森林小氣候國內(nèi)外研究進展

彭巍，李明文，王慧，駱媛媛

(1.黑河市林業(yè)科學院，黑龍江 黑河 164300；2.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100091)

森林小氣候主要是指由森林以及林冠下灌叢、草被和枯枝落葉層等共同形成的一種與周邊大氣候不同的局部小氣候[1]，主要表現(xiàn)為林內(nèi)冬暖夏涼、夜暖晝涼、日溫差較小、濕度大、風速小、輻射低等特點，其變化特征取決于森林的林齡、組成、結(jié)構(gòu)、生物多樣性和郁閉度等。這種局部環(huán)境作用于森林生態(tài)系統(tǒng)，影響植物的光合作用、蒸騰作用、輻射能量平衡等生態(tài)過程。森林小氣候觀測內(nèi)容比較廣泛，常包括太陽輻射、溫度、濕度、風速、降水、蒸發(fā)、CO2濃度等[2]。

1 國外研究進展

森林小氣候的概念最早在公元前334年由希臘植物學家西奧夫拉斯塔(Theophrastus)提出，他第一次對跨洲的植物地理分布與氣候環(huán)境進行了調(diào)查。在1740年左右，美國學者開始對樹干內(nèi)溫度變化進行研究，對小氣候真正系統(tǒng)的研究開始于19世紀中葉。較早進行森林小氣候系統(tǒng)性研究的有歐洲一些國家，通過建立林內(nèi)外氣象觀測站，進行氣象要素的對比觀測，并獲得了大量資料。1893年，B.E.Fernow和 M.W.Harrington 出版了林業(yè)氣象學最早的著作《森林的影響》。1924年，A.Schmauss建造了氣象觀測塔，對林內(nèi)氣象要素進行垂直分布的研究，從此觀測研究由“樹干空間氣候”進入了“林分氣候”的觀測，研究內(nèi)容涉及林分結(jié)構(gòu)對森林氣候的影響、皆伐和擇伐跡地的氣候特征、林緣和林中空地的氣流運動以及冠層以下氣象要素分布等方面。在1927年，R.Geiger出版了《近地層氣象》專著，從此學者們開始注意研究林冠作用層，A.Baumgartner(1956)首次系統(tǒng)研究了森林林冠作用層的能量平衡，把林分氣候的研究引向了其形成的物理學研究，后來發(fā)展為冠層氣象學。

蘇聯(lián)森林小氣候研究比較側(cè)重于理論，與地理學、地球物理學等學科聯(lián)系在一起，早期代表著作有《森林與氣象》《森林與氣候》等；日本學者較早開始森林小氣候研究，并積極建立定位觀測站點，偏重于生理氣象研究，以及儀器的設(shè)計試制，如紙面蒸發(fā)器用于模擬葉面蒸發(fā)；美國森林氣象始于20世紀20年代，由于生產(chǎn)需要發(fā)展較快，偏重于林火氣象。自20世紀中葉之后，隨著科技的進步，森林小氣候研究有了更快的發(fā)展，各國學者在不同地區(qū)建立了森林小氣候長期定位觀測站，構(gòu)建森林氣象臺站網(wǎng)。通過全自動氣象觀測系統(tǒng)、梯度氣象觀測儀、紅外線測溫儀等自動先進的儀器，開始對森林小氣候進行連續(xù)觀測，觀測儀器的使用擴大了小氣候觀測的范圍，并提高了觀測數(shù)據(jù)的準確性、連續(xù)性和翔實性。

不同時期通過不同的觀測方法和儀器對森林小氣候進行長時間定位觀測，能夠更好地研究植被與森林環(huán)境之間的作用關(guān)系[3]。有學者研究得出，與無植物冠層遮擋的空間相比，植物群落可以顯著降低空氣溫度0.8～5.15 ℃，增加相對濕度2.9%～8.3%。Ashton(1992)的研究表明森林的形狀、面積、緯度等多方面的因素都對林內(nèi)小氣候有著不同程度的影響，導致小氣候呈現(xiàn)出不同的特點[4]。Thomas(2005)對南美洲厄瓜多爾南部山區(qū)熱帶雨林地區(qū)的森林小氣候進行了長期的觀測，記錄了光合有效輻射、空氣溫濕度和風速等相關(guān)數(shù)據(jù)，對比了不同海拔高度的森林小氣候差異。隨著多學科融合以及邊界氣象的發(fā)展，不同領(lǐng)域和國家的學者開始運用近地氣層中氣象的垂直分布規(guī)律，建立與蒸發(fā)、降水、風速、溫度等氣象因子相關(guān)的公式和模型，如濕潤表面蒸發(fā)公式、Penman公式，海洋大氣模型(FOAM)、生態(tài)氣候系統(tǒng)模型(CCSM)，不同冠層高度風速與頂部風速的關(guān)系指數(shù)規(guī)律、模擬森林冠層的溫度輪廓線模型，以及高度指數(shù)的林內(nèi)溫度函數(shù)等[5]。

