遼東山區(qū)不同坡向林窗內(nèi)光照特征對比分析

賈寧，劉東洋

（通遼市氣象局，內(nèi)蒙古通遼028000）

光照是植物進(jìn)行光合作用并賴以生長的前提條件，林窗的產(chǎn)生導(dǎo)致更多的光到達(dá)林地表面，光照環(huán)境和熱力特征對于土壤的理化特性、營養(yǎng)元素變化及土壤中的微生物都有重要影響，進(jìn)而影響到林窗及周邊生物的變化。光照會導(dǎo)致林窗內(nèi)地表溫度和近地層溫度都發(fā)生變化，這對于森林的更新演替都產(chǎn)生重要的影響，林窗影響著森林的結(jié)構(gòu)、動態(tài)和多樣性變化，促進(jìn)其維持平衡，研究林窗是當(dāng)前森林生態(tài)學(xué)中比較重要的項(xiàng)目之一，具有十分重要的意義。

1 研究意義

本文以遼東山區(qū)雪害和風(fēng)害后形成的天然次生林林窗為研究對象，對不同坡向林窗內(nèi)的光照小氣候觀測資料進(jìn)行分析，明確遼東山區(qū)不同坡向次生林林窗內(nèi)光照的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律，林窗坡向及林窗內(nèi)位置不同，使其光溫環(huán)境發(fā)生異質(zhì)性變化，進(jìn)而影響到林窗區(qū)域種子萌發(fā)、幼苗生長發(fā)育及植物種群分布等，最終影響森林的更新。通過對此研究旨在為深入探討不同坡向林窗小氣候形成機(jī)制和林窗內(nèi)生物多樣性的變化規(guī)律等提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為天然次生林的經(jīng)營管理和其他相關(guān)生態(tài)過程研究提供一定的基礎(chǔ)理論。

2 研究區(qū)概況和研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究地位于遼寧省清原縣的清原森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)站，在清原縣南部，地處海拔1000m左右的遼東山脈地區(qū)，是中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所新建（2003年）的野外臺站，此地區(qū)山脈縱橫，為長白山延伸山脈，山區(qū)的地帶性植被類型為闊葉紅松林。森林植物成分具有明顯的長白植物區(qū)系特征，原生時(shí)期以紅松為代表，另外還有沙松、魚鱗松、蒙古櫟、紫椴、色木槭、水曲柳和樺樹等。

本區(qū)氣候?qū)儆谑芗撅L(fēng)影響的溫帶大陸性氣候，具有冬季寒冷而漫長，夏季溫暖多雨而短暫的特點(diǎn)。年平均氣溫3.9℃～5.4℃，無霜期120～139d，平均年日照 2433h，年降水量 700～850mm。以山地為主，海拔1100m左右，山地向西南延伸，以千山山脈為骨干，主峰千山。全區(qū)主要基巖為花崗巖、片麻巖、玄武巖和其他變質(zhì)巖。主要土壤種類為森林土、草甸土，土層厚20～30cm，多顯酸性和中性。

2.2 樣地概況

本實(shí)驗(yàn)在遼寧省東部清原縣內(nèi)，實(shí)驗(yàn)地以山地為主。土壤為典型的深棕色森林土，厚度20～30cm。樹種組成主要由蒙古櫟、長白落葉松、楓樺、槭樹、椴樹、水曲柳和胡桃楸等為主。當(dāng)?shù)囟湎臒幔昃鶞?.9℃～5.4℃，1月最冷，7月最熱，年平均降水量為700～1200mm，降水主要集中在6～8月，無霜期為150d，生長季為4～9月。

林窗形成于2004年12月底，所有林窗都是經(jīng)過人工砍伐而產(chǎn)生的，本實(shí)驗(yàn)在三個(gè)不同坡向（西北坡、東北坡和東南坡）林窗中進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量，本次觀測的林窗樣地以三個(gè)大小基本相同，但坡向不同的林窗為研究對象，林窗均位于山體中坡位，坡度為20°～25°，土壤為山地棕壤土。其中，三個(gè)樣地的海拔為580～600m，不規(guī)則橢圓形。林窗周邊次生林的高度和疏透度分別為 15～20m 和 70%～80%。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和技術(shù)路線

