森林撫育間伐對杉木人工林溫濕度的影響研究

王宇超 陳逸飛 林晨蕾 方淑偵 王紅春 靳少非 許少洪 鄭德祥

摘 要：為探究不同強(qiáng)度森林撫育間伐對杉木人工林林分溫濕度的影響，本文在坡度、坡向、土壤類型均相同的杉木人工林中設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)樣地，采取2種不同強(qiáng)度的撫育間伐，應(yīng)用HOBO U23-00溫濕度記錄儀長期監(jiān)測記錄作業(yè)后林分溫度、相對濕度動態(tài)，后續(xù)用SPSS等數(shù)據(jù)分析軟件處理數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：①不同撫育間伐強(qiáng)度對林內(nèi)氣溫和相對濕度影響不同，強(qiáng)度撫育間伐后林內(nèi)溫度變化顯著高于中度撫育間伐;強(qiáng)度撫育間伐后林內(nèi)日溫度變化表現(xiàn)為晝增夜降，月均溫變化表現(xiàn)為高溫季節(jié)升溫、低溫季節(jié)降溫，林內(nèi)相對濕度下降;而中度撫育間伐的影響則與之相反，表現(xiàn)出保溫（溫度穩(wěn)定）增濕（濕度提高）效果。②成對樣本t檢驗(yàn)表明，與中度撫育間伐相比，強(qiáng)度撫育間伐對日均溫、日平均相對濕度、月平均相對濕度的影響更為顯著，對月均溫的影響呈不顯著。杉木人工林林內(nèi)溫度和相對濕度的動態(tài)變化表明，不同撫育間伐強(qiáng)度會對林內(nèi)的大氣溫度和相對濕度產(chǎn)生不同的影響，相比于強(qiáng)度撫育間伐，中度撫育間伐后杉木人工林林內(nèi)溫濕度變化幅度小，林內(nèi)小氣候更為穩(wěn)定，可在一定程度上減弱不良?xì)夂驐l件對杉木人工林經(jīng)營的不利影響，為杉木提供更適宜的生長環(huán)境。

關(guān)鍵詞：撫育間伐強(qiáng)度;溫度;相對濕度;杉木人工林;小氣候

中圖分類號：S791.27??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）01-0009-06

Effects of Forest Tending and Thinning on Temperature and Humidity

of Chinese Fir Plantation

WANG Yuchao1， CHENG Yifei1， LIN Chenlei1， FANG Shuzhen1， WANG Hongchun2，

JIN Shaofei3， XU Shaohong4， ZHENG Dexiang1*

（1. Forestry College， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China; 2. Survey Planning and Design Institute，

National Forestry and Grassland Administration， Beijing 100714， China; 3. Department of Geographical Science， College of Geography

and Oceanology， Minjiang University， Fuzhou 350108， China; 4. Yongan Forestry Group Co.， Ltd.， Yongan 366000， China）

Abstract：In order to explore the influence of forest tending and thinning with different intensities on the temperature and humidity of Chinese fir plantation， a fixed standard sample plot was set in the Chinese fir plantation with the same slope， aspect and soil type. Two kinds of tending and thinning with different intensities were adopted， and the dynamics of stand temperature and relative humidity after operation were monitored and recorded by HOBO U23-001 temperature and humidity recorder for a long time， subsequently， SPSS and other data analysis software were used to process the data. The results showed that： ① Different tending and thinning intensities had different effects on the temperature and relative humidity in the forest. The temperature change in the forest after the intensive tending and thinning was significantly higher than that of the moderate tending and thinning. After intensive tending and thinning， the daily temperature in the forest increased in the day and decreased at night. The change in average temperature was manifested as the increase in high-temperature seasons， the decrease in low-temperature seasons， and the relative humidity decreased in the forest. While the effect of moderate tending and thinning was opposite， showing the effect of heat preservation （temperature stability） and humidification （humidity increase）. ② The t-test of paired samples showed that compared with moderate tending and thinning， the impact of intensive tending and thinning on daily average temperature， daily average relative humidity， and monthly average relative humidity was more significant， while the impact on monthly average temperature was not significant. The dynamic changes of temperature and relative humidity in Chinese fir plantations indicated that different tending and thinning intensities would have different effects on the atmospheric temperature and relative humidity in the forest. Compared with the intensive tending and thinning， after moderate tending and thinning， the temperature and humidity in Chinese fir plantations had a small change， and the microclimate in the forest was more stable. It can reduce the adverse impact of adverse weather conditions on the management of Chinese fir plantation to a certain extent， and provide a more suitable growth environment for fir.

