南京城郊麻櫟林林內(nèi)外溫濕度變化特征

莊家堯， 葛 波， 杜 妍， 凡國華， 常 猛， 張金池， 仲兆林

（1.南京林業(yè)大學(xué) 水土保持與生態(tài)修復(fù)實驗室，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210037；3.江蘇省水文水資源勘測局 常州分局，江蘇 常州213001）

城市周邊森林蒸騰作用顯著，可以有效降低城市周邊氣溫，補充空氣濕度，因綠化面積集中，其降溫增濕作用遠優(yōu)于城市內(nèi)部小面積綠地，是城市居民健康生活必不可少的一部分。研究城郊樹種的溫濕度變化特征具有現(xiàn)實意義［1］。吳力立［2］通過研究城郊和市區(qū)日空氣相對濕度，得出了城市森林能有效地對鄰近空間 “補濕”。THANI等［3］調(diào)查不同城市景觀形態(tài)的室外氣溫變化，觀察到不同的城市地區(qū)小氣候分布有著顯著的差別，城市景觀形態(tài)和小氣候變動關(guān)系緊密。歐陽學(xué)軍等［4］通過分析鼎湖山4種不同海拔高度森林溫濕度差異，認(rèn)為正確評價不同森林類型的小氣候功能時，應(yīng)準(zhǔn)確區(qū)分開海拔高度、地形、植被類型等各個因素的影響，才能得出具有科學(xué)結(jié)論。邵永昌等［5］通過對上海地區(qū)17種綠化樹種的蒸騰特性對比分析，篩選出了降溫增濕效應(yīng)較好的城市綠化樹種。麻櫟Quercus acutissima為落葉喬木，廣泛分布在長江三角洲地區(qū)，是南京地區(qū)典型的優(yōu)勢樹種。目前，關(guān)于麻櫟林對小氣候溫濕度變化影響特征的研究較少。本研究以南京市城郊麻櫟林為研究對象，以裸地作為對照，分析麻櫟林林內(nèi)外溫濕度變化規(guī)律，探討其降溫增濕能力，旨在為南京市城郊植被恢復(fù)、人工林營造提供科學(xué)依據(jù)，為麻櫟林的合理經(jīng)營以及選擇社會效益、經(jīng)濟效益、降溫增濕效益相結(jié)合的城市綠化樹種提供理論基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于長江三角洲區(qū)西部南京市國有東善橋林場銅山分場（31°35′～31°39′N， 118°50′～118°52′E），屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15.1℃，無霜期為229.0 d，年日照時間為2 199.0 h。區(qū)內(nèi)氣候溫和濕潤，四季分明，水熱資源比較豐富，生長季長。年平均降水量為1 100.0 mm，地形為蘇南丘陵，土壤類型為黃棕壤，坡向均為東北向（NE），土壤厚度為60 cm，60 cm以下為砂巖風(fēng)化母質(zhì)層，海拔26.0 m，地下水位位于10.0 m以下。選擇不受林緣和林窗影響的麻櫟Quercus acutissima林與裸地為測量試驗地點，試驗樣地均為100 m×100 m，麻櫟林地平均坡度為18°；林木平均胸徑為24.3 cm，平均冠幅為5.7 m，平均樹齡為45 a，平均樹高為16.8 m；林分密度為425株·hm－2，郁閉度為0.89。

1.2 研究方法

1.2.1 溫濕度的測定 在麻櫟林、裸地樣地中選擇光照條件、土壤狀況一致的試驗點設(shè)置2個Decagon自動氣象站，間隔15 min記錄1次數(shù)據(jù)，氣象站距離地面1.2 m。麻櫟林試驗點位置距離樣地中心5 m，裸地試驗點距離樣地中心0.8 m。于2012年1月1日至2012年12月25日連續(xù)監(jiān)測麻櫟林地與裸地氣溫和相對濕度。以麻櫟林溫濕度作為林內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，裸地溫濕度作為林外溫濕度數(shù)據(jù)。采用氣候?qū)W統(tǒng)計法進行四季劃分，以公歷3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12至次年2月為冬季。為消除降雨對林內(nèi)外氣溫的影響，選擇前3 d無降雨的3月16日、6月1日、9月4日、12月23日代表春、夏、秋、冬各季林內(nèi)外氣溫的日變化。取8月15日、8月18日、8月20日數(shù)據(jù)分別代表晴天、雨天、陰天林內(nèi)外相對濕度的日變化；取2012年1-12月每月瞬時數(shù)據(jù)的平均值作為該月溫濕度值，進行林內(nèi)外溫濕度季節(jié)變化分析；取2012年1-12月每日瞬時數(shù)據(jù)的平均值作為日溫濕度，計算季節(jié)積溫和相對濕度。

