蘇南丘陵區(qū)典型林分林內(nèi)外氣溫變化規(guī)律研究

葛 波，莊家堯，常 猛，張 宇(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)

【研究意義】小氣候[1]是指在小范圍內(nèi)由于不同的下墊面構(gòu)成特征，形成的近地面層和大氣候產(chǎn)生差異的現(xiàn)象，溫度是小氣候觀測的重要指標，溫度的適宜性關(guān)乎著生物生長的狀況，直接影響到林分的生長速度、枯枝落葉分解速率、土壤微生物活動[2]。目前國內(nèi)外已經(jīng)做過許多關(guān)于林內(nèi)外溫度變化規(guī)律的研究，徐春蕾[3]基于喀斯特峰叢洼地次生林、坡耕地 2 個動態(tài)監(jiān)測樣地的連續(xù)觀測，探討了林分和小氣候的藕合關(guān)系，得出林內(nèi)外氣溫的相關(guān)性較其他氣象因子強，太陽輻射強度的不同和林內(nèi)外溫度變化關(guān)系密切，太陽輻射的強度又受到林冠結(jié)構(gòu)、太陽高度角、葉面積指數(shù)、林分生長狀況的影響[4]。劉效東[5]通過觀測南亞熱帶地區(qū)初期、過渡期、頂級 3 種不同演替時期的林分，得出隨著森林演替的進行，森林的降溫效應(yīng)會更加顯著，其中干季森林對林內(nèi)外氣溫調(diào)節(jié)作用更為明顯，對干季森林內(nèi)部水熱供需平衡調(diào)節(jié)意義重大。郝帥[6]在天山云杉林不同海坡處設(shè)立觀測站，分析的到5-9月份，林內(nèi)平均溫度、日較差均小于林外且林內(nèi)外溫度日變化規(guī)律呈現(xiàn)同樣的趨勢，隨著觀測海拔的提高，林內(nèi)溫度每百米的遞減率高于林外。杜穎對長白山落葉紅松林嚴寒季節(jié)的觀測數(shù)據(jù)分析，探討了林內(nèi)氣溫變化的晝夜垂直梯度，夜間紅松林有降溫作用，白天紅松林有升溫作用。任引[7]采用DYYZII型地面氣象綜合有線遙測系統(tǒng)采集中亞帶甜儲林的氣象要素，分析得到由于甜儲林林份林冠的蓋幕作用，林內(nèi)年平均溫度小于林外，不同的海拔高度甜儲林林內(nèi)外年平均溫度均不同，海拔高度是影響林內(nèi)外溫度變化特征的首要因素。【前人研究進展】關(guān)于林內(nèi)外溫度變化的研究氣候包括了季風氣候、大陸性山地氣候、海洋性氣候地帶，但是關(guān)于蘇南地區(qū)林內(nèi)外溫度變化的單獨研究較少，主要研究集中在林內(nèi)外溫度對小氣候濕度[8]、土層溫度的影響[9]，但對林分類型對林內(nèi)外氣溫最值出現(xiàn)時刻的滯后性研究較少，掌握氣溫最值出現(xiàn)時刻的滯后作用是減少熱島效應(yīng)、增加綠島效應(yīng)的有效途徑[10]?！颈狙芯壳腥朦c】本文通過對蘇南地區(qū)南京市銅山土壤溫度資料，以日、月、季、年為尺度，以15 min為記錄單位，對蘇南地區(qū)3種典型林分和裸地24 h的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，旨在揭示森林對林內(nèi)外溫度改善的作用，【擬解決的關(guān)鍵問題】為蘇南地區(qū)小氣候變化變化研究提供依據(jù)，為合理管理森林資源、保護森林生態(tài)環(huán)境、最大化森林的效益提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于蘇南地區(qū)南京東善橋林場銅山分場(31°35′～31°39′N，118°50′～118°52′E)，屬亞熱帶季風氣候,地形為蘇南丘陵。區(qū)內(nèi)氣候溫暖濕潤，四季分明，水熱資源比較豐富，生長季長，降水豐沛，年平均氣溫15.1 ℃，無霜期 229 d 年日照時間199 h，年平均降水量1100 mm，資源比較豐富，年平均降水量1100 mm，土壤類型為黃棕壤，地形為丘陵，海拔在38～388 m，林分類型以杉木(Cunninghamialanceolata)，麻櫟(Quercusacutissima)，毛竹(Phyllostachyedulis)林為主，均為蘇南丘陵區(qū)典型林分，林下灌木草本主要以山胡椒[Linderagluca(sieb.et Zucc.)Bl.]、鹽膚木(Rhuschinensis)、一年蓬(Erigeronannuus)、藎草[Arthraxonhispidus(Thunb.)Makino]、草蘽(RubustephrodesHance)為主。采用樣地法對林分進行取樣調(diào)查，樣地大小為20 m×20 m，坡度均為NE。

