人工林內(nèi)外氣象要素差異分析

翟祿新，晏忠鳳，程楠，遲晉浙，梁晟榮，胡婷，郭顏鈺

(廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，廣西師范大學(xué)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新研究院，巖溶生態(tài)與環(huán)境變化研究廣西高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541006)

森林與水的關(guān)系是生態(tài)水文學(xué)研究的核心問題[1]。森林生態(tài)水文研究已經(jīng)成為水循環(huán)與生物圈相互作用的一個(gè)重要領(lǐng)域。森林冠層、枯落物及林下土壤都參與水循環(huán)的過程，是水循環(huán)中必不可少的部分。因?yàn)樯钟姓趽酢⑽盏茸饔?，使得林?nèi)的熱量、水分等都得到重新分配，與林外相比產(chǎn)生了新的時(shí)空分布格局[1]。氣象要素成為林內(nèi)外生態(tài)水文效應(yīng)的重要指標(biāo)。

目前，國內(nèi)外對廣西桂北地區(qū)典型樹種的生態(tài)水文效應(yīng)研究還比較少。為了研究林內(nèi)外的生態(tài)水文效應(yīng)，在廣西桂北地區(qū)典型樹種的林外林內(nèi)建立自動氣象站，收集林內(nèi)外氣象數(shù)據(jù)，同時(shí)在林內(nèi)布置土壤探頭，并嘗試采用“原位觀測”對枯落物持水能力進(jìn)行定量觀測。在獲取一定氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以發(fā)現(xiàn)林內(nèi)外生態(tài)水文規(guī)律，研究結(jié)果可為涵養(yǎng)水資源、防止水土流失、區(qū)域水資源管理、認(rèn)識和理解生態(tài)水文效應(yīng)、探索森林如何影響和改善小氣候提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市，桂林市地處廣西東北部(25°15′23.3″ N，110°19′25.5″ E，平均高程150 m)。該地區(qū)屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，夏季雨量充沛，冬季溫和少雨，年平均降水量1 900 mm左右，年平均氣溫19 ℃；地帶性土壤為紅壤，有顯著的脫硅富鋁化成土特征，pH4.0～6.0，酸性較強(qiáng)；該地區(qū)樹種類型豐富，天然林破壞較為嚴(yán)重。為此，我們選取了在該地區(qū)具有代表性的樹種進(jìn)行研究，林區(qū)內(nèi)樹種不唯一。試驗(yàn)區(qū)位于廣西師范大學(xué)雁山校區(qū)田徑場東北側(cè)，主要樹種包括榕樹(FicusmicrocarpaLinn. f.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、高山榕(FicusaltissimaBl.)、黃葛(Ficusvirensvar.sublanceolata)、楓香樹(LiquidambarformosanaHance)、銀杏(GinkgobilobaL.)、桂花樹(OsmanthusfragransLour.)等。

2 研究方法

2.1 林內(nèi)外水文要素測定

根據(jù)《地面觀測氣象規(guī)范》，在選取樣方的林地內(nèi)外架設(shè)自動氣象站。對2019年10月—2020年4月的林內(nèi)外溫度、濕度、太陽輻射、風(fēng)向、風(fēng)速、降水等氣象要素實(shí)行1次·h-1的定時(shí)觀測。

2.2 計(jì)算分析方法

通過自動氣象站定時(shí)觀測收集林內(nèi)外溫度、濕度、風(fēng)速、降水等氣象要素，利用人工定時(shí)稱質(zhì)量觀測枯落物質(zhì)量。采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對林內(nèi)外氣象要素進(jìn)行一元線性回歸和相關(guān)分析，并利用平均截流量分析林內(nèi)冠層截留效應(yīng)。利用matlab軟件借助彭曼蒙特斯公式計(jì)算林內(nèi)外潛在蒸發(fā)量。

3 結(jié)果分析

3.1 冠層截留效應(yīng)

植被冠層是森林水文生態(tài)效應(yīng)的第一個(gè)活動層，是植被水源涵養(yǎng)及森林水文系統(tǒng)中降水再分配的首要層級。因此，植被冠層截留降水過程是水循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)[3]。植被冠層截留雨量包括降雨終止時(shí)被截留在樹體表面的雨水和在降雨過程中通過蒸發(fā)作用從樹體表面返回大氣的雨量[4]。降水強(qiáng)度、降水量和森林郁閉度是影響植被冠層截流量的重要指標(biāo)，其中降水量占主導(dǎo)地位。冠層截留的基本規(guī)律是：隨著森林郁閉度的增加，冠層截留量顯著增大；隨著林外降水量增加，冠層截留量也會顯著增大，但是當(dāng)林外降雨量增加到一定值后，冠層截留量增加趨勢減小，直至保持不變；一般降雨量相同的情況下，隨著降雨強(qiáng)度增大，冠層截留量減小。選取10次降水分析他們和林冠層截留之間的關(guān)系，如表1。