1.2.2 降雨量的測定 為減少林緣的影響，在距離麻櫟林林外10 m處采用雨量筒和RG3-M翻斗式自記雨量計測定降雨量和降雨歷時，記錄間隔5 min。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理及方法 ①濕潤度的計算。伊萬諾夫濕潤度綜合考慮了氣溫、降雨量、相對濕度對干旱程度的影響，可以更好地分析林分的干旱趨勢［6］。本研究采用伊萬諾夫濕潤度K說明麻櫟林林內(nèi)外濕潤狀況，其表達式為：

其中：K為濕潤度，R為降雨量，T為平均氣溫，F(xiàn)為平均相對濕度。K＞1.0為濕潤，0.6～1.0為半濕潤，0.3～0.59為半干旱，0.13～0.29為干旱，＜0.13為極干旱。②數(shù)據(jù)處理。使用 Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理和表格制作，Origin 8.5繪制圖件，SPSS 19.0進行方差齊性檢驗、均值t檢驗和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林內(nèi)外氣溫變化特征

2.1.1 氣溫日變化特征 經(jīng)調(diào)查，四季林內(nèi)外氣溫變化趨勢基本一致（圖1）：氣溫日變化均表現(xiàn)為林外大于林內(nèi)。整體變化呈拋物線型，6：00-14：00呈上升趨勢，并在14：00達最高值。上升階段氣溫除夏季外均為林外高于林內(nèi)，其中夏季林內(nèi)外的氣溫變化幅度最大，因為夏季是麻櫟林生長旺季，白天植物蒸騰作用、夜晚的呼吸作用均較強，微生物活動較為頻繁，使夏季林內(nèi)外氣溫日變化波動較大［7］。春季林內(nèi)外氣溫日變化幅度最小，溫度差保持在1～2℃內(nèi)。隨著時間的推移，8：00-16：00氣溫均為林外高于林內(nèi)，這可能是由于麻櫟林的林冠反射和吸收作用消弱了太陽輻射到達林內(nèi)的能量，大大降低了白天林內(nèi)氣溫［8］。18：00-24：00林內(nèi)外溫度基本保持一致，因為夜晚輻射冷卻，麻櫟林對氣溫的調(diào)節(jié)作用降到最低。

2.1.2 氣溫日較差變化特征 各月氣溫日較差均值結(jié)果顯示（表1和圖2）：各月氣溫日較差均為林內(nèi)小于林外，除9月林內(nèi)最高氣溫大于林外，各月份日較差均為正值，除6，9，10，11月林內(nèi)最低氣溫大于林外，各月份日較差均為正值，林內(nèi)氣溫最大日較差出現(xiàn)在9（13.2℃），林外氣溫最大日較差出現(xiàn)在4月（14.8℃），說明麻櫟林林分具有降低高溫、提高低溫的調(diào)節(jié)作用。9月南京銅山地區(qū)出現(xiàn)極熱天氣，林分阻止了林內(nèi)外熱量的交互，隨著林內(nèi)蒸發(fā)增多，負反饋大于正反饋，出現(xiàn)了林內(nèi)最高溫、最低溫高于林外的現(xiàn)象。6和9月麻櫟林林內(nèi)微生物活動較為頻繁，10和11月麻櫟林枯枝落葉物增多，致使林內(nèi)夜晚保溫作用較為明顯，白天林冠的遮蔭和林分的摩擦阻擋，林內(nèi)風(fēng)速較林外小，熱量交互作用減少，使得林內(nèi)白天保溫作用較好［9］。