1.2 研究方法

選擇光照條件較好的試驗點，試驗點設(shè)置考慮上下坡氣溫的差異，在麻櫟林、毛竹林、杉木林、裸地上下坡均設(shè)立1個小型氣溫監(jiān)測點，上坡距離中心點5 m,下坡距離中心點5 m，取上下坡氣溫平均值作為瞬時數(shù)據(jù)。

使用EM50數(shù)據(jù)收集器記錄溫度，距離地面1.2 m，定期維護儀器，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。觀測時間為2011年1月至2012年1月，每15 min 記錄1次數(shù)據(jù)，每1個月收集1次數(shù)據(jù)。四季的劃分采用氣象劃分法，以陽歷3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。取1月11日、4月17日、7月9日、10月7日作為典型日變化，用來說明春夏秋冬四季的溫度日變化，其中4 d均為晴天，且前后3 d無陰雨天氣；取2011年1月至2012年1月各月瞬時數(shù)據(jù)的平均值作為該月份的平均溫度，用來分析林內(nèi)外溫度的季節(jié)變化，取2011年1月至2012年1月各林分的瞬時數(shù)據(jù)計算林內(nèi)外溫度年均值，分析林分對林內(nèi)外溫度年際變化的影響；取2011年1月至2012年1月的瞬時數(shù)據(jù)對每日出現(xiàn)的最高溫、最低溫的頻率進行統(tǒng)計，分析各林分的滯后作用。

采用EXCEL軟件和SPSS 19統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析，使用Origin8繪圖。

表1 林分基本特征Table 1 Basic character of forest stand

2 結(jié)果與分析

2.1 典型林分林內(nèi)氣溫日變化特征

圖1選取了一年四季中代表月份(1、4、7、10月)典型日林內(nèi)外氣溫日變化特征。各個季節(jié)的林內(nèi)和林外的氣溫日變化有相似的基本規(guī)律并且均呈正弦函數(shù)變化曲線，春秋夏季0：00-7：00氣溫逐漸降低，冬季0：00-2：00氣溫逐漸降低，隨著太陽輻射的開始，氣溫在7：00后逐漸上升，并于14：00達到最高氣溫，14：00-24：00逐漸下降。春秋夏季的日變化幅度較冬季大，其中春季氣溫日變化較劇烈，麻櫟林毛竹林裸地的日變化幅度較杉木大。整體來說日最高氣溫裸地最高(4個典型日平均23.2 ℃)，其次是麻櫟林(20.6 ℃)，毛竹林(20.2 ℃)和杉木林(18.7 ℃)日最高氣溫相對較小。隨著林內(nèi)外太陽輻射不同，呈現(xiàn)夜晚林內(nèi)>裸地、白天裸地>林內(nèi)，白天林分由于林冠的反射和吸收作用消弱了到達林內(nèi)的太陽輻射，夜晚由于林冠對霧、露水的凝結(jié)截留作用使林內(nèi)氣溫比林外氣溫高，因此林內(nèi)氣溫的日變化幅度較林外小，且森林有白天降溫、夜晚保溫的作用。

