撫育間伐對(duì)燕山北部山地林內(nèi)小氣候的影響

李亞男 ，許雪飛 ，許中旗 ，王 麗

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071000；3.河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局，河北 圍場(chǎng) 068400）

撫育間伐對(duì)燕山北部山地林內(nèi)小氣候的影響

李亞男1，2，許雪飛3，許中旗1，2，王 麗1

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071000；3.河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局，河北 圍場(chǎng) 068400）

為了探討撫育間伐對(duì)林分小氣候的影響，對(duì)燕山北部山地人工落葉松林和天然次生楊樺林的間伐區(qū)和未間伐區(qū)的林下照度、林內(nèi)溫度、空氣相對(duì)濕度及不同深度的土壤溫度進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明：間伐區(qū)林分的林下照度明顯大于未間伐區(qū)，前者為后者的4～5倍；間伐區(qū)淺層土壤溫度明顯大于未間伐區(qū)，間伐區(qū)與未間伐區(qū)土壤溫度的差異隨著土壤深度的增加而逐漸減小，15 cm以下土壤溫度的差異消失；間伐區(qū)的林內(nèi)氣溫與未間伐區(qū)沒有明顯差異；林內(nèi)的空氣相對(duì)濕度日進(jìn)程呈“V”字型，間伐區(qū)和未間伐區(qū)之間空氣相對(duì)濕度差異不明顯。由此得出結(jié)論，撫育間伐對(duì)林分內(nèi)的光照強(qiáng)度及淺層土壤溫度有明顯影響，并將對(duì)林分更新、林下植被發(fā)育及林地土壤的生物地球化學(xué)過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

林分小氣候；撫育間伐；林內(nèi)照度；土壤溫度；相對(duì)濕度

撫育采伐是依據(jù)合理密度理論,根據(jù)林分發(fā)育、自然稀疏規(guī)律及森林培育目標(biāo),調(diào)整樹種組成和林分密度，改善環(huán)境條件,促進(jìn)保留木生長(zhǎng)的一種營(yíng)林措施[1-3]，是森林經(jīng)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)。撫育采伐一方面對(duì)林分的密度、保留木的生長(zhǎng)、冠層結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)具有重要的調(diào)控作用[4-6]，另一方面可能對(duì)林內(nèi)的小氣候也有重要的影響。森林小氣候是在森林植被影響下形成的特殊氣候，包括林內(nèi)的光照、氣溫、相對(duì)濕度、土壤溫度等要素[7-9]。森林小氣候?qū)α窒轮脖坏陌l(fā)育、凋落物(包括根)的分解、土壤酶活性以及土壤呼吸等生態(tài)過程都有影響[10-11]。如，林內(nèi)光照條件與林下植物物種多樣性，土壤氮的礦化速率、土壤呼吸、礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收與土壤溫度都具有明顯的相關(guān)關(guān)系[1]。因此，森林小氣候研究是森林生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一，但是目前有關(guān)森林小氣候的研究多以典型林分類型下小氣候的分析及觀測(cè)為主[7,9,11-12]，而有關(guān)撫育采伐措施對(duì)森林小氣候影響的研究，尤其是定量研究還相對(duì)較少[1,13]。華北落葉松人工林及楊樺天然次生林是燕山北部山地主要的兩種森林類型，近年來受天然林保護(hù)及分類經(jīng)營(yíng)政策的影響，兩種林分撫育經(jīng)營(yíng)存在缺失的情況，林分結(jié)構(gòu)及功能都有明顯的退化趨勢(shì)，這與林內(nèi)的環(huán)境狀況，特別是小氣候有直接或間接的關(guān)系。本文以燕山北部山地的華北落葉松人工林及楊樺天然次生林為研究對(duì)象，探討撫育間伐對(duì)兩種林分小氣候的影響，為該地區(qū)森林的撫育經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局的孟灤林場(chǎng)的小橋子和混鐵溝。該林場(chǎng)地處渾善達(dá)克沙地南緣和灤河上游，屬大興安嶺、燕山余脈的匯接地帶以及壩上草原向壩下山地森林過渡的地帶，北緯 41°35′～ 42°40′，東經(jīng) 116°32′～117°14′，海拔高度750～1 998 m。該地區(qū)屬半干旱向半濕潤(rùn)過渡地帶大陸性季風(fēng)型山地氣候，無(wú)霜期67～128 d，年平均氣溫-1.4～4.7℃，極端最高氣溫38.9℃，極端最低氣溫-42.9℃，年均降水量380～560 mm，主要集中在7～9月。