圖1 不同季節(jié)林內(nèi)外氣溫日變化Figure 1 Diurnal variation of temperature inside and outside the forest in different seasons

表1 林內(nèi)外氣溫日較差Table 1 Diurnal temperature range of inside and outside the forest

2.1.3 氣溫月變化特征 如圖3所示：各個月份平均氣溫均為林內(nèi)低于林外，各月份林內(nèi)氣溫分別降低了0.6，0.7，0.3，0.5，1.5，0.5，0.6，0.6，0.3，0.4，0.4，0.2℃。林內(nèi)外平均氣溫均為7月最高（林內(nèi)26.6℃，林外27.3℃）。5－8月林內(nèi)氣溫降幅最大，此時正處于麻櫟林生長旺季，說明麻櫟林在生長旺季能有效降低林內(nèi)氣溫。9－12月林內(nèi)外溫差均小于0.5℃，由于麻櫟是落葉喬木，在冬季落葉后，隨著枯枝落葉的腐爛，土壤呼吸作用隨之增加，使林內(nèi)降低氣溫的作用減弱。

圖2 各月林內(nèi)外氣溫日較差平均值Figure 2 Average temperature daily range each month

圖3 各月林內(nèi)外氣溫平均值Figure 3 Average temperature inside and outside the forest each month

2.1.4 氣溫月較差 如圖4所示：各月份氣溫月較差均為林內(nèi)小于林外，林內(nèi)氣溫月較差平均值為22.6℃，林外氣溫月較差平均值為25.7℃。林內(nèi)外氣溫月較差從大到小均依次為春季、夏季、秋季、冬季。這主要是是因為蘇南丘陵區(qū)地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，春暖秋涼，夏熱冬寒，四季分明，春夏季氣溫晝夜變化較大，使土壤呼吸作用速率增加，有利于麻櫟林的生長復(fù)綠。

2.1.5 麻櫟林的降溫效應(yīng) 全年四季的積溫（為所有氣溫瞬時數(shù)據(jù)的總和）結(jié)果顯示（圖5）：春季、夏季、秋季、冬季均為林內(nèi)積溫低于林外積溫，其中林內(nèi)外積溫差，夏季最多（5 167.4℃），春季次之，秋季最少（186.2℃）。總結(jié)林內(nèi)外氣溫日、月、季節(jié)分析發(fā)現(xiàn)，麻櫟林林內(nèi)氣溫較林外氣溫低，對氣溫有一定的調(diào)節(jié)作用，降溫作用較明顯。

2.2 相對濕度日變化特征

2.2.1 晴天 晴天林內(nèi)外相對濕度的日變化曲線顯示（圖6），無論是林內(nèi)還是林外，溫濕度變化均呈現(xiàn)對稱規(guī)律，且在7：00－18：00，林內(nèi)氣溫低于林外氣溫，林內(nèi)相對濕度高于林外相對濕度。林內(nèi)外相對濕度在 0：00－7：00處于相對穩(wěn)定階段， 在 7：00－18：00， 林內(nèi)外相對濕度出現(xiàn)明顯變化， 在 14：00相對濕度達最低點。林內(nèi)外相對濕度最小值差值為13.4%。主要是因為林內(nèi)麻櫟冠層的存在，使林內(nèi)的亂流強度變?nèi)酰瑴p少了林內(nèi)水汽的上升擴散，林內(nèi)氣溫低和林內(nèi)地表植被的作用使鎖濕能力變強，當(dāng)林內(nèi)氣溫高時，蒸騰作用使林內(nèi)相對濕度減少以保證林下植被的生長，所以增濕作用的峰點和降溫作用的峰點相對應(yīng)［10］。

2.2.2 雨天 雨天林內(nèi)外溫濕度變化曲線和晴天相似，溫濕度變化曲線呈對稱特征，林內(nèi)氣溫高時相對濕度低（圖7）。麻櫟林在7：00相對濕度開始呈減少趨勢，裸地在8：00相對濕度呈減少趨勢，說明了麻櫟林在白天會提前減少林內(nèi)相對濕度，且麻櫟林相對濕度減少和增加的速度小于裸地，麻櫟林的呼吸作用和林冠層起到了保濕的作用。0：00－16：00林內(nèi)外相對濕度變化曲線呈U型，在11：00達到谷底，最大差值為10.5%，16：00－24：00林內(nèi)外相對濕度變化曲線呈現(xiàn)第2個U型，在15：00達到谷底。