2.2 典型林分林內(nèi)溫度季變化

2.2.1 月氣溫均值統(tǒng)計 表2是統(tǒng)計了2011-2012年各月份不同林分類型的氣溫平均值，表3是麻櫟林、毛竹林、杉木林各月平均氣溫和裸地的差值。由表2～3可知，麻櫟林、毛竹林、杉木林大部分月平均氣溫都小于裸地氣溫，3-10月林內(nèi)氣溫均小于林外氣溫，5-7月份3個樹種林內(nèi)外溫差達到外氣溫的平均值大于杉木林，麻櫟林其次。在1、2、11月出現(xiàn)了林內(nèi)氣溫大于林外氣溫的現(xiàn)象，麻櫟林升溫作用大于杉木，毛竹林其次，這是因為冬季麻櫟最大值，說明麻櫟林、毛竹林、杉木林在生長的旺季都能有效的降低林內(nèi)外溫度，其中毛竹林降低林內(nèi)林、毛竹林、杉木林均會落葉，由于冬季林冠郁閉度變小，枯枝落葉量增加，使林下接收太陽輻射，土壤微生物的活動更為活躍，枯落物分解釋放出更多的熱量，導(dǎo)致地表溫度升高，麻櫟林林、毛竹林、杉木林落葉量是麻櫟林>杉木林>毛竹[11-13]。綜合分析12個月的氣溫，麻櫟林、毛竹林、杉木林均為7月份氣溫最高，分別是26.6、25.6、25.5 ℃，林外裸地月平均氣溫也是7月份最高，為27.3 ℃。各林分林內(nèi)各月平均氣溫比較見圖2。

圖1 不同季節(jié)林內(nèi)外溫度日變化Fig.1 Diurnal variation of temperature inside and outside forest in different seasons

表2 各月不同林分內(nèi)的平均溫度Table 2 Average temperature in different months in each month

表3 各林分與裸地平均溫度差值Table 3 Average temperature difference between the stands and bare land

圖2 各月各林分內(nèi)平均溫度Fig.2 Monthly average temperature of each forest

2.2.2 季氣溫均值及標準偏差統(tǒng)計 由圖3可以看出，各林分林內(nèi)溫度季均值和2011-2012年各季瞬時數(shù)據(jù)的標準偏差，在春季麻櫟林、毛竹林、杉木林均能降低林內(nèi)溫度，毛竹林的效果最佳(3.3 ℃)杉木林次之(1.2 ℃)麻櫟林效果不明顯。在夏季各林分均能降低林內(nèi)溫度，其中麻櫟林和杉木林效果相當，麻櫟林(2.8 ℃)、杉木林(3.5 ℃)，毛竹林次之(2 ℃)。在秋季毛竹林能降低林內(nèi)溫度較明顯(3.8 ℃)，麻櫟林和杉木林則效果不明顯(0～0.6 ℃)，在冬季杉木林能提高林內(nèi)溫度(1.6 ℃)麻櫟林和毛竹林均能降低降低林內(nèi)溫度，其中麻櫟林降低1 ℃，毛竹林降低1.7 ℃。春夏秋冬四季麻櫟林、毛竹林、杉木林的標準偏差均小于裸地，說明林分的存在使氣溫季節(jié)變化更加穩(wěn)定，波動更小。

2.3 典型林分林內(nèi)溫度的年際變化

2.3.1 年均值及年較差統(tǒng)計 表4是對各林分林內(nèi)溫度年均值和年較差進行統(tǒng)計分析，各個林分的年較差均小于裸地，年較差大小依次為：裸地、麻櫟林、毛竹林、杉木林，表明了毛竹林和麻櫟林一年內(nèi)林內(nèi)溫度變化幅度較大，杉木林變化幅度最小。各林分年林內(nèi)溫度均值的大小依次為：裸地、毛竹林、杉木林、麻櫟林。表明，各個林分均能降低林內(nèi)溫度，其中，麻櫟林林的效果最好，能降低0.5 ℃，毛竹林和杉木林效果一般，能降低年均值0.3、0.4 ℃。

