神農(nóng)架華山松林內(nèi)外氣候特征比較

崔鴻俠　胡文杰　唐萬鵬　楊敬元　余輝亮

摘要：采用自動氣象觀測站對林內(nèi)外小氣候進行定位觀測的方法，以神農(nóng)架森林生態(tài)站2019年9月～2020年8月氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從空氣溫濕度、風速、降水量、太陽總輻射、光合有效輻射、土壤溫度等因子對神農(nóng)架華山松人工林林內(nèi)外氣象要素進行比較分析。結(jié)果表明：在冬季林內(nèi)空氣溫度和土壤溫度高于林外，而其他季節(jié)林外空氣溫度和土壤溫度高于林內(nèi)。降水量主要集中在6～10月，林內(nèi)外降水量分別占全年降水量的79.7%和76.9%?？諝庀鄬穸戎饕芙邓康挠绊?，在雨季林內(nèi)相對濕度高于林外，而其他季節(jié)林外相對濕度高于林內(nèi)。林內(nèi)風速低于林外，林內(nèi)比林外月平均風速降低44.3%。全年林內(nèi)外太陽總輻射分別為1 047.9 MJ·m-2和4 116.9 MJ·m-2，光合有效輻射分別為514.4 umol·m-2s-1和1 987.9 umol·m-2s-1，林內(nèi)太陽總輻射和光合有效輻射在各月均明顯低于林外。

關(guān)鍵詞：神農(nóng)架;華山松人工林;林內(nèi)外;森林小氣候

中圖分類號：S716.3文獻標識碼：A文章編號：1004-3020（2022）02-0001-05

Comparison of Climatic Characteristics Inside and Outside Pinus armandii Forest in Shennongjia

Cui Hongxia Hu Wenjie Tang Wanpeng Yang Jingyuan Yu Huiliang

Abstract：With the experimental ways of locating observation for the forest microclimate by automatic weather station. Based on the observation data from September 2019 to August 2020 of Shennongjia Forest Ecosystem Research Station，this paper applied air temperature，air humidity，wind speed，rainfall，solar radiation，photosynthetic effective radiation and soil temperature to analyze the meteorological factors inside and outside Pinus armandii plantation. The results showed the air temperature and soil temperature in the forest were higher than those outside the forest in winter，while in other seasons，the air temperature and soil temperature outside the forest were higher than those in the forest. The precipitation was mainly concentrated from June to October，and the precipitation inside and outside the forest accounts for 79.7% and 76.9% of the annual precipitation respectively. The air relative humidity was mainly affected by precipitation. In rainy season，the relative humidity inside the forest was higher than that outside the forest，while in other seasons，the relative humidity outside the forest was higher than that in the forest. The wind speed inside the forest was lower than that outside the forest，and the monthly average wind speed inside the forest was 44.3% lower than that outside the forest. The annual total solar radiation inside and outside the forest was 1 047.9 MJ·m-2 and 4 116.9 MJ·m-2 respectively，and the photosynthetic effective radiation was 514.4 umol·m-2s-1 and 1 987.9 umol·m-2s-1 respectively. The total solar radiation and photosynthetic effective radiation in the forest were significantly lower than those outside the forest in each month.

Key words：Shennongjia;Pinus armandii plantation;inside and outside the forest;forest microclimate

森林小氣候是森林中水、熱、氣、光等各種氣象要素綜合作用的結(jié)果，受到樹種類型和組成、林分年齡、喬木層空間結(jié)構(gòu)、灌草層群落特征等共同影響，并與四周氣候條件、地形地貌特征、土壤性狀等有關(guān)。由于森林的存在，降水、光照等在進入林內(nèi)后會重新分配，使水分、熱量、風速等在林內(nèi)的交換與林外相比發(fā)生改變，從而使林內(nèi)氣候特征等發(fā)生變化，并形成特殊的區(qū)域小環(huán)境[14]。因此，開展森林內(nèi)外小氣候特征的對比研究，對于揭示森林小氣候效應，闡明森林植被對局地氣候的影響具有重要的價值。目前關(guān)于森林小氣候的觀測主要有地面常規(guī)觀測和建設梯度塔觀測2種方法[5]，本研究通過梯度觀測方法分析了2017年神農(nóng)架華山松林小氣候特征[6]，以神農(nóng)架森林生態(tài)定位站地面氣象站觀測數(shù)據(jù)，以及建設在氣象站附近華山松林內(nèi)的氣象觀測場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，比較華山松人工林內(nèi)外空氣溫度、空氣相對濕度、風速、降水量、太陽總輻射、光合有效輻射、土壤溫度等因子差異，揭示華山松人工林小氣候效應，并為下一步開展華山松森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估與研究等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。27FDCB6F-FAC7-4B71-9829-B0BBAB7D1013