本實(shí)驗(yàn)對遼東山區(qū)不同坡向林窗內(nèi)的光照進(jìn)行了長期測量。在不同坡向的三個(gè)林窗內(nèi)的南北軸和東西軸上分別選取樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，樣點(diǎn)位于林窗中央、林窗邊緣樹冠冠緣垂直投影處、林緣喬木根基處，并且在林內(nèi)及空地上分別設(shè)置一個(gè)對照。將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同處理及繪圖，分析得出不同坡向林窗間光照的分布特征。

在每個(gè)林窗中沿南北向和東西向分別設(shè)置兩條觀測樣線，每條樣線上選取5個(gè)觀測點(diǎn)，共17個(gè)測點(diǎn)，觀測點(diǎn)為不等距分布，分別位于林窗中央、實(shí)際林窗邊緣（林緣樹冠垂直投影處）和擴(kuò)展林窗邊緣（林緣樹干處）。觀測要素為光量子通量密度（PPFD），選取晴好天氣進(jìn)行，于2014年（4～10月）晝間整點(diǎn)進(jìn)行觀測（8時(shí)～16時(shí)），每次觀測重復(fù)3次，共觀測了15d的數(shù)據(jù)。由于不同時(shí)段，太陽輻射有明顯的差異，從而引起PPFD在上午、中午和下午之間變化較大，所以將一天劃分為8～10時(shí)，11～13時(shí)和14～16時(shí)三個(gè)時(shí)段來對林窗內(nèi)光照的空間分布進(jìn)行分析。

2.4 光的測定

測量林窗光環(huán)境的方法可分為3類：直接測量法、相片法和模型估測法，本實(shí)驗(yàn)采用直接測量法，觀測林窗內(nèi)的光照變化，記錄測量數(shù)據(jù)。光照的傳感器設(shè)定取樣每天測定時(shí)間為8時(shí)～16時(shí)，放置于距地面1m處，觀測時(shí)間為2014年4月到10月生長季內(nèi)進(jìn)行。

3 結(jié)果分析

3.1 不同坡向林窗光照的空間分布特征

上午，在東北坡到達(dá)林窗內(nèi)的太陽光線受林窗東南邊緣林木的遮蔽作用，使林窗東南部地面所接收到的太陽直接輻射較少，而林窗西北部由于遮蔽時(shí)間較短，而造成PPFD在西-西北側(cè)首先升高，高值區(qū)最先出現(xiàn)在林窗中央西側(cè)(1108μmol·m-2·s-1)，而林窗南側(cè)的PPFD最小（714μmol·m-2·s-1）。在東南坡林窗中，上午高值區(qū)也出現(xiàn)在林窗西側(cè)（1175μmol·m-2·s-1），東南側(cè)值較低。在西坡林窗內(nèi)，上午最高值在擴(kuò)展林窗西側(cè)（515μmol·m-2·s-1），最低值在林窗東側(cè)（108μmol·m-2·s-1）。

中午，隨著太陽高度角的增加，林窗內(nèi)各觀測點(diǎn)的PPFD都在增加。在東北坡，南側(cè)林緣處由于受邊緣木投影的遮蔽影響，導(dǎo)致林窗內(nèi)中午時(shí)段的PPFD空間分布規(guī)律為北高南低，最高值出現(xiàn)在林窗北側(cè)擴(kuò)展林窗附近（1135μmol·m-2·s-1），最低值出現(xiàn)在林窗南側(cè)林緣處（832μmol·m-2·s-1）。在東南坡，中午時(shí) PPFD也快速增高，數(shù)值與東北坡和西坡相比較大，PPFD空間分布表現(xiàn)為東西向?qū)ΨQ，高值區(qū)出現(xiàn)在實(shí)際林窗北側(cè)附近(1317μmol·mm-2·s-1)，低值區(qū)在林窗偏南側(cè)。在西坡，同樣隨著太陽高度角的增加，中午林窗地面各測點(diǎn)光強(qiáng)普遍升高，林窗東—東北側(cè)林窗處的增值最為明顯，PPFD整體分布格局為北高南低，最大值出現(xiàn)在林窗中央偏北側(cè)（1068μmol·m-2·s-1），低值區(qū)同樣出現(xiàn)在林窗偏南側(cè)。

