神農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.湖北省林業科學研究院 武漢 430075；2.神農架國家公園管理局 神農架 442421；3.興山縣林業科學研究所 宜昌 443700)

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

自上世紀初開始，國外許多學者研究了不同森林群落的環境特征[2,3]，并在60年代中期就開始使用先進的光合有效輻射儀等進行森林小氣候觀測。而國內自上世紀80年代起主要采用小氣候常規觀測方法，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進行比較深入的研究，而國內進行森林小氣候觀測時觀測指標比較廣泛，常包括溫度、濕度、風速、降水量、蒸發、輻射等，往往存在觀測項目多但研究不深的問題。

本文通過定位研究神農架華山松人工林不同梯度氣象要素的動態變化，對該森林類型氣象要素進行了分析，對揭示森林的生態功能，估算森林的環境效益，以及合理經營森林資源提供一定的理論依據，同時為下一步開展華山松森林生態系統碳循環等研究提供基礎數據。

1 研究區概況

研究區域位于神農架國家公園(110°03′～110°33′E，31°21′～31°36′N)，屬于三峽庫區、丹江口庫區和“南水北調”中線工程的水源區。區內最低海拔398 m，最高海拔為3 106.2 m，為華中第一峰。氣候屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡氣候，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。全年日照時數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。

華山松是神農架地區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 數據采集

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)、24.0 m(林冠上方)、33.0 m(塔頂)布設觀測儀器，其中1.5 m觀測指標有空氣溫濕度、風速、水汽壓、降雨量和太陽總輻射；24.0 m和33.0 m觀測指標有風速、水汽壓和空氣溫濕度；土壤溫濕度觀測深度為10、20和30 cm，數據自動采集是隔10 min一次，一天記錄一次。觀測時間為2017年1月1至12月31日。

2.2 數據分析

本文采用Excel2007和SAS9.2軟件進行數據處理和統計分析。

3 結果與分析

3.1 空氣溫度

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

3.2 空氣濕度

3個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個梯度相比，林內空氣濕度略高，表明森林可以提高空氣濕度，這主要是因為林內風小，空氣與林外交換弱，加上林冠的阻擋，使得林內潮濕空氣不易擴散，從而使林內空氣濕度增大。3個梯度的空氣濕度變異系數分別為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，尤其是林內空氣濕度比較穩定。

3.3 風速

不同梯度月平均風速變化情況(見圖1)。3個梯度上月平均風速變化趨勢一致，全年平均風速分別為2.41 、4.56和5.16 m/s，隨著高度增加，風速逐漸增加。與林外2個梯度相比，林內風速明顯降低，風速分別降低47.15%和53.29%，但在不同月份風速降低率比較穩定。主要原因在于森林樹干和樹冠對林內空氣流動有阻擋，能起到降低風速的作用。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速的影響較一致。

圖1 不同梯度月平均風速變化

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，林內水汽壓略高于林外，林冠上方和塔頂2個梯度水汽壓基本相同。3個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系

根據水汽壓在不同月份的變化規律，可以發現其與空氣溫度月變化規律比較一致，因此可以認為空氣溫度與水汽壓存在一定相關性。通過對水汽壓與溫度進行擬合，效果非常顯著，兩者關系可以用指數函數來表示(見圖3)，回歸方程為y﹦0.458 3e0.0721x，R2=0.943 3，經檢驗回歸方程達到極顯著水平(p<0.01)，說明空氣溫度與水汽壓呈極顯著正相關。

3.5 降水量

本研究中降水量指林內穿透雨水量。全年華山松林內降水量為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在8月份，達到301.1 mm，最小降水量出現在11月份，僅有6.0 mm。

圖4 不同月份林內降水量

3.6 太陽總輻射

太陽輻射是森林的主要熱量來源，是森林生態系統中所有生命活動的能源，也是形成森林生態系統能量的重要基礎[7]。本研究中華山松林內全年太陽總輻射為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。林內總輻射受太陽高度角和方位角，以及林冠結構、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構季節差異不明顯，因此華山松林內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，林內土壤溫度最大值出現在8月份，最小值出現在2月份，這與林內空氣溫度最高溫和最低溫出現的月份并不一致。不同土層土壤溫度在不同月份的變化規律也不相同，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 不同月份林內土壤溫濕度

4小結

(1)神農架華山松林空氣溫度與土壤溫度在不同月份變化規律不盡相同，空氣最高溫和最低溫分別出現在7月份和1月份，土壤最高溫和最低溫分別出現在8月份和2月份。從1月至3月，以及10月至12月，林內(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。空氣濕度隨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。

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