在該地區(qū)森林植被類型豐富，以華北落葉松人工林和楊樺天然次生林所占比例最大。山楊Populus davidiana和 白 樺Betula platyphylla是天然次生楊樺林的主要樹種，棘皮樺Betula dahurica為主要伴生樹種，同時(shí)還有少量的五角楓Acer mono、大葉椴Tilia mandshurica、蒙古櫟Quercus mongolica等樹種。落葉松人工林內(nèi)主要伴生有山楊、白樺等樹種。兩種林分類型林下植物種類組成相似，林下灌木主要有毛榛Corylus mandshurica、 平 榛 Corylus heterophylla、 胡 枝子Lespedeza bicolor等，草本植物主要有龍牙草Agrimonia pilosa、烏蘇里苔草Carex ussuriensis、林地早熟禾Poa nemoralis等。

本研究的人工落葉松林位于孟灤林場(chǎng)的混鐵溝，起源為人工造林，林齡約為20 a，2009年進(jìn)行了撫育間伐，伐前密度約為2 383 株/hm2，伐后密度為983 株/hm2；天然次生楊樺林位于孟灤林場(chǎng)的小橋子，林分起源為天然更新，伐前密度為4 405 株/hm2，伐后密度為1 200 株/hm2。為了了解間伐對(duì)林分的生態(tài)影響，在對(duì)各林分進(jìn)行撫育時(shí)，設(shè)置了一定面積的保留區(qū)域，保留區(qū)域內(nèi)未進(jìn)行任何撫育活動(dòng)。

2 研究方法

在人工落葉松林及天然次生楊樺林的間伐及未間伐地段，分別設(shè)置20 m×30 m的樣地，在樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查林木的胸徑及林分密度，各林分樣地概況如表1所示。在2011年8月份、2012年5月份及2012年的7月份，選擇晴天，在間伐樣地及保留樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)觀測(cè)樣點(diǎn)，對(duì)林內(nèi)的各氣象因子指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)項(xiàng)目包括林下照度、溫度、空氣相對(duì)濕度和土壤（0、5、10、15、20 cm）溫度。各氣象因子從上午6:00開始觀測(cè)，到下午18:00，每1 h記錄1次數(shù)據(jù)。照度采用ST-85式照度計(jì)測(cè)定，林內(nèi)溫度、空氣相對(duì)濕度采用KESTREL4500便攜式氣象站測(cè)定。觀測(cè)均按中央氣象局編制的地面氣象觀測(cè)規(guī)范進(jìn)行[14]。

表1 樣地概況Table 1 Situation of plots

3 結(jié)果與分析

3.1 撫育間伐對(duì)林下照度的影響

間伐區(qū)與未間伐區(qū)林下照度對(duì)比如圖1所示。從圖1可以看出，在各個(gè)觀測(cè)時(shí)間，間伐樣地內(nèi)的照度明顯高于未間伐林地。以2011年8月12日的觀測(cè)結(jié)果為例，楊樺林間伐區(qū)林下照度平均值為全光照的65.7%，而未間伐區(qū)僅為12.4%。這主要是由于撫育間伐明顯降低了林分密度，天然次生楊樺林由4 405株/hm2下降為1 200株/hm2，人工落葉松林由2 383株/hm2下降為983株/hm2，密度的下降導(dǎo)致林分的郁閉度明顯降低，而林內(nèi)的照度則明顯增加。同時(shí)，由圖1還可以看出，2012年7月份間伐林地與未間伐林地內(nèi)照度的差異明顯小于2011年8月的觀測(cè)結(jié)果，這說明隨著林分的不斷生長(zhǎng)，間伐林地的郁閉度逐漸增加，與未間伐林地差異逐漸縮小，林下的照度也逐漸接近。由以上的分析可以看出，撫育采伐導(dǎo)致了林下照度的明顯增加，但隨著間伐后時(shí)間的推進(jìn)，間伐對(duì)光照的影響逐漸下降。