下午，隨著太陽的西移下落，林窗內(nèi)的PPFD迅速降低，水平梯度減小。在東北坡PPFD最高值區(qū)出現(xiàn)在林窗中央東北側(cè)（324μmol·m-2·s-1）， 最 低 值 區(qū) 位 于 林 窗 西 偏 南 林 緣 處（105μmol·m-2·s-1）。在東南坡，下午 PPFD 總體水平降低幅度較大，高值區(qū)位于林窗中央偏東側(cè)（273μmol·m-2·s-1），低值區(qū)位于林窗偏西側(cè)。在西坡，下午由于太陽高度較低，且位置逐漸偏西，太陽輻射受樹木遮蔽，林窗內(nèi)日照減少，PPFD降低，最高值出現(xiàn)在東側(cè)擴(kuò)展林窗邊緣（126μmol·m-2·s-1），最低值出現(xiàn)在林窗的西南側(cè)擴(kuò)展林窗邊緣（42μmol·m-2·s-1）。

3.2 不同坡向林窗光照分布的時(shí)空特征

3.2.1不同坡向林窗光照的日變化

以生長季中間時(shí)段（7月）晴天觀測的PPFD數(shù)據(jù)為代表，對不同坡向林窗內(nèi)和郁閉林內(nèi)PPFD的日變化進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，繪制三個(gè)不同坡向林窗和林內(nèi)觀測點(diǎn)PPFD的日變化情況。三個(gè)不同坡向林窗內(nèi)，PPFD的日變化均呈現(xiàn)明顯的單峰型，峰值在11時(shí)～13時(shí)之間出現(xiàn)。東南坡林窗中央PPFD始終大于東北坡和西坡林窗，峰值出現(xiàn)在中午 12：00 左右，可達(dá) 1405μmol·m-2·s-1，在13：30之后迅速減弱；上午東北坡PPFD稍小于西坡且上升較快，12：00 時(shí)出現(xiàn)最大值為 1008μmol·m-2·s-1，13：00 之后下降較快，高于西坡；東北坡和西坡林窗在10時(shí)之前增長較緩慢，西坡其峰值出現(xiàn)在 12 時(shí)，為 990μmol·m-2·s-1，12 時(shí)之后的 PPFD 普遍低于同時(shí)期東北坡的PPFD。與林窗內(nèi)相比，郁閉林內(nèi)PPFD全天值都比較低也較穩(wěn)定，也表現(xiàn)為單峰型的日變化，最高值出現(xiàn)在12時(shí)，達(dá)到87μmol·m-2·s-1。

3.2.2不同坡向林窗光照的季節(jié)變化

將 4～10月測量數(shù)據(jù)按 4～5月，6～8月，9～10月分為春夏秋三個(gè)季節(jié)，取17個(gè)測量點(diǎn)中的東南西北及中央點(diǎn)五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，三個(gè)林窗內(nèi)的平均PPFD最大值均出現(xiàn)在林窗中心測點(diǎn)，在擴(kuò)展林窗邊緣處PPFD最小，一般規(guī)律為春季值大于夏季值大于秋季值，在春、夏、秋三個(gè)季節(jié)中均以東南坡林窗內(nèi)PPFD最大，東北坡次之，西坡最低。東北坡林窗中，在春夏秋三個(gè)季節(jié)的PPFD的最低值都是出現(xiàn)在林窗南側(cè)，最高值出現(xiàn)在林窗西側(cè)。在春季，林窗內(nèi)光量子通量密度的空間分布形勢為中心與其他方位差異不大，呈對稱分布。最高值出現(xiàn)在林窗中央，林窗四周PPFD值變化不大較平穩(wěn)。在夏季，最高值出現(xiàn)在林窗偏西側(cè)，其次是林窗中央處，南側(cè)值最低，分布呈東—東北對稱。在秋季，林窗內(nèi)西側(cè)光量子通量密度水平下降較快，高值區(qū)位于林窗中央偏東北側(cè)，西南側(cè)光量子通量密度值較低。東北坡在春季的PPFD明顯高于夏季和秋季，而夏季和秋季差異不大。