近年來，由于全球變暖和城市霧霾問題的日益突出，城市熱島效應及城市空氣清潔指數(shù)越來越受到人們的關(guān)注，關(guān)于城市森林緩解空氣質(zhì)量的研究逐漸增多。森林植被能顯著影響城市區(qū)域的風速、溫濕度和降水(Avissar R.，1996)，具有凈化空氣、降低噪音、雨水滲透、廢水處理、休閑和文化等方面的服務功能[6]。例如植物群落可以通過冠層結(jié)構(gòu)特征影響吸收和反射太陽直接輻射和周圍環(huán)境的反射輻射[7]。植物還可以通過蒸騰作用、光合作用等生理活動降低林下空氣溫度，增加相對濕度，導致降溫增濕作用差異的主要影響因子是樹種和冠層結(jié)構(gòu)的不同。

正是由于森林這種極佳的改善周圍氣候的特性，目前在很多國家“森林浴”已成為一種人們在高強度工作后放松身心和舒緩壓力的活動，并引起了預防疾病和調(diào)理亞健康領(lǐng)域的研究者的高度關(guān)注，人們開始意識到森林在治療、康復、保健和療養(yǎng)等方面的醫(yī)學意義。森林康養(yǎng)在國外研究領(lǐng)域也越來越受重視，德國、美國、韓國等均開始倡導森林康養(yǎng)研究。隨著森林有益于人類健康證據(jù)的增加，許多國際研究機構(gòu)、學術(shù)團體紛紛推出研究項目，在國際各種組織的強力支持下，森林療養(yǎng)將得到持續(xù)發(fā)展。隨著“森林浴”研究的推進，許多國家開展了室外森林健康效應研究，并收集記錄人類接觸森林后在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自律神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)等方面生理指標的良性反應。眾多研究表明，志愿者們在經(jīng)過森林靜坐并欣賞周圍森林環(huán)境后，皮質(zhì)醇水平降低12.4%、交感神經(jīng)活動減弱7.0%、血壓收縮壓降低1.4%、心率降低5.8%，副交感神經(jīng)活動增強55.0%，這些結(jié)果表明人體生理指標在經(jīng)過森林環(huán)境的沐浴之后均有所改善[8,9]。

2 國內(nèi)研究進展

在21世紀之前，我國對森林小氣候的研究多采用的是常規(guī)觀測方法，分別對不同地形、林分類型進行觀測研究，探討森林對溫度、濕度、光照、蒸發(fā)等方面的積極影響，也為我國森林小氣候研究奠定了基礎(chǔ)[10]。20世紀90年代末開始，隨著我國森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網(wǎng)絡(luò)的建立，以及自動觀測系統(tǒng)和梯度氣象觀測系統(tǒng)的引入，我國學者亦開始從多維度空間對小氣候進行分析。21世紀以來，隨著科技的進步，3S 技術(shù)以及生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，眾多學者對森林小氣候進行了宏觀大尺度的觀測研究，新技術(shù)的應用使得觀測范圍擴大到整個地區(qū)、生態(tài)系統(tǒng)、物候帶和全球[11]。

通過梯度觀測發(fā)現(xiàn)林內(nèi)外空氣相對濕度的日動態(tài)呈“U”形變化，林冠外上方氣溫在白天高于林冠下，夜間低于林冠下[12]。林冠層內(nèi)年均太陽輻射可降低84.91%，熱帶落葉闊葉林夜間還存在氣溫隨高度增加而增加的輻射逆溫現(xiàn)象[13,14]。進入林內(nèi)的氣流受到林冠、樹干的阻擋，降低了水平風速并削弱近地層空氣湍流強度[15]。在林內(nèi)由于林冠對降水的攔截作用使林內(nèi)降水強度、降水量顯著小于林外[16]。3S 技術(shù)的應用分析，也同時驗證了森林夏季具有降溫作用，冬季具有保溫作用[17]，城市森林群落結(jié)構(gòu)與其熱環(huán)境效應呈現(xiàn)出顯著的負相關(guān)性，森林平均溫度比城鎮(zhèn)的建筑用地平均溫度降低5.26 ℃[18]。由于強大的蒸騰作用和光合作用，使得樹木林冠能吸收太陽輻射熱能的35%～70%，枝葉能阻擋返回太陽輻射熱能的20%～30%，所以最終到達林內(nèi)地面的熱能僅有5%～20%[19]。森林植被通過與區(qū)域氣候相互作用，形成適宜的小氣候，對小氣候的研究從早期的人工常規(guī)觀測到自動氣象站、梯度氣象站的儀器觀測，可以更簡便獲得連續(xù)、準確、可靠的數(shù)據(jù)，再到3S 技術(shù)的應用將小氣候觀測帶向更廣闊的觀測空間，更好地了解、認識和利用森林小氣候。