Keywords：Tending thinning intensity; temperature; relative humidity; Chinese fir plantation; microclimate within the forest

0 引言

森林撫育間伐能夠優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)林分的生長，使森林生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益得以提高，已是國內(nèi)森林經(jīng)營的主要措施之一[1-6]。森林撫育間伐在優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)的同時，也可引起林內(nèi)小氣候的改變。森林小氣候是指森林植被對林內(nèi)光照強(qiáng)度、大氣溫度、大氣相對濕度和風(fēng)速等氣象因子產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而形成穩(wěn)定的局部區(qū)域特殊氣候[7-10]。森林小氣候在生物與環(huán)境關(guān)系的協(xié)調(diào)方面具有重要作用[11]，對林木的光合速率[12]、生長發(fā)育[13]、枯落物的分解[14]、土壤呼吸[15]以及土壤酶活性[16]等方面均有一定的影響。但目前小氣候的研究主要以研究林內(nèi)與林外溫濕度的差異來說明森林調(diào)節(jié)小氣候的功能，如Arias 等[17]研究表明亞馬遜熱帶雨林中的植物可通過蒸騰作用釋放足夠多的水蒸氣，形成穩(wěn)定的水熱交換環(huán)境，進(jìn)而可在干旱的季節(jié)引起降雨;王姵環(huán)等[18]研究表明長白山溫帶闊葉紅松林對最高溫、最低溫有明顯的調(diào)節(jié)作用。但關(guān)于森林撫育間伐對林內(nèi)小氣候影響研究，特別是關(guān)于對杉木人工林小氣候中溫濕度的研究卻鮮有報道。

杉木（Cunninghamia lanceolate）在我國南方所有省區(qū)均有分布，是我國南方地區(qū)特有的主要用材樹種，對我國南方林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起著決定性作用[19]。杉木人工林因具有生長周期短、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)價值高等特點(diǎn)而被大面積高密度種植，但由于過度追求豐產(chǎn)、經(jīng)營措施合理性較差，杉木純林林分質(zhì)量不斷下降[20-21]，為此國家推出了中央財政森林撫育補(bǔ)貼政策以促進(jìn)林分質(zhì)量改善。國家林業(yè)和草原局在全國杉木適宜區(qū)中布設(shè)試點(diǎn)監(jiān)測森林撫育效果。本研究通過森林撫育間伐探究其對林分質(zhì)量、林分微環(huán)境變化的影響，為森林撫育間伐效果評價提供理論參考，并為南方集體林區(qū)撫育經(jīng)營提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于福建省永安市（116°56′～117°47′ E，25°33′～26°12′ N），其森林資源豐富，屬于我國重點(diǎn)林區(qū)。研究區(qū)氣候?qū)僦衼啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，同時具有一定的大陸性氣候，水熱資源充足，土壤肥沃，主要土壤類型為紅壤土。其地理位置如圖1所示。

1.2 樣地設(shè)置

實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)置在福建省永安林業(yè)集團(tuán)森林經(jīng)營公司的經(jīng)營區(qū)內(nèi)，2015年根據(jù)森林撫育監(jiān)測樣地項(xiàng)目要求，在杉木人工中齡林中各設(shè)置撫育間伐與未撫育間伐的2組20 m×30 m的矩形固定樣地，樣地均位于下坡位，坡向均為東北，土壤類型均為紅壤。撫育間伐時間為2015年，間伐株數(shù)強(qiáng)度分別為60.8%（強(qiáng)度撫育間伐）和 18.4%（中度撫育間伐）;對照樣地為：小班中區(qū)劃出的保留區(qū)域（該區(qū)域內(nèi)不采取任何撫育措施），基本情況見表1。