圖1 間伐區(qū)、未間伐區(qū)林下光照對(duì)比Fig.1 Comparison of light intensity in forest between thinning area and un-thinning ares

另外，由圖1可以看出，林分外，光照強(qiáng)度的日進(jìn)程均呈相對(duì)平滑的單峰曲線，且隨著太陽(yáng)高度角的變化而變化，于中午12:00～13:00達(dá)到最高值，而在人工落葉松林、天然次生楊樺林下的光照日進(jìn)程則呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)，這主要是由于林內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度除了受太陽(yáng)高度角和大氣透明度的影響之外，還受到森林林冠層的影響。林冠層具明顯的不均勻性，導(dǎo)致林下照度出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。光是森林植物生命活動(dòng)的能源，它直接影響到森林植被的生長(zhǎng)、發(fā)育、形態(tài)和生產(chǎn)力以及大氣的物質(zhì)和能量交換[11]。太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱對(duì)林木生長(zhǎng)和有機(jī)物質(zhì)的積累有重要的意義。通過撫育間伐可以明顯提高林內(nèi)的光照強(qiáng)度，改善保留木的光照條件，促進(jìn)林分的更新及林下灌木、草本植物的生長(zhǎng)，增加林下物種的多樣性。

3.2 撫育間伐對(duì)土壤溫度的影響

間伐區(qū)、未間伐區(qū)土壤溫度如圖2、圖3、圖4所示。由圖2到圖4可以看出，總體上人工落葉松林與天然次生楊樺林0、5、10、15、20 cm深度的土壤溫度均為：間伐區(qū)＞未間伐區(qū)。如人工落葉松林間伐區(qū)地表土壤最高溫度的平均值為43.3℃，明顯高于未間伐區(qū)的26.5℃。主要原因是林分經(jīng)撫育間伐后密度下降，其林冠郁閉度降低，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量增加，土壤能吸收更多的熱量，導(dǎo)致溫度高于未撫育間伐的林分。同時(shí)，由圖2、圖3、圖4也可以看到，兩者的差異隨土壤深度的增加逐漸減小，15 cm的深度上兩者的差異基本消失。

由圖2、圖3、圖4還可以看出，未間伐林地土壤溫度的變化幅度較小，間伐林地土壤溫度的變化幅度有明顯增加趨勢(shì)。以8月份為例，落葉松間伐后，表層土壤溫度的變化幅度為36.54℃(16.30～52.75℃)，而未間伐土壤溫度的變化幅度為9.80℃（16.05～25.85℃）；白樺林的也有類似的變化趨勢(shì)，分別為19.95℃（18.30～37.80℃）和9.90℃（17.40～27.30℃）。

另外，由圖2、圖3、圖4可以看到，無(wú)論是間伐林地還是未間伐林地，土壤溫度的變化隨著土壤深度的增加而表現(xiàn)出明顯的滯后性。表層土壤溫度最高值均出現(xiàn)在13:00～14:00之間，尤其是間伐區(qū)的林分較明顯，出現(xiàn)明顯的波峰，落葉松林間伐區(qū)表層土壤2011年8月最高溫52.75 ℃，出現(xiàn)在14:00，2012年5月最高溫47.20 ℃，出現(xiàn)在13:00，2012年7月最高溫38.55 ℃，出現(xiàn)在14:00；5 cm處的土壤溫度最高值則是出現(xiàn)在15:00～16:00之間，10～20 cm處溫度在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)都是逐漸增加的，17:00或18:00處達(dá)到最高值。其他時(shí)間的觀測(cè)結(jié)果也有類似的趨勢(shì)。深層土壤溫度的變化的滯后性與土壤對(duì)熱的傳導(dǎo)性較低有關(guān)。

