森林小氣候國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

彭巍，李明文，王慧，駱媛媛

(1.黑河市林業(yè)科學(xué)院，黑龍江 黑河 164300；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091)

森林小氣候主要是指由森林以及林冠下灌叢、草被和枯枝落葉層等共同形成的一種與周邊大氣候不同的局部小氣候[1]，主要表現(xiàn)為林內(nèi)冬暖夏涼、夜暖晝涼、日溫差較小、濕度大、風(fēng)速小、輻射低等特點(diǎn)，其變化特征取決于森林的林齡、組成、結(jié)構(gòu)、生物多樣性和郁閉度等。這種局部環(huán)境作用于森林生態(tài)系統(tǒng)，影響植物的光合作用、蒸騰作用、輻射能量平衡等生態(tài)過(guò)程。森林小氣候觀測(cè)內(nèi)容比較廣泛，常包括太陽(yáng)輻射、溫度、濕度、風(fēng)速、降水、蒸發(fā)、CO2濃度等[2]。

1 國(guó)外研究進(jìn)展

森林小氣候的概念最早在公元前334年由希臘植物學(xué)家西奧夫拉斯塔(Theophrastus)提出，他第一次對(duì)跨洲的植物地理分布與氣候環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查。在1740年左右，美國(guó)學(xué)者開始對(duì)樹干內(nèi)溫度變化進(jìn)行研究，對(duì)小氣候真正系統(tǒng)的研究開始于19世紀(jì)中葉。較早進(jìn)行森林小氣候系統(tǒng)性研究的有歐洲一些國(guó)家，通過(guò)建立林內(nèi)外氣象觀測(cè)站，進(jìn)行氣象要素的對(duì)比觀測(cè)，并獲得了大量資料。1893年，B.E.Fernow和 M.W.Harrington 出版了林業(yè)氣象學(xué)最早的著作《森林的影響》。1924年，A.Schmauss建造了氣象觀測(cè)塔，對(duì)林內(nèi)氣象要素進(jìn)行垂直分布的研究，從此觀測(cè)研究由“樹干空間氣候”進(jìn)入了“林分氣候”的觀測(cè)，研究?jī)?nèi)容涉及林分結(jié)構(gòu)對(duì)森林氣候的影響、皆伐和擇伐跡地的氣候特征、林緣和林中空地的氣流運(yùn)動(dòng)以及冠層以下氣象要素分布等方面。在1927年，R.Geiger出版了《近地層氣象》專著，從此學(xué)者們開始注意研究林冠作用層，A.Baumgartner(1956)首次系統(tǒng)研究了森林林冠作用層的能量平衡，把林分氣候的研究引向了其形成的物理學(xué)研究，后來(lái)發(fā)展為冠層氣象學(xué)。

蘇聯(lián)森林小氣候研究比較側(cè)重于理論，與地理學(xué)、地球物理學(xué)等學(xué)科聯(lián)系在一起，早期代表著作有《森林與氣象》《森林與氣候》等；日本學(xué)者較早開始森林小氣候研究，并積極建立定位觀測(cè)站點(diǎn)，偏重于生理氣象研究，以及儀器的設(shè)計(jì)試制，如紙面蒸發(fā)器用于模擬葉面蒸發(fā)；美國(guó)森林氣象始于20世紀(jì)20年代，由于生產(chǎn)需要發(fā)展較快，偏重于林火氣象。自20世紀(jì)中葉之后，隨著科技的進(jìn)步，森林小氣候研究有了更快的發(fā)展，各國(guó)學(xué)者在不同地區(qū)建立了森林小氣候長(zhǎng)期定位觀測(cè)站，構(gòu)建森林氣象臺(tái)站網(wǎng)。通過(guò)全自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)、梯度氣象觀測(cè)儀、紅外線測(cè)溫儀等自動(dòng)先進(jìn)的儀器，開始對(duì)森林小氣候進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)儀器的使用擴(kuò)大了小氣候觀測(cè)的范圍，并提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性和翔實(shí)性。