1.3 研究方法

自2016年12月至2018年12月，在間伐樣地和對照樣地內(nèi)，各隨機(jī)設(shè)置3個觀測樣點(diǎn)，每個點(diǎn)間隔10 m以上。在各觀測樣點(diǎn)1.5 m處安裝HOBO U23-001溫濕度記錄儀（溫度量程為-40～70 ℃，精度±0.21 ℃;相對濕度量程為0%～100%，相對濕度精度±2.5%），以此對林內(nèi)溫度、空氣相對濕度進(jìn)行長期的定時監(jiān)測。各氣象因子每天24 h不間斷監(jiān)測，每5 min記錄一次數(shù)據(jù)，測定高度為1.5 m，間隔1.5個月采集一次數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行林內(nèi)氣象因子變化對比分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2016軟件，統(tǒng)計(jì)不同撫育間伐強(qiáng)度的林分樣地的大氣溫度與相對濕度的差值變化，不同撫育間伐強(qiáng)度對溫濕度影響的顯著性用SPSS 22.0進(jìn)行成對樣本t檢驗(yàn)分析，繪圖軟件為Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同撫育間伐強(qiáng)度下林內(nèi)溫度變化

2.1.1 林內(nèi)溫度差異日變化

由圖2可知，不同撫育間伐強(qiáng)度下林內(nèi)氣溫差異的日變化特征（即間伐樣地溫度與對照樣地溫度的差值隨時間動態(tài)變化情況）存在差異。相比于未撫育間伐，強(qiáng)度撫育間伐后的樣地，在白天（5：00—17：00）林內(nèi)平均溫度更高，且增溫隨時間呈現(xiàn)鐘形變化，在13：00達(dá)到最大增幅，其2017年的最大溫差為+2.45 ℃，2018年的最大溫差為+2.94 ℃;而夜間（17：00至次日5：00）林內(nèi)溫度更低且整體降幅平穩(wěn)，2017年平均降溫約為0.076 ℃，2018年平均降溫約為0.126 ℃。相較于未撫育間伐，中度撫育間伐后的樣地在白天的林內(nèi)溫度更低且整體降幅平穩(wěn)，2017年平均降溫約為0.084 ℃，2018年平均降溫約為0.153 ℃，在12：00達(dá)到了最大降幅，2017年的最大溫差為-0.28 ℃，2018年的最大溫差為-0.41 ℃;而夜間林內(nèi)平均溫度更高且整體增幅平穩(wěn)，2017年平均增溫約為0.038 ℃，2018年平均增溫約為0.146 ℃。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，強(qiáng)度撫育間伐導(dǎo)致的溫度變化顯著高于中度撫育間伐導(dǎo)致的溫度變化（P<0.05），不同撫育強(qiáng)度在同一時間的年平均日溫度差值變化幅度的比值為1～104，強(qiáng)度撫育對比中度撫育具有更大的溫差變化。

在實(shí)驗(yàn)開展期間，雖然2018年變化幅度比2017年更大，但不同撫育間伐強(qiáng)度下林內(nèi)氣溫變化趨勢相同，這表明林內(nèi)日溫度變化特征對于不同撫育間伐強(qiáng)度響應(yīng)具有一致性，且強(qiáng)度撫育間伐后林內(nèi)日均溫變化更為敏感。

