神農(nóng)架華山松人工林小氣候特征

崔鴻俠 唐萬鵬 潘 磊 楊敬元 姚圣典

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075；2.神農(nóng)架國家公園管理局 神農(nóng)架 442421；3.興山縣林業(yè)科學(xué)研究所 宜昌 443700)

森林小氣候是在森林植被影響下形成的特殊環(huán)境，是森林中水、熱、氣等各種氣象要素綜合作用的結(jié)果，它受林木組成與生長狀況、植被覆蓋度、森林經(jīng)營措施、地理?xiàng)l件以及天氣狀況等的綜合影響[1]。由于森林的存在，使熱量、水分等在時(shí)空上的交換與林外相比發(fā)生了顯著改變，從而使林內(nèi)溫度、濕度發(fā)生變化，還會讓降水、光照等在進(jìn)入森林后進(jìn)行重新分配。因此，開展森林小氣候研究對森林生態(tài)系統(tǒng)的功能研究具有重要的意義。

自上世紀(jì)初開始，國外許多學(xué)者研究了不同森林群落的環(huán)境特征[2,3]，并在60年代中期就開始使用先進(jìn)的光合有效輻射儀等進(jìn)行森林小氣候觀測。而國內(nèi)自上世紀(jì)80年代起主要采用小氣候常規(guī)觀測方法，從90年代末開始較多地采用小氣候梯度觀測方法進(jìn)行森林小氣候觀測[4-6]。國外往往針對某一具體氣象觀測指標(biāo)進(jìn)行比較深入的研究，而國內(nèi)進(jìn)行森林小氣候觀測時(shí)觀測指標(biāo)比較廣泛，常包括溫度、濕度、風(fēng)速、降水量、蒸發(fā)、輻射等，往往存在觀測項(xiàng)目多但研究不深的問題。

本文通過定位研究神農(nóng)架華山松人工林不同梯度氣象要素的動態(tài)變化，對該森林類型氣象要素進(jìn)行了分析，對揭示森林的生態(tài)功能，估算森林的環(huán)境效益，以及合理經(jīng)營森林資源提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)為下一步開展華山松森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于神農(nóng)架國家公園(110°03′～110°33′E，31°21′～31°36′N)，屬于三峽庫區(qū)、丹江口庫區(qū)和“南水北調(diào)”中線工程的水源區(qū)。區(qū)內(nèi)最低海拔398 m，最高海拔為3 106.2 m，為華中第一峰。氣候?qū)儆诒眮啛釒蚺瘻貛н^渡氣候，年平均氣溫12.0 ℃，空氣相對濕度74%，降水量800～2 500 mm，隨著海拔增高而增加。全年日照時(shí)數(shù)1 858 h。植被由低海拔到高海拔依次分布有常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針闊混交林、針葉林、灌叢和草甸。

華山松是神農(nóng)架地區(qū)分布的主要針葉林樹種，既分布有華山松純林，還分布著華山松與山楊(Populusdavidiana)、銳齒槲櫟(Quercusaliela)、糙皮樺(Betulaalbo-sinensis)等落葉闊葉樹種形成的針闊混交林。在垂直高度上，分布在海拔1 200～2 500 m，集中分布區(qū)位于海拔1 500～2 000 m。本研究中所選華山松林位于海拔1 610 m。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

采用梯度觀測塔觀測不同高度森林小氣候，觀測塔高度為33.0 m。采用自動氣象儀器觀測，分別在1.5 m(林內(nèi))、24.0 m(林冠上方)、33.0 m(塔頂)布設(shè)觀測儀器，其中1.5 m觀測指標(biāo)有空氣溫濕度、風(fēng)速、水汽壓、降雨量和太陽總輻射；24.0 m和33.0 m觀測指標(biāo)有風(fēng)速、水汽壓和空氣溫濕度；土壤溫濕度觀測深度為10、20和30 cm，數(shù)據(jù)自動采集是隔10 min一次，一天記錄一次。觀測時(shí)間為2017年1月1至12月31日。

2.2 數(shù)據(jù)分析

本文采用Excel2007和SAS9.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣溫度

華山松林內(nèi)、林冠上方和塔頂3個(gè)梯度全年平均溫度分別為9.47 ℃、9.63 ℃和9.62 ℃，3個(gè)梯度上最高溫均出現(xiàn)在7月份，最低溫出現(xiàn)在1月份。從1月至3月，以及10月至12月，林內(nèi)溫度略高于林外溫度，而從4月至9月，林內(nèi)溫度略低于林外溫度。這表明在寒冷季節(jié)，森林具有增溫作用，而在炎熱季節(jié)，森林具有降溫作用。

3.2 空氣濕度

3個(gè)梯度全年平均濕度分別為81.95%、77.14%和76.54%，隨著高度增加，空氣濕度逐漸減小。與林外2個(gè)梯度相比，林內(nèi)空氣濕度略高，表明森林可以提高空氣濕度，這主要是因?yàn)榱謨?nèi)風(fēng)小，空氣與林外交換弱，加上林冠的阻擋，使得林內(nèi)潮濕空氣不易擴(kuò)散，從而使林內(nèi)空氣濕度增大。3個(gè)梯度的空氣濕度變異系數(shù)分別為8.74%、12.67%和12.75%，表明華山松人工林在不同月份的空氣濕度變化較小，尤其是林內(nèi)空氣濕度比較穩(wěn)定。