氣候療法(green shower)是利用氣候因子或經(jīng)過改造的微小氣候的物理、化學作用，對疾病進行防治的方法，是增強體質(zhì)的良好措施，其具體實施方法因地因人因病而異。確定適合不同疾病的療養(yǎng)氣候，需要首先了解不同地理位置的氣候變化特點和規(guī)律，良好的氣候因子，能夠調(diào)節(jié)療養(yǎng)者的心理和生理等多方面的狀態(tài)，長期處于這種良好的氣候中能夠消除疲勞、矯治疾病、增強體質(zhì)，尤其對患有循環(huán)、神經(jīng)、血液、呼吸系統(tǒng)等疾病的患者有較好的治療和康復作用[20]。人體舒適度是通過量化的方式間接反映體驗者在森林環(huán)境中的體感舒適程度的一個指標，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，林區(qū)的舒適期比鄰近城市長22～63 d。通過對比不同時段、樣地、景觀類型等環(huán)境下人體舒適度指數(shù)的變化，分析不同因素影響作用得出，人體的綜合舒適度指數(shù)大小與接收的太陽光照強度、空氣濕度、風速有關(guān)[21]。不同林型對周圍環(huán)境的影響作用存在一定差異，白樺林的平均降溫率(6.69 ℃)最大，而且降溫效應以午后14: 00 前后最為顯著；蒙古櫟林的平均增濕率(44.78%)最高，且也以午后14: 00 前后增濕最為明顯；在一日中對人體舒適度感覺最好和感覺舒適時間最長的是白樺林(23.13%，12 h)和樟子松林(22.17%，10 h)[22]。不同的植物群落對人體舒適度的影響也不相同，天然林夏、秋季的舒適期持續(xù)時間最長，人工林春、夏季舒適期最長；不同林種每日的舒適時段不同，千島湖地區(qū)春季苦櫧石櫟群落為13點至16點、柏木群落和楊梅茶園在11點至15點[23]。國內(nèi)外一些老年健康調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)長壽老人一般都是居住在海拔1 500～2 000 m之間的山地林區(qū)，這些地區(qū)陽光充足、氣壓適中、空氣清潔、夏季涼爽，促使人呼吸加深、肺活量增大、血液氧含量增加，有利于人們身體健康，適宜人類長期居住[24]。

目前，森林康養(yǎng)開展以修身養(yǎng)性、延緩衰老為目的的森林游憩、度假、療養(yǎng)、保健、養(yǎng)老、養(yǎng)生等服務活動。森林康養(yǎng)符合我國的健康需求，以身心健康為核心，借助森林天然資源，將形成一個多維度、超時空、大范圍、深層次、大健康的產(chǎn)業(yè)鏈。

3 小結(jié)

近幾十年來，森林小氣候研究領(lǐng)域的國內(nèi)外學者通過不同的方法和技術(shù)手段針對不同林分類型開展研究，從水平層面到梯度垂直層面再到宏觀范疇，多角度進行了深入細致的探討與分析，確定了森林對環(huán)境的改善作用，同時得出森林對環(huán)境影響的大小也受地形地勢、樹種組成、生長狀態(tài)、森林覆蓋率等多方面因素的影響。縱觀國內(nèi)外研究進展，在森林小氣候方面的研究即使有細微不同，但總體發(fā)展方向趨于一致，森林對環(huán)境改善起到重要作用，它使周邊的環(huán)境趨向?qū)θ祟惤】蹈幸娴姆较虬l(fā)生改變。在注重生態(tài)環(huán)境養(yǎng)生的今天，森林所帶給人類的康養(yǎng)能力將會越來越受到全球人類的關(guān)注，前人所研究得出的結(jié)論對喚醒人類的生態(tài)保護意識、體現(xiàn)森林的生態(tài)功能效益、促進森林康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等都有著至關(guān)重要的作用。