在東南坡，春季林窗中央的PPFD是所有坡向季節(jié)中的最高值，春、夏季的光量子通量密度的最低值位于林窗東側(cè)，最高值在林窗西側(cè)，林窗東西側(cè)的PPFD明顯高于南北側(cè)，在南北軸線上表現(xiàn)為西部高于東部，南部高于北部。夏季與秋季PPFD各測點(diǎn)差異不大。

在西坡林窗內(nèi)，PPFD與東南坡和東北坡有明顯的差別，光照值較低。春季和夏季的PPFD高值區(qū)明顯位于林窗中央附近，且遠(yuǎn)高于秋季，北部PPFD最低，東側(cè)值最低，秋季光量子通量密度高值區(qū)出現(xiàn)在中央附近，但空間分布差異不大，均較低。林窗南側(cè)值最低，總體分布形勢為東北側(cè)值較高、西南側(cè)值較低。

不同季節(jié)三個(gè)坡向林窗內(nèi)平均光照方差分析表明，春季各坡向林窗平均PPFD差異達(dá)到極顯著水平（p=0.008<0.01），夏季差異達(dá)到顯著水平（p=0.03<0.05），秋季差異不顯著（p=0.08>0.05），春季不同坡向林窗內(nèi)平均PPFD的大小順序?yàn)槟掀拢?87.22μmol·m-2·s-1）大于東坡（669.67μmol·m-2·s-1）大于西坡（547.89μmol·m-2·s-1），西坡和南坡差異極顯著，東坡和其他兩個(gè)坡向之間差異均不顯著，夏季與春季表現(xiàn)相似，南坡（571.67μmol·m-2·s-1）高于西坡（509.11μmol·m-2·s-1），差異極顯著，東坡平均 PPFD 介于兩者之間（432.01μmol·m-2·s-1），與兩個(gè)坡向差異不顯著。秋季三個(gè)坡向林窗內(nèi)平均PPFD差異不顯著，以南坡最高（245.22μmol·m-2·s-1），東坡次之（200.22μmol·m-2·s-1），西坡最低（169.44μmol·m-2·s-1）。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

不同坡向林窗內(nèi)各方位點(diǎn)的光量子通量密度都呈現(xiàn)出明顯的單峰型日變化趨勢，空間分布態(tài)勢為隨時(shí)間有明顯的動態(tài)變化。林窗內(nèi)光量子通量密度的空間分布形勢表現(xiàn)出明顯的不對稱性，光量子通量密度的最大值隨時(shí)間有明顯的位移變化。最大值總是出現(xiàn)在林窗中央與中央附近位置，邊緣各點(diǎn)的值較低。在東北坡、東南坡、西坡上午的最高值均在林窗的偏西側(cè)，最低值分布在南側(cè)或偏東南側(cè)。中午時(shí)東北坡和西坡的光照空間分布大體為北高南低，東南坡為東西向的對稱，最高值在林窗偏北側(cè)。下午時(shí)，東南坡和西坡的光照高值區(qū)為偏東側(cè)，東北坡為偏東北側(cè)，三個(gè)坡向的低值區(qū)大體都為偏西南側(cè)。

三個(gè)不同坡向林窗中光量子通量密度的日變化趨勢為單峰型變化趨勢，東北坡最大值出現(xiàn)在12時(shí)，西坡和東南坡峰值出現(xiàn)在13時(shí)，林內(nèi)相對較晚峰值出現(xiàn)在12時(shí)之后。東南坡林窗光量子通量密度總體大于東北坡林窗大于西坡林窗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于林內(nèi)。林窗內(nèi)光量子通量密度的空間分布狀況以及林窗內(nèi)光量子通量密度的最大值隨時(shí)間、季節(jié)的變化而變化，都受到太陽高度角在一年中周期性變化的影響。