圖4 各月林內(nèi)外氣溫月較差平均值Figure 4 Monthly range of temperature each month

圖5 各季節(jié)林內(nèi)外氣溫積溫Figure 5 Accumulated temperature each season

圖6 晴天林內(nèi)外相對溫濕度日變化Figure 6 Temperature and related humidity diurnal changes on sunny days

圖7 雨天林內(nèi)外相對溫濕度日變化Figure 7 Temperature and related humidity diurnal changes on rainy days

2.2.3 陰天 陰天林內(nèi)外空氣溫濕度變化規(guī)律較雨天和晴天弱（圖8），林外相對濕度變化和林內(nèi)氣溫變化規(guī)律性較差， 林內(nèi)變化在 4：00－7：00， 10：00－16：00， 19：00－21：00 較平穩(wěn)， 相對濕度和氣溫的變化規(guī)律晴雨天一致，呈現(xiàn)對稱現(xiàn)象。白天林內(nèi)相對濕度小于林外，林內(nèi)氣溫小于林外。

圖8 陰天林內(nèi)外相對溫濕度日變化Figure 8 Temperature and related humidity diurnal changes on overcast days

2.2.4 月相對濕度變化特征 各月份林內(nèi)外相對濕度平均值結(jié)果顯示（圖9）：林內(nèi)外相對濕度均為8月最大（92.3%，90.7%），7月次之（90.4%，88.8%）。3月林內(nèi)相對濕度最小，為65.6%；4月林外相對濕度最小，為65.7%。林內(nèi)外差值幅度最大出現(xiàn)在5月，為2.6%。夏秋兩季均為林內(nèi)相對濕度大于林外，平均高幅為1.4%，表明在枝繁葉茂的夏秋季節(jié)麻櫟林的增濕效應(yīng)較明顯。1，2，3，12月林內(nèi)相對濕度小于林外，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是春、冬兩季麻櫟林季節(jié)型落葉，林內(nèi)蒸發(fā)強度增強，林冠遮光保濕作用減弱，同時春季植物生長消耗大量林內(nèi)水分，冬季凋落物腐化吸收大量地表水分，使得林內(nèi)相對濕度較林外低。夏、秋季節(jié)林分郁閉度高，降雨截留和林內(nèi)蒸發(fā)的水分得以長時間存在林內(nèi)，使林內(nèi)相對濕度較林外高［11］。

圖9 不同月份林內(nèi)外相對濕度平均值Figure 9 Average value of related humidity of different months

2.2.5 麻櫟林的增濕效應(yīng) 統(tǒng)計各個季節(jié)林內(nèi)外相對濕度積累量（春、夏、秋、冬四季所有濕度瞬時數(shù)據(jù)的總和）顯示（圖10）：春、夏、秋、冬季均為林內(nèi)高于林外。夏季相對濕度積累量最多，秋季林內(nèi)外相對濕度積累量次之，春季相對濕度積累量最少。林內(nèi)外相對濕度積累量差值夏季最大，林內(nèi)外相對濕度積累量差值為18 048.99%，最小的為冬季4 464.27%。

圖10 各個季節(jié)林內(nèi)外相對濕度積累量Figure 10 Accumulation of related humidity inside and outside of each season

由麻櫟林各月降雨量計算得出林內(nèi)外濕潤表（表2）。由表2可知：全年無干旱天氣，林內(nèi)濕潤指數(shù)均高于林外。林內(nèi)外濕潤度有較強的同步性。2，7，8，9，10，11，12月林內(nèi)外濕潤度表現(xiàn)為濕潤；1，3，4，5月林內(nèi)外濕潤度為半濕潤；1，3，4，5月林下植物生長繁茂，呼吸作用下消耗大量林內(nèi)水分。2月降雨補充較多，所以表現(xiàn)為濕潤。全年林內(nèi)濕潤度為1.54，為蘇南地區(qū)麻櫟林的生長提供濕潤的生長環(huán)境。