2.1.2 林內(nèi)溫度差異月變化

圖3為2017—2018年間不同撫育間伐強(qiáng)度下林內(nèi)氣溫差異的月變化特征（即間伐樣地月均溫度與對照樣地月均溫度的差值隨月份動態(tài)變化情況）。強(qiáng)度撫育間伐作業(yè)后，相比于未撫育間伐，在生長季即高溫季節(jié)（3—11月）林內(nèi)月平均溫度更高，而在休眠期即低溫季節(jié)（11月至次年3月）則更低，且在8月達(dá)到最大溫差，為+0.712 ℃。中度撫育間伐作業(yè)后，相比于未撫育間伐，在旺盛生長季（6—11月）林內(nèi)月平均溫度更低，而在非旺盛生長季（11月至次年3月）則更高，7月達(dá)到了最大溫差為+0.28 ℃。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，強(qiáng)度撫育間伐和中度撫育間伐均對林內(nèi)月平均溫度產(chǎn)生影響，且強(qiáng)度撫育間伐后變化更為敏感，但均不顯著（P>0.05）。

2.2 不同撫育間伐強(qiáng)度下林內(nèi)大氣相對濕度變化

2.2.1 林內(nèi)大氣相對濕度日變化

由圖4 可知，不同撫育間伐強(qiáng)度下林內(nèi)相對濕度差異的日變化特征（即間伐樣地相對濕度與對照樣地相對濕度的差值隨時間動態(tài)變化情況）存在一定差異。在與對照樣地進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度撫育間伐樣地的林內(nèi)日平均相對濕度全天均更小，且降幅隨時間點(diǎn)呈現(xiàn)倒鐘形變化，在13：00達(dá)到最大降幅，2017年的最大濕差為-8.66%，2018年的最大濕差為-11.43%。而中度撫育間伐樣地的林內(nèi)日平均相對濕度在任意時間均更高，且變化比較平穩(wěn)，2017年平均增濕為1.93%，2018年平均增濕為7.86%，在13：00達(dá)到最大增幅，2017年的最大濕差為+2.66%，2018年的最大濕差為+9.95%。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，強(qiáng)度撫育間伐和中度撫育間伐均對日平均相對濕度產(chǎn)生影響，且強(qiáng)度撫育間伐導(dǎo)致的相對濕度變化顯著高于中度撫育間伐導(dǎo)致的相對濕度變化（P<0.05）。在實(shí)驗(yàn)開展期間，不同撫育間伐強(qiáng)度下林內(nèi)日相對濕度響應(yīng)變化趨勢相同，林內(nèi)日相對濕度變化特征對于不同撫育間伐強(qiáng)度響應(yīng)具有一致性，但強(qiáng)度撫育間伐后林內(nèi)日均濕度變化更為敏感。

2.2.2 林內(nèi)大氣相對濕度月變化

圖5為2017—2018年不同撫育間伐強(qiáng)度下林內(nèi)相對濕度差異的月變化特征（即間伐樣地月均相對濕度與對照樣地月均相對濕地的差值隨月份動態(tài)變化情況）。強(qiáng)度撫育間伐作業(yè)后，相比于未撫育間伐，月平均相對濕度全年均更低，且在7月份達(dá)到最大差值，為-5.28%。中度撫育間伐作業(yè)后，相比于未撫育間伐，月平均相對濕度全年均更高，且在7月份達(dá)到最大差值，為+3.44%。強(qiáng)度撫育間伐和中度撫育間伐均對月平均相對濕度產(chǎn)生影響，但強(qiáng)度撫育間伐導(dǎo)致的平均相對濕度變化顯著高于中度撫育間伐（P<0.05）。

3 討論

3.1 中度撫育間伐的降溫分析

樣地實(shí)測數(shù)據(jù)表明，強(qiáng)度撫育間伐所導(dǎo)致的林內(nèi)小氣候變化激烈程度明顯高于中度撫育間伐。其中，強(qiáng)度撫育間伐較中度撫育間伐具有顯著性的增溫作用，與彌宏卓等 [22]對興安落葉松林的研究結(jié)果一致，但與許忠[23]對落葉松林的研究結(jié)果“中度撫育間伐亦具有增溫響應(yīng)”并不一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，中度撫育間伐對杉木林分具有降溫作用。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能為2個方面。一是杉木的樹冠為窄幅密冠型，而落葉松的樹冠為寬幅疏冠型，因此中度撫育間伐后杉木林內(nèi)的透光程度明顯小于落葉松林;二是南北差異，南方空氣及土壤濕度均高于北方，中度撫育間伐后南方杉木林內(nèi)土壤水分蒸發(fā)增強(qiáng)，林內(nèi)相對濕度提高而使氣溫下降，本研究中相對濕度變化分析也證實(shí)了這一點(diǎn)，即人工杉木林在強(qiáng)度撫育間伐后相對濕度變化顯著高于中度撫育間伐后的變化，中度撫育間伐具有更好的增濕與保濕作用，進(jìn)而起到了降溫與保溫作用。