由表1可見，在選取的10次樣本容量中，12月2日、12月25日、12月30日、1月2日等4次降水雨量較少，降水量不足1 mm，由于受森林郁閉度的影響，降水大部分或全部被冠層截留，透冠雨量基本為0，截留達(dá)到100%；11月13日、12月1日、12月20日和12月26日等4次降水雨量相對較多，降水量達(dá)到5 mm左右，在不同森林郁閉度影響下，冠層截留量為48.89%～64.91%，截留效應(yīng)較強(qiáng)；12月21日降水量較多，冠層截留為5.84%，占比在10%以下，這表明隨著降雨量的增加截留量呈現(xiàn)下降趨勢。表明在不同森林郁閉度的影響下，冠層截留量一般隨著降雨量增大而增加，但增加到一定程度之后，隨著降雨量增加，冠層截留量呈減少趨勢。

表1 林內(nèi)外降水與冠層截留量記錄表

表2 冠層截留量與降水量一元回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)

由表2可見，其中R表示擬合優(yōu)度(相關(guān)系數(shù))，用R衡量林外降水和冠層截留量的擬合程度，R=0.175,表示只考慮降水量的情況下，冠層截流量和林外降水總量的相關(guān)性不明顯。表中調(diào)整后的R2=0.066，表示林外降水僅僅可以解釋冠層截留量6.6%的變化。因此擬合效果較差(圖1)。

3.2 林內(nèi)外氣象要素對比

林內(nèi)外溫濕度出現(xiàn)差異的主要原因是由于森林冠層對太陽輻射的吸收和地面長波輻射作用導(dǎo)致的，茂密的森林冠層也阻礙林內(nèi)外空氣的交換，降低了林內(nèi)風(fēng)速，使得林內(nèi)林木及其他植物蒸騰和林地蒸發(fā)等產(chǎn)生的水汽在林內(nèi)保持較多，導(dǎo)致林內(nèi)的空氣濕度高于林外[5]。

3.2.1 溫度 溫度與林木生長緊密相關(guān)，它是維持植物生命活動的重要?dú)庀笠蜃?。通過對比分析林內(nèi)外溫度差異，嘗試說明林內(nèi)外溫度存在差異的主要原因。

表3 林內(nèi)溫度與林外溫度一元回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)一覽表

由表3可見，相關(guān)系數(shù)R=0.966，說明林內(nèi)溫度和林外溫度相關(guān)性很強(qiáng)，并且呈現(xiàn)正相關(guān)，林外溫度越高，林內(nèi)溫度也越高。R2=0.933，表明林外溫度可以解釋林內(nèi)溫度93.3%的變化，擬合效果較好(圖2)。

圖3顯示(選取11月6日至1月7日數(shù)據(jù))，冬季林內(nèi)溫度變化劇烈，林外溫度變化波動較小，且由于受到森林的影響，冬季林內(nèi)溫度始終高于林外溫度。另外由于太陽輻射能大部分被植被冠層吸收或反射、散射出去，且林內(nèi)溫度本身就高，風(fēng)速較小。由于林內(nèi)空氣溫度變化主要依靠林內(nèi)外空氣對流運(yùn)動實(shí)現(xiàn)，因此林內(nèi)溫度變化略微滯后于林外溫度變化[6]。

3.2.2 濕度 林分對林內(nèi)空氣濕度的調(diào)節(jié)作用是非常明顯的，但是不同季節(jié)表現(xiàn)出的調(diào)節(jié)作用是有很大差別的。

表4 林內(nèi)濕度與林外濕度一元回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)一覽表

由表4可見，相關(guān)系數(shù)R=0.825，說明林內(nèi)濕度和林外濕度相關(guān)性很強(qiáng)。并且呈現(xiàn)比較明顯的正相關(guān)關(guān)系，林外濕度越大，林內(nèi)濕度也越大，主要是因?yàn)榱謨?nèi)林木和灌叢分布密集，其蒸騰作用顯著，從而使得林內(nèi)濕度較大。R2=0.680，表明林外濕度能解釋林內(nèi)濕度68%的變化，擬合效果良好(圖4)。

由圖5(選取11月6日至1月7日數(shù)據(jù))可以看出，林外濕度波動較大，可能是受到降水的影響，林外濕度不穩(wěn)定，而林內(nèi)濕度主要受到植物蒸騰的影響，波動比較小。

3.2.3 風(fēng)速 風(fēng)速影響林內(nèi)外的空氣交換。在茂密林內(nèi)風(fēng)速很大程度上受到森林郁閉度的影響，會使得林內(nèi)風(fēng)速遠(yuǎn)小于林外風(fēng)速，從而影響林內(nèi)外的潛在蒸散發(fā)量。

表5 林內(nèi)風(fēng)速與林外風(fēng)速一元回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)一覽表