3.3 風(fēng)速

不同梯度月平均風(fēng)速變化情況(見圖1)。3個(gè)梯度上月平均風(fēng)速變化趨勢一致，全年平均風(fēng)速分別為2.41 、4.56和5.16 m/s，隨著高度增加，風(fēng)速逐漸增加。與林外2個(gè)梯度相比，林內(nèi)風(fēng)速明顯降低，風(fēng)速分別降低47.15%和53.29%，但在不同月份風(fēng)速降低率比較穩(wěn)定。主要原因在于森林樹干和樹冠對林內(nèi)空氣流動有阻擋，能起到降低風(fēng)速的作用。而且由于華山松為常綠樹種，樹冠特征在四季變化不大，因此在不同月份對風(fēng)速的影響較一致。

圖1 不同梯度月平均風(fēng)速變化

3.4 水汽壓

不同梯度月平均水汽壓變化情況見圖2。3個(gè)梯度上水汽壓變化不大，全年平均值分別為1.08 kPa、1.02 kPa和1.01 kPa，林內(nèi)水汽壓略高于林外，林冠上方和塔頂2個(gè)梯度水汽壓基本相同。3個(gè)梯度上月平均水汽壓變化趨勢一致，均呈拋物線型，8月份前，水汽壓逐漸增加，在8月份達(dá)到最大值后，逐漸下降。

圖2 不同梯度月平均水汽壓變化

圖3 空氣溫度與水汽壓關(guān)系

根據(jù)水汽壓在不同月份的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)其與空氣溫度月變化規(guī)律比較一致，因此可以認(rèn)為空氣溫度與水汽壓存在一定相關(guān)性。通過對水汽壓與溫度進(jìn)行擬合，效果非常顯著，兩者關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)來表示(見圖3)，回歸方程為y﹦0.458 3e0.0721x，R2=0.943 3，經(jīng)檢驗(yàn)回歸方程達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，說明空氣溫度與水汽壓呈極顯著正相關(guān)。

3.5 降水量

本研究中降水量指林內(nèi)穿透雨水量。全年華山松林內(nèi)降水量為1 335.3 mm，雨水非常充沛。降水量主要集中在4至9月，占全年降水量的88.6%。全年最大降水量出現(xiàn)在8月份，達(dá)到301.1 mm，最小降水量出現(xiàn)在11月份，僅有6.0 mm。

圖4 不同月份林內(nèi)降水量

3.6 太陽總輻射

太陽輻射是森林的主要熱量來源，是森林生態(tài)系統(tǒng)中所有生命活動的能源，也是形成森林生態(tài)系統(tǒng)能量的重要基礎(chǔ)[7]。本研究中華山松林內(nèi)全年太陽總輻射為645.6 MJ/m2，太陽總輻射的大小在不同季節(jié)差異較大，夏季最大為245.1 MJ/m2，其次為春季197.1 MJ/m2，秋季113.0 MJ/m2，冬季89.4 MJ/m2。林內(nèi)總輻射受太陽高度角和方位角，以及林冠結(jié)構(gòu)、葉面積以及葉的吸收和反射特性等綜合影響，由于所選林分的林冠結(jié)構(gòu)季節(jié)差異不明顯，因此華山松林內(nèi)太陽總輻射差異主要是由太陽高度角與方位角引起。

圖5 不同月份林內(nèi)太陽總輻射

3.7 土壤溫濕度

華山松林不同月份土壤溫濕度變化情況見表1。從表中可知，林內(nèi)土壤溫度最大值出現(xiàn)在8月份，最小值出現(xiàn)在2月份，這與林內(nèi)空氣溫度最高溫和最低溫出現(xiàn)的月份并不一致。不同土層土壤溫度在不同月份的變化規(guī)律也不相同，其中在1月至3月，以及10月至12月，土壤溫度隨土層深度增加而升高，但在4月至9月，土壤溫度隨土層深度增加而降低。

華山松林內(nèi)土壤濕度在全年變化不大，不同土層土壤濕度在全年均保持在30%左右，但隨著土層增加，土壤濕度有增加的趨勢。

表1 不同月份林內(nèi)土壤溫濕度

4小結(jié)

(1)神農(nóng)架華山松林空氣溫度與土壤溫度在不同月份變化規(guī)律不盡相同，空氣最高溫和最低溫分別出現(xiàn)在7月份和1月份，土壤最高溫和最低溫分別出現(xiàn)在8月份和2月份。從1月至3月，以及10月至12月，林內(nèi)(1.5 m)空氣溫度略高于林外溫度，土壤溫度隨土層深度增加而升高；從4月至9月，林內(nèi)溫度略低于林外溫度，土壤溫度隨土層深度增加而降低。

(2)觀測期降水量主要集中在4至9月，占全年降水量的88.6%，全年雨水非常充沛?？諝鉂穸入S觀測高度的增加逐漸減小。土壤濕度在全年變化不大，但隨著土層增加，土壤濕度有增加的趨勢。

(3)風(fēng)速隨著觀測高度的增加而逐漸增加。水汽壓在全年變化呈拋物線型，在8月份水汽壓最高，且空氣溫度與水汽壓呈極顯著正相關(guān)。

(4)太陽總輻射的大小在不同季節(jié)差異較大，夏季最大，其后依次為春季、秋季和冬季。