表2 麻櫟林各月份降雨量及林內(nèi)外濕潤表Table 2 Rainfall each month and degree of wetness inside and outside the forest

2.3 相關(guān)性

2.3.1 線性分析 根據(jù)全年的觀測數(shù)據(jù)，對林內(nèi)外溫濕度進行統(tǒng)計分析和曲線模擬得到表3，發(fā)現(xiàn)林內(nèi)外氣溫和林內(nèi)外相對濕度均有較強的相關(guān)性，林內(nèi)外氣溫相關(guān)系數(shù)除9月外，均在0.98以上，具有顯著的線性關(guān)系，經(jīng)檢驗相關(guān)性顯著（P＜0.001）。9月林內(nèi)氣溫波動較大，9月16－17日出現(xiàn)日平均氣溫達30.8和28.3℃，均明顯高于本月其他日平均氣溫。林內(nèi)外相對濕度變化相關(guān)性和氣溫變化相關(guān)性基本一致，在9月氣溫波動劇烈時，相對濕度相關(guān)性顯著程度最差，其余各月相關(guān)性均在0.95以上。夏季林內(nèi)外溫濕度相關(guān)性最差，可能是因為夏季樹冠遮蔭和林內(nèi)植物蒸騰作用達到最高［12］，林內(nèi)溫濕度主要受林內(nèi)植物自身活動影響。其他季節(jié)，林內(nèi)外溫濕度變化走勢趨于一致。

2.3.2 全年溫濕度相關(guān)性分析 根據(jù)全年觀測數(shù)據(jù)對麻櫟林林內(nèi)外氣溫、相對濕度進行獨立樣本t檢驗。結(jié)果顯示：顯著性P氣溫=0.582＞0.05，P相對濕度=0.229＞0.05，林內(nèi)外溫濕度全年差異性不顯著。這說明：從全年看麻櫟林降溫保濕作用較弱。夏季P相對濕度=0.004＜0.05，春季P氣溫＞全年P(guān)氣溫＞秋季P氣溫＞0.05，冬季P濕度＞秋季P濕度＞春季P濕度＞0.05。夏季增濕作用較顯著，降溫顯著性較差，春季麻櫟林調(diào)節(jié)氣溫的作用最差，冬季麻櫟林調(diào)節(jié)濕度的作用最差。麻櫟林是落葉喬木，夏季林分枝繁葉茂，林內(nèi)微生物活動頻繁，林冠遮蓋作用和林內(nèi)蒸發(fā)蒸騰作用下保濕作用優(yōu)于其他季節(jié)，冬季落葉后降溫保濕作用得不到體現(xiàn)，春季為麻櫟林次年生長初期，林冠蓋度小且林內(nèi)植被生長需水量大，林內(nèi)氣溫受林緣自然風(fēng)影響嚴(yán)重，降溫效果為全年最差。

2.3.3 夏季溫濕度相關(guān)性分析 對全年相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)夏季氣溫變化不顯著。張昌順等［13］在北京城市綠地對熱島效應(yīng)的緩解作用中指出：林分對氣溫的調(diào)節(jié)作用在白天和夜晚有較大的差異。根據(jù)夏季收集數(shù)據(jù)將 8：00， 14：00 和 20：00 時的數(shù)據(jù)整合進行 SPSS 分析， 結(jié)果顯示： 8：00 時夏季 P氣溫=0.798＞0.05， 夏季 P相對濕度=0.789＞0.05， 14：00 時夏季 P氣溫=0.005＜0.05， 夏季 P相對濕度=0.003＜0.05， 20：00 時夏季 P氣溫=0.86＞0.05，夏季P相對濕度=0.776＞0.05，表明在中午時分麻櫟林降溫增濕作用均較強，植物主要通過自身蒸騰作用消耗周圍的熱量來達到降溫效應(yīng)［14］，麻櫟林夏季中午時分林內(nèi)蒸騰作用最強，所以夏季中午林分降溫作用較其他時段顯著。