1研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于湖北神農(nóng)架森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站內(nèi)，東經(jīng)110°23′22″，北緯31°24′30″，海拔1 610 m，年平均氣溫12.0 ℃，空氣相對濕度75%，降水量1 500～2 500 mm，全年降水量充沛，并集中在4至10月，土壤以黃棕壤為主。該區(qū)域地帶性植被類型為針闊混交林，并大量分布華山松Pinus armandii和日本落葉松Larix kaempferi等針葉人工林。華山松是神農(nóng)架地區(qū)的主要針葉林樹種之一，主要分布在海拔1 500～2 000 m，大多與銳齒槲櫟Quercus aliena var.acutiserrata、山楊Populus davidiana、糙皮樺Betula utilis等落葉闊葉樹種形成的針闊混交林。

2研究方法

2.1數(shù)據(jù)采集

林內(nèi)外氣候觀測均采用美國Dynamax公司生產(chǎn)的自動觀測儀器。觀測設備的布置和觀測方法主要參照林業(yè)行業(yè)標準《森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測方法》（LY/T 1952-2011）的要求。對空氣溫度、相對濕度、風速、降水量、太陽輻射、光合有效輻射、土壤溫度的數(shù)據(jù)自動采集是每隔10 min 1次。觀測時間為2019年9月1日～2020年8月31日。

2.2數(shù)據(jù)分析

本文采用Excel 2019和SAS 9.4軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

3結(jié)果與分析

3.1空氣溫度比較

觀測期林內(nèi)外空氣溫度按月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從圖中1可知，林內(nèi)外最高溫度出現(xiàn)在8月，林內(nèi)溫度為19.3 ℃，林外溫度為19.7 ℃，由此可見，華山松人工林將林外最高溫度降低了0.4 ℃，降低幅度為2%。林內(nèi)外最低溫度出現(xiàn)在1月，林內(nèi)最低溫度為-1.5 ℃，林外最低溫度為-2.0 ℃，華山松人工林將林外最低溫度提高了0.5 ℃，提升幅度為25%。此外，12月～次年2月，林內(nèi)溫度高于林外溫度，而在其他月份，林內(nèi)溫度低于林外溫度，說明林分在寒冷的冬季具有保溫作用，而在其他季節(jié)具有降溫作用，這體現(xiàn)了森林植被對于環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)作用。

3.2空氣相對濕度比較

觀測期林內(nèi)外空氣相對濕度按月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從圖2中可知，華山松林內(nèi)空氣相對濕度變化范圍為71.6%～95.5%，林外空氣相對濕度變化范圍為72.6%～94.8%，表明觀測地區(qū)常年濕度較高。林內(nèi)外最大濕度出現(xiàn)在7月，最小濕度出現(xiàn)在4月，這主要受降水量的影響。從5～10月，林內(nèi)相對濕度高于林外相對濕度，而11月～次年4年，林外相對濕度高于林內(nèi)相對濕度。

3.3風速比較

觀測期林內(nèi)外風速按月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從圖3可知，林內(nèi)月平均風速隨林外同步變化，且林內(nèi)風速明顯低于林外。林內(nèi)的月平均風速為1.85 m·s-1，林外的月平均風速為3.32 m·s-1，不同月份林內(nèi)比林外平均風速降低24.9%～71.8%，全年月平均風速降低44.3%，經(jīng)檢驗林內(nèi)外風速差異達到極顯著性水平（P<0.01）。這主要是因為林木的樹冠和樹干對空氣流動有阻擋作用，且隨著樹冠和群落結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)的更新變化，產(chǎn)生了對風速不同大小的影響。

3.4降水量比較

觀測期林內(nèi)外降水量按月統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖4。全年林內(nèi)降水總量1 841.2 mm，林外降水量1 991.6 mm，林內(nèi)降水量占林外降水量的92.5%。降水量主要集中在6～10月，該期間林內(nèi)外降水量分別占全年降水量的79.7%和76.9%。在降水期間，林冠層對林內(nèi)降水具有調(diào)節(jié)作用，主要表現(xiàn)在降低雨水對地面的沖擊強度，延長降水時間，在林外降水已經(jīng)停止之后，林內(nèi)仍然可以產(chǎn)生少量的降水。

3.5太陽總輻射比較

觀測期林內(nèi)外太陽總輻射按月統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖5。全年林內(nèi)太陽輻射1 047.9 MJ·m-2，林外太陽輻射4 116.9 MJ·m-2，林內(nèi)外太陽輻射均表現(xiàn)為夏季高于冬季。林內(nèi)太陽輻射在各月均明顯低于林外，經(jīng)檢驗林內(nèi)外太陽總輻射差異達到極顯著性水平（P<0.01），主要是因為林冠層對太陽輻射具有反射、吸收和過濾等作用，一般照射到林冠層上的太陽光線，只有部分透過林冠層到達林內(nèi)，使林內(nèi)外太陽輻射強度產(chǎn)生了較大差異。與2017年觀測的華山松林內(nèi)太陽總輻射量相比[6]，本年度觀測的太陽總輻射有明顯增加，這主要是因為觀測區(qū)域華山松林近幾年遭受較嚴重的大小蠹蟲害干擾，華山松林木大量死亡，林分郁閉度減小，進入林內(nèi)的太陽光增加。