不同時(shí)期通過(guò)不同的觀測(cè)方法和儀器對(duì)森林小氣候進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間定位觀測(cè)，能夠更好地研究植被與森林環(huán)境之間的作用關(guān)系[3]。有學(xué)者研究得出，與無(wú)植物冠層遮擋的空間相比，植物群落可以顯著降低空氣溫度0.8～5.15 ℃，增加相對(duì)濕度2.9%～8.3%。Ashton(1992)的研究表明森林的形狀、面積、緯度等多方面的因素都對(duì)林內(nèi)小氣候有著不同程度的影響，導(dǎo)致小氣候呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)[4]。Thomas(2005)對(duì)南美洲厄瓜多爾南部山區(qū)熱帶雨林地區(qū)的森林小氣候進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)，記錄了光合有效輻射、空氣溫濕度和風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)比了不同海拔高度的森林小氣候差異。隨著多學(xué)科融合以及邊界氣象的發(fā)展，不同領(lǐng)域和國(guó)家的學(xué)者開始運(yùn)用近地氣層中氣象的垂直分布規(guī)律，建立與蒸發(fā)、降水、風(fēng)速、溫度等氣象因子相關(guān)的公式和模型，如濕潤(rùn)表面蒸發(fā)公式、Penman公式，海洋大氣模型(FOAM)、生態(tài)氣候系統(tǒng)模型(CCSM)，不同冠層高度風(fēng)速與頂部風(fēng)速的關(guān)系指數(shù)規(guī)律、模擬森林冠層的溫度輪廓線模型，以及高度指數(shù)的林內(nèi)溫度函數(shù)等[5]。

近年來(lái)，由于全球變暖和城市霧霾問(wèn)題的日益突出，城市熱島效應(yīng)及城市空氣清潔指數(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，關(guān)于城市森林緩解空氣質(zhì)量的研究逐漸增多。森林植被能顯著影響城市區(qū)域的風(fēng)速、溫濕度和降水(Avissar R.，1996)，具有凈化空氣、降低噪音、雨水滲透、廢水處理、休閑和文化等方面的服務(wù)功能[6]。例如植物群落可以通過(guò)冠層結(jié)構(gòu)特征影響吸收和反射太陽(yáng)直接輻射和周圍環(huán)境的反射輻射[7]。植物還可以通過(guò)蒸騰作用、光合作用等生理活動(dòng)降低林下空氣溫度，增加相對(duì)濕度，導(dǎo)致降溫增濕作用差異的主要影響因子是樹種和冠層結(jié)構(gòu)的不同。

正是由于森林這種極佳的改善周圍氣候的特性，目前在很多國(guó)家“森林浴”已成為一種人們?cè)诟邚?qiáng)度工作后放松身心和舒緩壓力的活動(dòng)，并引起了預(yù)防疾病和調(diào)理亞健康領(lǐng)域的研究者的高度關(guān)注，人們開始意識(shí)到森林在治療、康復(fù)、保健和療養(yǎng)等方面的醫(yī)學(xué)意義。森林康養(yǎng)在國(guó)外研究領(lǐng)域也越來(lái)越受重視，德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)等均開始倡導(dǎo)森林康養(yǎng)研究。隨著森林有益于人類健康證據(jù)的增加，許多國(guó)際研究機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)團(tuán)體紛紛推出研究項(xiàng)目，在國(guó)際各種組織的強(qiáng)力支持下，森林療養(yǎng)將得到持續(xù)發(fā)展。隨著“森林浴”研究的推進(jìn)，許多國(guó)家開展了室外森林健康效應(yīng)研究，并收集記錄人類接觸森林后在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自律神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)等方面生理指標(biāo)的良性反應(yīng)。眾多研究表明，志愿者們?cè)诮?jīng)過(guò)森林靜坐并欣賞周圍森林環(huán)境后，皮質(zhì)醇水平降低12.4%、交感神經(jīng)活動(dòng)減弱7.0%、血壓收縮壓降低1.4%、心率降低5.8%，副交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)55.0%，這些結(jié)果表明人體生理指標(biāo)在經(jīng)過(guò)森林環(huán)境的沐浴之后均有所改善[8,9]。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