圖2 間伐區(qū)、未間伐區(qū)不同深度土壤溫度比較（2011年8月）Fig.2 Comparison of temperature in different soils depth between thinning area and un-thinning (August, 2011)

圖3 間伐區(qū)、未間伐區(qū)不同深度土壤溫度比較(2012年5月)Fig.3 Comparison of temperature in different soils depth between thinning area and un-thinning area (May 2012)

圖4 間伐區(qū)、未間伐區(qū)不同深度土壤溫度比較(2012年7月)Fig.4 Comparison of temperature in different soils depth between thinning area and un-thinning area (July, 2012)

土壤溫度的改變會(huì)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程產(chǎn)生一系列的影響。土壤溫度的升高將使土壤動(dòng)物和微生物的活動(dòng)加速，枯落物和有機(jī)質(zhì)的分解速率加快，這將明顯促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程的進(jìn)行，有利于改善森林土壤的肥力狀況。因此，對(duì)林分進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿嵊煞ビ兄谏滞寥婪柿Φ奶岣摺?/p>

3.3 撫育間伐對(duì)林內(nèi)氣溫的影響

間伐區(qū)、未間伐區(qū)林內(nèi)氣溫見圖5。人工落葉松林、天然楊樺林間伐區(qū)與未間伐區(qū)林內(nèi)溫度呈明顯的單峰曲線,間伐區(qū)的氣溫與未間伐區(qū)沒有明顯差異。如2012年7月調(diào)查的數(shù)據(jù)中落葉松林間伐區(qū)日最高氣溫平均值為25.4 ℃，最低為14.2 ℃，未間伐區(qū)日最高氣溫平均值為25 ℃，最低值為12.3 ℃；白樺林間伐區(qū)日最高氣溫平均值為25.6 ℃，最低為16.1 ℃，間伐區(qū)最高氣溫平均值為25.6 ℃，最低值為14.9 ℃。彌宏卓等[1]在內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)興安落葉松林的研究結(jié)果表明，撫育間伐后林內(nèi)最高氣溫平均值為27.5 ℃，最低為20.2 ℃；未間伐的原始林的日最高氣溫平均值為26 ℃，最低為19.8 ℃，撫育間伐使林內(nèi)氣溫升高，但幅度不大。

3.4 撫育間伐對(duì)林內(nèi)空氣相對(duì)濕度的影響

間伐區(qū)、未間伐區(qū)空氣相對(duì)濕度的對(duì)比如圖6所示。由圖6可以看出，人工落葉松林、天然楊樺林間伐區(qū)與未間伐區(qū)的相對(duì)濕度的日變化趨勢(shì)一致，從6:00到12:00左右逐漸降低，在12:00～15:00時(shí)間段，相對(duì)濕度達(dá)到最低值，然后隨時(shí)間的推進(jìn)又開始上升。大氣相對(duì)濕度主要受太陽(yáng)輻射和氣溫的影響，一般來講，大氣相對(duì)濕度的變化與太陽(yáng)輻射和氣溫的日變化呈負(fù)相關(guān)。

圖5 間伐區(qū)、未間伐區(qū)氣溫對(duì)比Fig. 5 Comparison of air temperature between thinning forests and un-thinning forests

圖6 間伐區(qū)、未間伐區(qū)相對(duì)濕度比較Fig.6 Comparison of air relative humidity between thinning area and un-thinning area

