.72℃～-2.72℃，林內(nèi)1月份日平均溫度變化區(qū)間在-13.32℃～-4.69℃，林內(nèi)日平均溫度在11：00—15：00間小于林外，其他時(shí)間是大于的；林內(nèi)4月份日平均溫度最高出現(xiàn)在14：00左右，林外4月份日平均溫度最高出現(xiàn)在15：00左右，林內(nèi)外日平均溫度最低出現(xiàn)在5：00左右，林內(nèi)4月份日平均溫度變化區(qū)間在2.60～17.51℃，林外4月份日平均溫度變化區(qū)間在1.33～18.11℃，林內(nèi)4月份日平均溫度在7：00—17：00間低于林外，其他時(shí)間是大于的；林內(nèi)外8月份日平均溫度最高出現(xiàn)在14：00左右，林外日平均溫度最低出現(xiàn)在4：00左右，林內(nèi)日平均溫度最低出現(xiàn)在5：00左右，林外8月份日平均溫度變化區(qū)間在16.45～27.44℃，林內(nèi)8月份日平均溫度變化區(qū)間在16.90～26.71℃，林內(nèi)8月份日平均溫度在7：00—17：00間低于林外，其他時(shí)間是大于的。綜上所述，人工紅松林林內(nèi)外日溫度變化可以得出以下規(guī)律：林內(nèi)的日溫度變化幅度小于林外；白天的時(shí)候，林內(nèi)的日溫度總是低于林外；到了晚上，林內(nèi)溫度開始高于林外；隨著年氣溫的不斷上升，林內(nèi)日平均溫度的時(shí)間低于林外日平均溫度的時(shí)間在增長。發(fā)生以上規(guī)律的原因在于受植物本身的一系列的生理活動有關(guān)，紅松白天的蒸騰作用散失水分，降低林內(nèi)空氣溫度，晚上的呼吸作用又提高了林內(nèi)的溫度，這使得林內(nèi)的溫度變化范圍減小了，起到了調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的作用。

3.2 森林對相對濕度影響

3.2.1 林內(nèi)外月平均濕度動態(tài)變化情況

將觀測期間的濕度數(shù)據(jù)分析（由表3可知）按月統(tǒng)計(jì)結(jié)果看：林內(nèi)外月平均濕度最大是在7月，最大值分別為：林內(nèi)86.3%，林外84.5%。林外月平均濕度最小是在2月，值為47.5%，林內(nèi)平均濕度最小是在4月，值為52.5%，其次是2月，值為53.2%；除了4月以外，其他期間林內(nèi)相對濕度總是大于林外相對濕度；林內(nèi)外的相對濕度差值的絕對值范圍在0.5%～10.5%，8月份差值絕對值最大，12月份差值絕對值最小，差值平均值（4月差值不記）為4.8%。出現(xiàn)以上結(jié)果的原因?yàn)椋杭t松林四季常綠，林內(nèi)樹木枝葉繁茂，根系發(fā)達(dá)，可以吸取深層土壤水分供林木蒸騰消耗，同時(shí)林冠可以阻擋林內(nèi)外空氣交換，林內(nèi)水汽不易向外擴(kuò)散，是導(dǎo)致近地層空氣中的濕度較大林外的原因。4月份的空氣溫度林內(nèi)外基本一致，是因?yàn)榇藭r(shí)降水量較少，林內(nèi)外風(fēng)速相對其他月較大，造成蒸發(fā)速度和亂流交換強(qiáng)度增強(qiáng)，林內(nèi)植被開始萌發(fā)，地表的植被開始大量吸收水分進(jìn)行自身的生理活動，土壤水分向地表擴(kuò)散作用的輸送量減少，此時(shí)林內(nèi)空氣相對濕度會低于林外，也正是森林重點(diǎn)加強(qiáng)防火的時(shí)間期。綜上所述，人工紅松林林內(nèi)外月濕度變化可以得出以下規(guī)律：紅松林內(nèi)月平均濕度基本高于林外；紅松林平均提高環(huán)境濕度5%左右。