三個(gè)不同坡向林窗中光量子通量密度的季節(jié)變化，林窗內(nèi)光量子通量密度變化表現(xiàn)大體為春季大于夏季大于秋季，各林窗光量子通量密度最大值區(qū)域隨季節(jié)呈現(xiàn)出自中心附近向北位移的現(xiàn)象。

林窗內(nèi)光照的影響不僅局限于林窗的垂直投影下方，可以影響到林窗周圍喬木處根部的范圍，而且可以擴(kuò)展到林窗外部的林下，從林窗邊緣到林窗中央，光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，到中央附近值最大，林窗邊緣光強(qiáng)梯度變化較大。白天林內(nèi)接收到的太陽總輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于林窗內(nèi)，在面積約200m2的林窗中央光照為林下的913～1117倍。在實(shí)際測量中由于太陽高度、天氣因素、林窗周圍邊緣木的影響，光照最大值區(qū)域并不是出現(xiàn)在林窗的正中央位置，而是出現(xiàn)在林窗內(nèi)的某一側(cè)。

4.2 討論

在本文的研究中，可以看出在三個(gè)不同坡向林窗中，林窗的不同位置光量子通量密度有很大的差異，空間分布形式呈現(xiàn)出不對稱性，林窗內(nèi)高值區(qū)隨時(shí)間變化非常明顯，上午林窗內(nèi)光量子通量密度的最大值出現(xiàn)在林窗偏西側(cè)，中午高值區(qū)位于林窗偏北側(cè)，下午高值區(qū)又移動到林窗偏東的位置，即林窗內(nèi)的高值區(qū)隨時(shí)間有動態(tài)變化。此外，林窗內(nèi)光量子通量密度的空間差異還受到林窗郁閉程度的影響，這也是林窗內(nèi)光斑出現(xiàn)具體位置不同的主要原因。對比林窗內(nèi)不同季節(jié)的光量子通量密度變化，三個(gè)坡向林窗內(nèi)都是春季光量子通量密度最大，秋季光量子通量密度最小，夏季光量子通量密度水平介于春季和秋季之間，這是由于春季太陽輻射增長較快，而林窗周圍樹木才開始增長，郁閉程度較低，造成了春季林窗內(nèi)光量子通量密度的值最大。夏季，雖然太陽輻射強(qiáng)于春季，但此時(shí)林窗樹木枝葉茂密，林窗郁閉度達(dá)到最高，使入射到林窗內(nèi)的光量子通量密度低于春季。秋季，林窗樹木進(jìn)入生長季末期，樹葉開始枯萎凋落，林窗冠層郁閉度減小，而此時(shí)太陽輻射也開始變小，所以林窗內(nèi)光量子通量密度最低。各季節(jié)林窗內(nèi)空間分布表明，三個(gè)季節(jié)光量子通量密度的高值區(qū)域總是出現(xiàn)在林窗偏北側(cè)，且隨生長季的移動光量子通量密度逐漸向北移動，這主要是因?yàn)殡S生長季的推移太陽高度角逐漸變小，光強(qiáng)高值區(qū)也逐漸出現(xiàn)了向北移動的變化趨勢。在整個(gè)生長季中，各坡向中以南坡林窗內(nèi)的光量子通量密度的值最高，這是因?yàn)閷τ诟鱾€(gè)坡向來說，一天中光量子通量密度的最大時(shí)段出現(xiàn)在中午，所以南坡向的林窗接受到的太陽輻射整體上要高于其他兩個(gè)坡向林窗。林窗的大小是影響林窗內(nèi)光量子通量密度分布的一個(gè)重要因子，當(dāng)大小相同、林窗的方位不同時(shí)，林窗內(nèi)光照的空間分布也有所不同。