在21世紀(jì)之前，我國(guó)對(duì)森林小氣候的研究多采用的是常規(guī)觀測(cè)方法，分別對(duì)不同地形、林分類型進(jìn)行觀測(cè)研究，探討森林對(duì)溫度、濕度、光照、蒸發(fā)等方面的積極影響，也為我國(guó)森林小氣候研究奠定了基礎(chǔ)[10]。20世紀(jì)90年代末開始，隨著我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的建立，以及自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)和梯度氣象觀測(cè)系統(tǒng)的引入，我國(guó)學(xué)者亦開始從多維度空間對(duì)小氣候進(jìn)行分析。21世紀(jì)以來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，3S 技術(shù)以及生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，眾多學(xué)者對(duì)森林小氣候進(jìn)行了宏觀大尺度的觀測(cè)研究，新技術(shù)的應(yīng)用使得觀測(cè)范圍擴(kuò)大到整個(gè)地區(qū)、生態(tài)系統(tǒng)、物候帶和全球[11]。

通過(guò)梯度觀測(cè)發(fā)現(xiàn)林內(nèi)外空氣相對(duì)濕度的日動(dòng)態(tài)呈“U”形變化，林冠外上方氣溫在白天高于林冠下，夜間低于林冠下[12]。林冠層內(nèi)年均太陽(yáng)輻射可降低84.91%，熱帶落葉闊葉林夜間還存在氣溫隨高度增加而增加的輻射逆溫現(xiàn)象[13,14]。進(jìn)入林內(nèi)的氣流受到林冠、樹干的阻擋，降低了水平風(fēng)速并削弱近地層空氣湍流強(qiáng)度[15]。在林內(nèi)由于林冠對(duì)降水的攔截作用使林內(nèi)降水強(qiáng)度、降水量顯著小于林外[16]。3S 技術(shù)的應(yīng)用分析，也同時(shí)驗(yàn)證了森林夏季具有降溫作用，冬季具有保溫作用[17]，城市森林群落結(jié)構(gòu)與其熱環(huán)境效應(yīng)呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性，森林平均溫度比城鎮(zhèn)的建筑用地平均溫度降低5.26 ℃[18]。由于強(qiáng)大的蒸騰作用和光合作用，使得樹木林冠能吸收太陽(yáng)輻射熱能的35%～70%，枝葉能阻擋返回太陽(yáng)輻射熱能的20%～30%，所以最終到達(dá)林內(nèi)地面的熱能僅有5%～20%[19]。森林植被通過(guò)與區(qū)域氣候相互作用，形成適宜的小氣候，對(duì)小氣候的研究從早期的人工常規(guī)觀測(cè)到自動(dòng)氣象站、梯度氣象站的儀器觀測(cè)，可以更簡(jiǎn)便獲得連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)，再到3S 技術(shù)的應(yīng)用將小氣候觀測(cè)帶向更廣闊的觀測(cè)空間，更好地了解、認(rèn)識(shí)和利用森林小氣候。