3.2.2 林內(nèi)外日平均濕度動態(tài)變化情況

通過人工紅松林月濕度變化的情況，選取1a中通常出現(xiàn)濕度平均最高的7月份和出現(xiàn)濕度平均最低的2月份來觀察林內(nèi)外日變化的情況，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如圖4所示）：2月份林內(nèi)外日平均濕度成U字形（變化范圍70%～100%之間），林內(nèi)外濕度白天低于晚上，2月林外日平均濕度總是高于林內(nèi)日平均濕度，林內(nèi)外在9：00左右為濕度差最小值，逐漸變大到22：00左右達(dá)到林內(nèi)外濕度差最大值；7月份林內(nèi)外日平均濕度成U字形（變化范圍在30%～80%之間），林內(nèi)外濕度白天低于晚上，7月林內(nèi)日平均濕度在7：00—17：00左右間高于林外，其他時(shí)間相反。原因在于：外界環(huán)境的溫度白天高使得林內(nèi)外濕度整體下降，但7月紅松存在植物生理活動，白天蒸騰作用提高林內(nèi)濕度，晚上紅松呼吸作用散失熱量提高林內(nèi)溫度，降低林濕度，而2月份紅松的生理活動主要以呼吸作用為主，白天的紅松呼吸作用強(qiáng)烈，林內(nèi)溫度高于林外，因此濕度林內(nèi)依然低于林外[8]。由此得出紅松林日平均濕度規(guī)律：林內(nèi)外的濕度白天低于晚上，成U字形曲線；當(dāng)外界濕度達(dá)到70%以上時(shí)，紅松林有提高濕度的作用；當(dāng)外界濕度低于80%時(shí)，紅松林有降低濕度的作用。

3.3 森林對風(fēng)速影響

由圖5可知，可得出以下結(jié)果：林內(nèi)月平均風(fēng)速隨林外同步變化，林內(nèi)外的月平均風(fēng)速差別顯著，且林內(nèi)<林外；林內(nèi)的月平均風(fēng)速為0.73m/s，林外的月平均風(fēng)速為1.34m/s，且林內(nèi)比林外月平均風(fēng)速降低35.5%，其中降低率最高是在7月份，達(dá)到52.1%，而最小降低率為26.5%，是在1月份產(chǎn)生的，呈現(xiàn)出從1—7月份降低率逐漸升高，然后降低率再逐漸回落到第2年的1月份的全年趨勢。這原因在于森林樹干和樹冠對地表層空氣流動有阻擋作用，且隨著樹冠一年四季的生長到更新的變化，產(chǎn)生了對風(fēng)速由大到小的影響，且在7月份樹木生長最旺盛的時(shí)候，對風(fēng)速影響最大，反之依然。由此得出以下規(guī)律：紅松林影響空氣地表層的風(fēng)速明顯，平均降低35.5%的風(fēng)速；紅松林對于風(fēng)速的影響從1月份效果逐漸到7月份增大，然后再在逐漸較小到次年最小，影響的效果大小與外界本身的風(fēng)速大小無關(guān)。

3.4 森林對于降雨的影響

3.4.1 林內(nèi)外月平均降雨量動態(tài)變化

由圖6可知，林內(nèi)外的月降雨量存在差別，因?yàn)榱謨?nèi)降水量由直接到達(dá)林地的降水量、從樹葉和大小枝條上滴下的降水量和樹干徑流3部分組成[9]。林內(nèi)降水量在數(shù)值上等于林外降水量與林冠截留量之差（如圖7）。由此可以得出以下結(jié)果：林內(nèi)外的月降雨量在5月、6月、7月出現(xiàn)明顯差別，6月林外降雨量是觀測期中最大，達(dá)到147.9mm，7月份林內(nèi)外月降雨量差別最大，最大達(dá)到103.2mm，減少了72.8%的降雨，林內(nèi)還出現(xiàn)微弱高于林外降雨量的情況。以上由于林內(nèi)降水量的分布是不均勻的。離樹干愈遠(yuǎn)，降水量愈大，在樹冠邊緣處達(dá)到最大，而根際周圍由于樹干逕流，降水量也比較大。在降水期間，林冠層起著調(diào)節(jié)林內(nèi)降水的作用，這種作用主要表現(xiàn)在使峰值降低，降水強(qiáng)度減小，降水時(shí)間延長，林外降水停止以后，林內(nèi)還可以得到一部分降水。紅松林對地表的月平均降雨量的影響規(guī)律為：紅松生長的最旺盛期時(shí)對林外降雨影響效果是最明顯的，減少降雨量在70%以上。

3.4.2 林內(nèi)外日平均降雨量動態(tài)變化

林內(nèi)外觀測期內(nèi)各時(shí)間點(diǎn)的降雨量積累數(shù)值基本呈現(xiàn)出：晚上林內(nèi)降雨量高于林外，其他時(shí)間林內(nèi)低于林外（如圖8）。這是因?yàn)樵诹謪^(qū)，林內(nèi)空氣濕度大，森林枝葉的總表面積大，夜間強(qiáng)烈輻射冷卻，往往產(chǎn)生較多的水汽凝結(jié)物，如霧、露、霜、霧淞等。由此可以看出森林對于降水的影響表現(xiàn)為：森林能增加大氣的垂直降水；森林可以減少地表逕流；森林能增加水平降水。