3.6光合有效輻射比較

觀測期林內(nèi)外光合有效輻射按月統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖6。全年林內(nèi)光合有效輻射514.4 umol·m-2s-1，林外光合有效輻射1 987.9 umol·m-2s-1，林內(nèi)外光合有效輻射均表現(xiàn)為夏季高于冬季，林內(nèi)光合有效輻射在各月均明顯低于林外，經(jīng)檢驗林內(nèi)外光合有效輻射差異達到極顯著性水平（P<0.01）。光合有效輻射在林內(nèi)外以及不同季節(jié)的變化規(guī)律與太陽總輻射表現(xiàn)一致。

3.7土壤溫度比較

觀測期林內(nèi)外不同深度土壤溫度按月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從表1中可知，林外不同深度土壤最高溫度均出現(xiàn)在8月，最低溫度均出現(xiàn)在1月;林內(nèi)不同深度土壤最高溫度均出現(xiàn)在8月，10 cm深土壤最低溫出現(xiàn)在1月，而20 cm和30 cm深土壤最低溫出現(xiàn)在2月。比較同一深度林內(nèi)外土壤溫度發(fā)現(xiàn)，從11月～次年2月，林內(nèi)土壤溫度高于林外土壤溫度，而在其他月份，林外土壤溫度高于林內(nèi)土壤溫度。比較不同深度土壤溫度在不同月份的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，從9月～次年3月，土壤溫度隨著土壤深度的增加而增加，而4～8月，土壤溫度隨著土壤深度的增加而降低。

3.8小氣候因子相關(guān)性分析

對林內(nèi)外不同氣候因子進行相關(guān)性分析結(jié)果，見表2和表3。從表中可知，空氣溫度與降水量、太陽輻射、光和有效輻射呈顯著正相關(guān)（P<0.05）或極顯著正相關(guān)（P<0.01）;空氣相對濕度與風速呈極顯著負相關(guān)，與降水量呈顯著正相關(guān);風速與降水量呈極顯著負相關(guān);降水量與土壤溫度呈顯著正相關(guān);太陽輻射與光合有效輻射在林內(nèi)外均呈極顯著正相關(guān)，而僅在林外與土壤溫度呈極顯著正相關(guān);光合有效輻射僅在林外與土壤溫度呈顯著正相關(guān)。27FDCB6F-FAC7-4B71-9829-B0BBAB7D1013

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)律比較一致，最高溫和最低溫分別出現(xiàn)在8月份和1月份。在冬季林內(nèi)空氣溫度和土壤溫度高于林外，而其他季節(jié)林外空氣溫度和土壤溫度高于林內(nèi)。

（2）觀測期林內(nèi)降水量1 841.2 mm，林外降水量1 991.6 mm，降水量主要集中在6～10月，全年雨水非常充沛。空氣相對濕度主要受降水量的影響，林內(nèi)外全年相對濕度均在70%以上，空氣比較濕潤。在降雨集中期林內(nèi)相對濕度高于林外，而其他季節(jié)林外相對濕度高于林內(nèi)。

（3）林內(nèi)月平均風速隨林外同步變化，且林內(nèi)風速低于林外。林內(nèi)的月平均風速為1.85 m·s-1，林外的月平均風速為3.32 m·s-1，林內(nèi)比林外月平均風速降低44.3%。

（4）太陽總輻射和光合有效輻射在林內(nèi)外以及不同季節(jié)的變化規(guī)律基本相同。林內(nèi)外太陽總輻射和光合有效輻射均表現(xiàn)為夏季高于冬季，林內(nèi)太陽總輻射和光合有效輻射在各月均明顯低于林外。

（5）各氣候因子之間存在較好的相關(guān)性，但在林內(nèi)外各因子相關(guān)性存在一定差異性。

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（責任編輯：鄭京津）

收稿日期：20211230

基金項目：湖北省林科院科技攻關(guān)項目“神農(nóng)架華山松林受蟲害干擾影響及恢復技術(shù)研究”（2021YGG05）;神農(nóng)架林區(qū)林業(yè)科技計劃項目“神農(nóng)架華山松林退化與自然演替調(diào)控研究”（SAF202108）;神農(nóng)架科技協(xié)同創(chuàng)新與攻關(guān)課題“神農(nóng)架國家公園森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能與價值評估”（2019SNJ001）。

作者簡介：崔鴻俠（1979～），男，副研究員，主要從事森林生態(tài)學研究。

唐萬鵬為通訊作者。27FDCB6F-FAC7-4B71-9829-B0BBAB7D1013