3.2 撫育間伐促進(jìn)林木生長的機(jī)理分析

研究表明，強(qiáng)度撫育間伐對林內(nèi)溫度、相對濕度產(chǎn)生較為顯著的影響，這種變化原因主要在于林分緊密結(jié)構(gòu)因強(qiáng)度撫育間伐而轉(zhuǎn)變?yōu)橄∈杞Y(jié)構(gòu)，從而使林內(nèi)生態(tài)環(huán)境接近于空曠地環(huán)境;這種環(huán)境的激烈變化，將有利于強(qiáng)活力林木個體的生長，促進(jìn)樹高、胸徑的快速增長，但對于適宜成林整體生長的人工杉木林而言，并非一定能促進(jìn)整體快速增長。

相比于強(qiáng)度撫育間伐，中度撫育間伐后林分的溫濕度變化幅度更小，林內(nèi)小氣候更穩(wěn)定，且林分表現(xiàn)出高溫季節(jié)降溫增濕、低溫季節(jié)增溫增濕的作用，可在一定程度上減弱南方地區(qū)高光、高溫和凍害等對杉木的不利影響，因此，中度撫育間伐將為杉木提供更適宜的生長環(huán)境。

3.3 撫育間伐生態(tài)影響研究尚需深化

本研究涉及不同撫育間伐強(qiáng)度對林內(nèi)溫度和相對濕度的響應(yīng)，而林內(nèi)生態(tài)環(huán)境因子還包括土壤、光照和生物多樣性等，且林內(nèi)溫濕度變化與土壤、地形地貌和大氣環(huán)流等方面密切相關(guān)，同時，在不同的研究年份中，響應(yīng)的變化幅度也存在差距，因此，由于監(jiān)測時間不足3 a、監(jiān)測因子僅為2項(xiàng)，存在一定局限性。今后，將結(jié)合更多的微氣象因子，在更長的時間尺度上探索撫育間伐對森林生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的動態(tài)影響，為亞熱帶杉木人工林的經(jīng)營管理提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

杉木人工林林內(nèi)溫度和相對濕度的動態(tài)變化表明，不同撫育間伐強(qiáng)度對林內(nèi)的大氣溫度和相對濕度所產(chǎn)生的影響不同。

強(qiáng)度撫育間伐對杉木人工林林內(nèi)溫度動態(tài)的影響比中度撫育間伐更為明顯，具體表現(xiàn)為：

（1）強(qiáng)度撫育間伐后，林內(nèi)日溫變化為白天升溫而夜間降溫，月均溫變化為高溫季節(jié)升溫、低溫季節(jié)降溫;中度撫育間伐的影響則與之相反，即林內(nèi)日溫變化為白天降溫而夜間升溫，月均溫變化為高溫季節(jié)降溫、低溫季節(jié)升溫。

（2）強(qiáng)度撫育導(dǎo)致的溫度變化顯著高于中度撫育間伐導(dǎo)致的溫度變化，強(qiáng)度間伐樣地與中度間伐樣地在同一時刻年平均日溫差變化幅度的比值為1～104。

強(qiáng)度撫育間伐對杉木人工林林內(nèi)濕度的影響與中度撫育間伐截然不同。強(qiáng)度撫育間伐后的林內(nèi)濕度下降，而中度撫育間伐后林內(nèi)的濕度升高，且強(qiáng)度撫育間伐導(dǎo)致的大氣相對濕度變化顯著高于中度撫育間伐導(dǎo)致的大氣相對濕度變化。

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