3.5 森林對不同深度土壤溫度的影響

土壤溫度的高低和變化主要決定于土壤的熱收支和土壤熱屬性[10]。由圖9可知，各深度土層溫度林內(nèi)外差異顯著，5—6月間的差異最大，平均差別達(dá)到5.0℃，2—3月份差別最小，平均差別接近0℃。林內(nèi)外的各個(gè)土壤深度高低對比變化規(guī)律為：基本上是秋冬季節(jié)林內(nèi)各深度土層溫度高于林外，各深度土層溫度高低的轉(zhuǎn)換是在同年2—3月間和9—10月間，即2—3月間林內(nèi)開始低于林外，9—10月間林內(nèi)開始高于林外；林內(nèi)的各個(gè)土層溫度都減小了土壤的溫度變化；林內(nèi)外各個(gè)深度的土層溫度有明顯差別，秋冬季土層隨深度的增加溫度不斷升高，春夏季土層隨深度的增加溫度不斷降低，隨土層深度增加溫度差別越大。這主要是，當(dāng)排出林內(nèi)外土壤熱屬性因素的影響，森林與林下植被的根系以及枯枝落葉層對于土壤熱收支起到阻隔作用，林下土壤溫度在不同深度的變化相對林外減小。

4 小結(jié)與討論

本文通過對草河口鎮(zhèn)人工紅松林在草河口人工紅松林林內(nèi)外2013年9月—2014年8月的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過溫度、濕度、風(fēng)速、降雨量、土壤溫度（土壤深度：5cm、10cm、20cm、40cm、80cm）等因子對草河口人工紅松林林外林內(nèi)的小氣候要素差異性分析。得出森林對于環(huán)境的影響如下：

4.1 保溫作用

林內(nèi)溫度變化幅度總是小于林外的變化幅度，且人工紅松林在溫度高于零上時(shí)有降低環(huán)境溫度作用，低于零下溫度時(shí)有提高環(huán)境溫度的作用，其對環(huán)境溫度影響效果平均在4%左右；林外溫度越是向極端情況發(fā)展時(shí)，影響的效果越顯著；林內(nèi)的日溫度變化幅度小于林外；白天的時(shí)候，林內(nèi)的日溫度總是低于林外；到了晚上，林內(nèi)溫度開始高于林外；隨著年氣溫的不斷上升，林內(nèi)日平均溫度的時(shí)間低于林外日平均溫度的時(shí)間在增長。在不同土壤深度中，基本上是秋冬季節(jié)林內(nèi)各深度土層溫度高于林外，各深度土層溫度高低的轉(zhuǎn)換是在同年2—3月間和9—10月間，即2—3月間林內(nèi)開始低于林外，9—10月間林內(nèi)開始高于林外；林內(nèi)的各個(gè)土層溫度都減小了土壤的溫度變化；林內(nèi)外各個(gè)深度的土層溫度有明顯差別，秋冬季土層隨深度的增加溫度不斷升高，春夏季土層隨深度的增加溫度不斷降低，隨土層深度增加溫度差別越大。

4.2 保濕作用

林內(nèi)月平均濕度基本高于林外；林內(nèi)平均提高環(huán)境濕度5%左右；林內(nèi)外的濕度白天低于晚上，成U字形曲線；當(dāng)外界濕度達(dá)到70%以上時(shí)，紅松林有提高濕度的作用；當(dāng)外界濕度低于80%時(shí)，紅松林有降低濕度的作用。

4.3 防風(fēng)作用

紅松林影響空氣地表層的風(fēng)速明顯，平均降低35.5%的風(fēng)速；紅松林對于風(fēng)速的影響從1月份效果逐漸到7月份增大，然后逐漸減小到次年最小，影響的效果大小與外界本身的風(fēng)速大小無關(guān)。

4.4 涵養(yǎng)水源

林木生長的最旺盛期時(shí)對林外降雨影響效果是最明顯的，減少降雨量在70%以上。紅松生長的最旺盛期時(shí)對林外降雨影響效果是最明顯的，減少降雨量在70%以上；林木對于降水的影響表現(xiàn)為：森林能增加大氣的垂直降水；森林可以減少地表徑流；森林能增加水平降水。

參考文獻(xiàn)

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