表4 林內(nèi)外溫度年均值Table 4 Average temperature in and outside the forest

圖3 各林分林內(nèi)溫度季均值Fig.3 Average temperature of each forest in the forest

2.3.2 滯后分析 通過對各林分和裸地林內(nèi)溫度的最高溫及最低溫出現(xiàn)的時刻進行頻率統(tǒng)計分析(表5，圖4～5)，裸地林內(nèi)氣溫出現(xiàn)最值的時間最早，其次是毛竹林、麻櫟林、杉木林，麻櫟林約滯后45 min，毛竹林約30 min，杉木林約滯后75 min;麻櫟林、毛竹林、杉木林、和裸地出現(xiàn)最低溫的時間大致相同，均在23：45，次低溫中，裸地最先出現(xiàn)次低溫，其次是杉木林、毛竹林、麻櫟林，其中杉木林和毛竹林大致相同，約滯后30 min，麻櫟林約滯后75 min。蘇南地區(qū)屬于亞熱帶氣候，試驗地春秋季節(jié)短、冬夏季節(jié)長，冬夏氣溫差顯著，且低氣溫較集中與凌晨零點，因此，試驗中最低溫出現(xiàn)時間大致相同，凌晨后次低溫的出現(xiàn)時間能體現(xiàn)出森林對氣溫最值出現(xiàn)的時刻的滯后現(xiàn)象。

2.3.3 極值分析 圖6～7顯示，通過極值分析的方法計算各個林地和裸地各月林內(nèi)氣溫最高值最低值的差值，使用裸地溫度減去各林分溫度，麻櫟林、毛竹林、杉木林林內(nèi)月最高氣溫基本高于裸地，總的來說杉木林與裸地的林內(nèi)溫度最高溫之差最高，麻櫟林和毛竹林與裸地林內(nèi)最高溫差異不顯著。麻櫟林、毛竹林、杉木林和裸地月最低溫的差值規(guī)律基本相似，杉木林各個月的林內(nèi)最低溫均比裸地高，麻櫟林和毛竹林對林內(nèi)最低溫提升作用不顯著。表明各林分均有降低林內(nèi)最高溫的作用、提高林內(nèi)最低溫的作用，杉木林作用最為顯著，麻櫟林次之，毛竹林效果相比最差。

表5 林內(nèi)溫度最高溫與最低溫出現(xiàn)頻率峰值點Table 5 Temperature of the forest temperature peak value of the peak point

圖4 林內(nèi)最大溫度出現(xiàn)時刻頻率Fig.4 Maximum frequency of temperature

圖5 林內(nèi)最小溫度出現(xiàn)時刻頻率Fig.5 Minimum temperature frequency of occurrence

3 結(jié) 論

(1)在不同的季節(jié)中，森林對林內(nèi)外氣溫的改變能力不同，其中春季氣溫日變化較劇烈，隨著林內(nèi)外太陽輻射不同，呈現(xiàn)林內(nèi)>裸地、裸地>林內(nèi)、林內(nèi)>裸地3個階段;在森林生長旺季的夏季，林內(nèi)氣溫日變化較平緩，這與王景升[13]的研究結(jié)果相一致，林內(nèi)由于林冠層的存在和枯枝落葉的覆蓋作用大大減少了到達林冠層的太陽輻射，使林內(nèi)氣溫的震蕩幅度較裸地小。麻櫟林、毛竹林的日變化幅度較杉木大，說明麻櫟林和毛竹林能使林內(nèi)氣溫處于穩(wěn)定的狀態(tài)，更加適合林內(nèi)生物生長。