同時(shí)，由圖6也可以看出，兩種林分的間伐區(qū)與未間伐區(qū)的空氣相對(duì)濕度的差異并不顯著。如間伐及未間伐的天然楊樺林相對(duì)濕度的平均值分別為15.88%和15.46%（5月2日），52.46%和52.67%（7月15日）；人工落葉松林相對(duì)濕度的平均值分別為30.35%、32.14%（5月3日），64.33%和64.52%（7月14日）。胡建偉等在研究撫育間伐對(duì)森林環(huán)境的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，林分經(jīng)25%強(qiáng)度的撫育間伐后，空氣的相對(duì)濕度由原來的61%下降到55%[15]；彌宏卓等在內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)也發(fā)現(xiàn)，撫育間伐后興安落葉松林的日平均相對(duì)濕度小于未間伐林地[1]。其他的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論[16-17]。本研究中沒有發(fā)現(xiàn)撫育間伐對(duì)人工落葉松林及天然次生楊樺林的相對(duì)濕度具有明顯影響，其原因可能在于兩種林分中未間伐觀測(cè)林地的面積（20 m×30 m）較小，由于林地與周圍環(huán)境的水汽交換，在林地內(nèi)難以形成穩(wěn)定的特有的大氣相對(duì)濕度環(huán)境。因此，一般的20 m×30 m的林分觀測(cè)樣地可能不適合進(jìn)行林分大氣相對(duì)濕度的觀測(cè)，應(yīng)盡可能擴(kuò)大林分的面積規(guī)模，以形成穩(wěn)定的林內(nèi)環(huán)境。

4 結(jié) 論

撫育采伐對(duì)落葉松人工林及天然次生楊樺林的小氣候有明顯影響，主要表現(xiàn)在林下照度和土壤溫度兩個(gè)方面。撫育采伐使林分內(nèi)的光照強(qiáng)度明顯增加，撫育采伐后林內(nèi)的相對(duì)照度提高4倍以上。同時(shí)，撫育采伐使林下淺層土壤溫度明顯增加，但增加幅度隨土壤深度的增加而逐漸減小，對(duì)深層土壤（深度超過15 cm）的影響不明顯；淺層土壤溫度有明顯的日變化，深層土壤的日變化不明顯。本研究中未發(fā)現(xiàn)撫育采伐對(duì)兩種林分的氣溫及大氣相對(duì)濕度有明顯影響。本研究表明撫育采伐可明顯提高林內(nèi)的光照強(qiáng)度和淺層土壤溫度，這將對(duì)林下植被的發(fā)育及林分更新，以及林內(nèi)土壤的生物地球化學(xué)過程產(chǎn)生明顯影響。

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Effects of thinning on forest microclimate in northern region of Yanshan Mountain

LI Ya-nan1,2, XU Xue-fei3, XU Zhong-qi1,2, WANG Li1
(1.Forestry College, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China; 2. Hebei Province Key Lab. of Genetic Resources of Forest and Forest Protection, Baoding 071000, Hebei, China; 3. Mulanweichang National Forestry Administration of Hebei Province,Weichang 068400, Hebei, China)

In order to study the effects of forest thinning on forest microclimate, the forest inner light intensity, air temperature, air relative humidity, temperature of different depth soils (0, 5, 10, 15 and 20 cm) from 2011 to 2012 were measured in the thinning area and un-thinning area of artificial Larch and natural secondary poplar and birch forests in northern region of Yanshan mountain, Hebei province. The results show that the light intensity in the thinning forests was markedly higher than that of the un-thinning forests, that of the former was 4 to 5 times of the latter. The shallow soil temperature of the thinning zone was significant greater than that of unthinning, the differences of the two zones were gradually diminished with the increase of soil depth, between the thinning area and not thinning area, and under 15 cm soil layer, the soil temperature differences disappeared. There was no distinct difference in air temperature between the thinning forest and un-thinning forest. The diurnal course of air relative humidity was like a V-shaped, there are no markedly difference in relative air humidity between the thinning forest and un-thinning forest. It is concluded that thinning have impacts on the forest inner illumination intensity, shallow soil temperature of forests and it is implied that thinning will have a profound impacts on forest regeneration, understory vegetation development and biogeochemical cycles of the forests.

stand microclimate; intermediate thinning; forest inner illumination intensity; temperature of soil; air relative humidity

S718.51+2

A

1673-923X(2015)11-0121-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.11.022

2015-01-10

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（200804027-07，20100400205）

李亞男，碩士研究生

許中旗，教授；E-mail：xzq7110@163.com

李亞男,許雪飛,許中旗,等. 撫育間伐對(duì)燕山北部山地林內(nèi)小氣候的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(11):121-127.

[本文編校：吳 毅]