氣候療法(green shower)是利用氣候因子或經(jīng)過(guò)改造的微小氣候的物理、化學(xué)作用，對(duì)疾病進(jìn)行防治的方法，是增強(qiáng)體質(zhì)的良好措施，其具體實(shí)施方法因地因人因病而異。確定適合不同疾病的療養(yǎng)氣候，需要首先了解不同地理位置的氣候變化特點(diǎn)和規(guī)律，良好的氣候因子，能夠調(diào)節(jié)療養(yǎng)者的心理和生理等多方面的狀態(tài)，長(zhǎng)期處于這種良好的氣候中能夠消除疲勞、矯治疾病、增強(qiáng)體質(zhì)，尤其對(duì)患有循環(huán)、神經(jīng)、血液、呼吸系統(tǒng)等疾病的患者有較好的治療和康復(fù)作用[20]。人體舒適度是通過(guò)量化的方式間接反映體驗(yàn)者在森林環(huán)境中的體感舒適程度的一個(gè)指標(biāo)，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，林區(qū)的舒適期比鄰近城市長(zhǎng)22～63 d。通過(guò)對(duì)比不同時(shí)段、樣地、景觀類型等環(huán)境下人體舒適度指數(shù)的變化，分析不同因素影響作用得出，人體的綜合舒適度指數(shù)大小與接收的太陽(yáng)光照強(qiáng)度、空氣濕度、風(fēng)速有關(guān)[21]。不同林型對(duì)周圍環(huán)境的影響作用存在一定差異，白樺林的平均降溫率(6.69 ℃)最大，而且降溫效應(yīng)以午后14: 00 前后最為顯著；蒙古櫟林的平均增濕率(44.78%)最高，且也以午后14: 00 前后增濕最為明顯；在一日中對(duì)人體舒適度感覺最好和感覺舒適時(shí)間最長(zhǎng)的是白樺林(23.13%，12 h)和樟子松林(22.17%，10 h)[22]。不同的植物群落對(duì)人體舒適度的影響也不相同，天然林夏、秋季的舒適期持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，人工林春、夏季舒適期最長(zhǎng)；不同林種每日的舒適時(shí)段不同，千島湖地區(qū)春季苦櫧石櫟群落為13點(diǎn)至16點(diǎn)、柏木群落和楊梅茶園在11點(diǎn)至15點(diǎn)[23]。國(guó)內(nèi)外一些老年健康調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)長(zhǎng)壽老人一般都是居住在海拔1 500～2 000 m之間的山地林區(qū)，這些地區(qū)陽(yáng)光充足、氣壓適中、空氣清潔、夏季涼爽，促使人呼吸加深、肺活量增大、血液氧含量增加，有利于人們身體健康，適宜人類長(zhǎng)期居住[24]。

目前，森林康養(yǎng)開展以修身養(yǎng)性、延緩衰老為目的的森林游憩、度假、療養(yǎng)、保健、養(yǎng)老、養(yǎng)生等服務(wù)活動(dòng)。森林康養(yǎng)符合我國(guó)的健康需求，以身心健康為核心，借助森林天然資源，將形成一個(gè)多維度、超時(shí)空、大范圍、深層次、大健康的產(chǎn)業(yè)鏈。

3 小結(jié)

近幾十年來(lái)，森林小氣候研究領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同的方法和技術(shù)手段針對(duì)不同林分類型開展研究，從水平層面到梯度垂直層面再到宏觀范疇，多角度進(jìn)行了深入細(xì)致的探討與分析，確定了森林對(duì)環(huán)境的改善作用，同時(shí)得出森林對(duì)環(huán)境影響的大小也受地形地勢(shì)、樹種組成、生長(zhǎng)狀態(tài)、森林覆蓋率等多方面因素的影響?？v觀國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，在森林小氣候方面的研究即使有細(xì)微不同，但總體發(fā)展方向趨于一致，森林對(duì)環(huán)境改善起到重要作用，它使周邊的環(huán)境趨向?qū)θ祟惤】蹈幸娴姆较虬l(fā)生改變。在注重生態(tài)環(huán)境養(yǎng)生的今天，森林所帶給人類的康養(yǎng)能力將會(huì)越來(lái)越受到全球人類的關(guān)注，前人所研究得出的結(jié)論對(duì)喚醒人類的生態(tài)保護(hù)意識(shí)、體現(xiàn)森林的生態(tài)功能效益、促進(jìn)森林康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等都有著至關(guān)重要的作用。