圖6 各林分與裸地月最高溫差值Fig.6 Difference monthly maximum temperature in stands and nudation

圖7 各林分與裸地月最低溫差值Fig.7 Difference monthly minimum temperature in stands and nudation

(2)森林在春、夏、秋季均有降低林內(nèi)氣溫，冬季除了杉木林能提高林內(nèi)氣溫外，麻櫟林和毛竹林均能有效的降低林內(nèi)氣溫，這是因為冬季杉木林落葉量大，由于林冠下接收太陽輻射的增加和枯落物分解釋放熱量，導(dǎo)致林內(nèi)溫度的提高。在生長旺季5-7月份森林的林內(nèi)外溫差達到最大值，說明在生長旺季森林能有效的降低林內(nèi)氣溫，這與徐云蕾的研究結(jié)果相一致。對比3個林分的氣溫季節(jié)變化，可以得出春秋季毛竹林降低林內(nèi)氣溫效果最好，夏季麻櫟林和杉木林降低林內(nèi)氣溫的效果最好，整體來說，毛竹林降低林內(nèi)氣溫的效果最好，其次是杉木林，最后是麻櫟林。

(3)森林能有效的降低林內(nèi)氣溫的年均值，各林分年林內(nèi)氣溫均值的大小依次為：裸地、毛竹林、杉木林、麻櫟林，分析各個林分的林內(nèi)氣溫年較差可知麻櫟林降低氣溫年均值的效果最好，能降低年均值0.5 ℃，麻櫟林、毛竹林、杉木林林內(nèi)氣溫年較差均小于裸地氣溫年較差，說明森林內(nèi)林內(nèi)氣溫的變化緩和，林外溫度低時森林起到了保溫作用，溫度高時有降溫作用，這與J. Biometeor[14]研究相一致。

(4)森林有滯后林內(nèi)氣溫最高溫、次低溫出現(xiàn)時間的作用，在本文中，最低溫出現(xiàn)時刻，麻櫟林、毛竹林、杉木林和裸地相一致，主要是因為研究區(qū)域的日氣溫最低時刻一般都是在23：00-24：00，隨后才會慢慢升溫。整體來說，麻櫟林的滯后作用較好，其次是杉木林，毛竹林的效果最差。表明了森林林冠層直接影響到林內(nèi)最高溫、最低溫的出現(xiàn)時間。森林對氣溫的滯后作用可用于緩解城市內(nèi)部的熱島效應(yīng)，合理的選擇樹種達到森林生態(tài)效益的最大化。

(5)森林有降低林內(nèi)氣溫最高值溫，提高林內(nèi)氣溫最低值的作用。林內(nèi)外月氣溫最高值、最低值的差值與林冠的覆蓋率呈正相關(guān)關(guān)系，杉木林作用最為顯著，麻櫟林次之，毛竹林效果最差，這與歐陽學(xué)軍[15]的研究相一致。林冠的存在削弱了太陽輻射到達林內(nèi)的強度，減少了林內(nèi)外氣溫的冷熱交換，正是林冠對氣溫調(diào)節(jié)的正作用，使森林具有了降低高溫，提高低溫的作用。

4 討 論

綜合所述，本文所研究的蘇南丘陵地區(qū)3種典型樹種，麻櫟林和毛竹林能使林內(nèi)氣溫處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，春秋季毛竹林降低林內(nèi)氣溫的能力優(yōu)于麻櫟林和杉木林，夏季麻櫟林和杉木林降低林內(nèi)氣溫的能力更好，麻櫟林降低氣溫年均值的效果優(yōu)于杉木林和毛竹林，麻櫟林的滯后林內(nèi)氣溫最值出現(xiàn)時間的作用較好，其次是杉木林，毛竹林的效果最差。杉木林降低林內(nèi)最高溫，提高林內(nèi)最低溫的作用較明顯。此結(jié)論可作為蘇南丘陵區(qū)森林資源合理分配開發(fā)的指導(dǎo)。

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