由表5可見，相關(guān)系數(shù)R=0.829，說明林內(nèi)風(fēng)速與林外風(fēng)速具有良好的相關(guān)性，并且呈現(xiàn)出相對明顯的正相關(guān)關(guān)系，但是由于林內(nèi)風(fēng)速變化受到森林郁閉度和冠層葉面積指數(shù)等因素的影響較大，所以擬合圖分布效果一般，總體來說，林外風(fēng)越大，林內(nèi)風(fēng)速也越高。R2=0.686，表明林外風(fēng)速能解釋林內(nèi)風(fēng)速68.6%的變化，擬合效果一般(圖6)。

圖7顯示(選取11月6日至1月7日數(shù)據(jù))，在選取的研究區(qū)內(nèi)冬季林內(nèi)風(fēng)速遠(yuǎn)小于林外風(fēng)速。

3.3 林內(nèi)外蒸發(fā)能力分析

潛在蒸散發(fā)是指具備充分土壤水分條件下墊面的全部蒸發(fā)量[7]。嚴(yán)格意義上來說，蒸散發(fā)表示水分從陸面轉(zhuǎn)化為水蒸氣進(jìn)入大氣的所有過程總和，包括水面蒸發(fā)、陸面蒸發(fā)和植物蒸發(fā)[8]。

目前來看，潛在蒸散發(fā)估算方法主要分為3種類型[7]：(1)基于輻射的方法，包括Priestley-Taylor、Makkink等；(2)基于溫度的方法，包括Thomthwaite等；(3)基于輻射、溫度和空氣動力學(xué)項(xiàng)的Penman-Monteith方法。Penman-Monteith方法計(jì)算精度高，常常被作為潛在蒸散發(fā)(ET0)的估算標(biāo)準(zhǔn)。本文所應(yīng)用的參數(shù)比較簡單，僅獲取了溫度和總輻射的數(shù)據(jù)，利用matlab軟件借助彭曼蒙特斯(Penman-Monteith)公示計(jì)算林內(nèi)外潛在蒸發(fā)量。

圖8顯示(選取11月7至1月6日數(shù)據(jù))，利用彭曼蒙特斯公式計(jì)算出林內(nèi)外的潛在蒸散發(fā)分布差異明顯。潛在蒸散發(fā)與溫度、太陽輻射、海拔高度、風(fēng)速等很多因素相關(guān)。在冬季，溫度較低，太陽輻射較弱，加上林冠層的影響，林內(nèi)的直接蒸發(fā)很小，大多數(shù)是由植物蒸騰作用引起的水分蒸發(fā)，相比于林內(nèi)，林外的大多數(shù)蒸發(fā)量是由水面和陸面蒸發(fā)帶來的，因此潛在蒸發(fā)量較大。

表6 林內(nèi)潛在蒸發(fā)與林外潛在蒸發(fā)一元回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)

由表6可見，相關(guān)系數(shù)R=0.765，說明林內(nèi)潛在蒸發(fā)與林外潛在蒸發(fā)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，并且呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，林外潛在蒸發(fā)較強(qiáng)時(shí)林內(nèi)潛在蒸發(fā)也會增加。R2=0.577，說明林外潛在蒸發(fā)能解釋林內(nèi)潛在蒸發(fā)57.7%的變化，二者擬合效果良好(圖9)。

4 結(jié)論

4.1 在不同森林郁閉度的影響下，冠層截留量隨著降雨量增大而增加，增加到一定程度之后，隨著降雨量增加，冠層截留量減少。

4.2 林內(nèi)溫度和林外溫度相關(guān)性很強(qiáng)，并且呈現(xiàn)正相關(guān)。冬季林內(nèi)溫度變化劇烈，林外溫度變化波動較小，林內(nèi)溫度變化略微滯后于林外溫度變化，且由于受到森林郁閉度的影響，冬季林內(nèi)溫度始終高于林外溫度。

4.3 林內(nèi)濕度和林外濕度相關(guān)性很強(qiáng)，并且呈現(xiàn)比較明顯的正相關(guān)關(guān)系。林內(nèi)濕度較大，但林內(nèi)濕度波動相比林外較小。

4.4 林內(nèi)風(fēng)速與林外風(fēng)速具有良好的相關(guān)性，并且呈現(xiàn)出相對明顯的正相關(guān)關(guān)系。在大量分布植被的林地內(nèi)風(fēng)速很大程度上受到森林郁閉度的影響，使得林內(nèi)風(fēng)速遠(yuǎn)小于林外風(fēng)速。

4.5 在冬季，溫度較低，太陽輻射較弱，加上林冠層的影響，林內(nèi)的直接蒸發(fā)很小，大多數(shù)是由植物蒸騰作用引起的水分蒸發(fā)，相比于林內(nèi)，林外的大多數(shù)蒸發(fā)量是由水面和陸面蒸發(fā)帶來的，因此潛在蒸發(fā)量較大。