表3 林內(nèi)外溫濕度回歸方程Table 3 Temperature and related humidity regression equation inside and outside the forest

3 結(jié)論

通過2012年1月1日至12月25日的觀測，研究了麻櫟林林內(nèi)外溫濕度年際變化特征，主要結(jié)論為：①本研究中林內(nèi)外氣溫日變化幅度從大到小排列為：夏季、秋季、冬季、春季，林內(nèi)最大日較差出現(xiàn)在9月，林外最大日較差出現(xiàn)在4月，林內(nèi)氣溫振幅均小于林外氣溫振幅，林內(nèi)由于林冠遮蔭減少了林內(nèi)外熱量的交互，以及枯枝落葉的覆蓋，使林內(nèi)氣溫振幅較林外裸地小，表明麻櫟林在生長旺季由于林內(nèi)微生物活動、蒸騰作用最高，麻櫟林夜晚保溫，白天降溫的作用較明顯。②5-8月麻櫟林降低氣溫幅度最大，9-12月林內(nèi)外溫差均小于0.5℃，林內(nèi)外氣溫月較差從大到小均依次為春季、夏季、秋季、冬季。全年積溫均為林內(nèi)低于林外，季節(jié)積溫從大到小依次為夏季、春季、冬季、秋季。表明麻櫟林的存在可以有效降低全年林內(nèi)氣溫總和，在生長旺季麻櫟林能有效降低林內(nèi)氣溫，季節(jié)性落葉后降低溫作用越來越弱。③晴天、雨天、陰天林內(nèi)外相對濕度日變化曲線為U型，溫濕度變化曲線相互對稱。林內(nèi)外相對濕度均為8月最大，夏秋兩季相對濕度均為林內(nèi)高于林外，表明麻櫟林林冠的遮蓋作用，使林內(nèi)的風(fēng)速較林外小，有效減少了林內(nèi)外亂流交換，林內(nèi)蒸發(fā)作用和植被蒸騰產(chǎn)生的水蒸氣可以長時滯留在林內(nèi)近地面，使得林內(nèi)濕度較林外濕度高，麻櫟林具有顯著的增濕作用，春、冬兩季麻櫟林落葉后林內(nèi)蒸發(fā)速度較快，林冠遮蔭保濕作用減弱，春季植物生長消耗大量林內(nèi)水分，冬季枯落物腐化吸收大量水分。夏、秋季節(jié)林分郁閉度高，降雨截留和林內(nèi)蒸發(fā)的水分得以長時間存在林內(nèi)，使林內(nèi)相對濕度較林外高。④麻櫟林可以改良土壤的濕潤程度，可以有效保持林分的濕潤度，為林下生物活動提供良好的生長環(huán)境。通過整合全年降雨量數(shù)據(jù)，計算出麻櫟林林內(nèi)外全年的濕潤度，全年無干旱，林內(nèi)濕潤指數(shù)和林內(nèi)溫濕度關(guān)系密切，2，7，8，9，10，11，12月林內(nèi)外濕潤度為濕潤，1，3，4，5月林內(nèi)外濕潤度為半濕潤，全年林內(nèi)外濕潤度林內(nèi)（1.54）大于林外（1.39），為濕潤。⑤林內(nèi)外溫濕度具有顯著線性關(guān)系，全年氣溫線性回歸方程為y=0.886 6x＋1.207 6，R2=0.972 3，全年相對濕度線性回歸方程為y=0.961 8x＋0.042 3，R2=0.978 0。根據(jù)全年觀測數(shù)據(jù)對麻櫟林林內(nèi)外氣溫、相對濕度進行均值檢驗，林內(nèi)外溫濕度全年差異性不顯著，但是夏季濕度P＜0.05，14：00溫濕度P＜0.05，說明了在生長旺季的夏季麻櫟林的降溫增濕作用顯著，優(yōu)于其他季節(jié)，且在中午時分降溫增濕作用較顯著，春季麻櫟林生長復(fù)綠后林分起到的降溫作用最弱，冬季麻櫟林落葉后林分起到的增濕作用最弱。