抚育间伐对燕山北部山地林内小气候的影响

李亚男 ，许雪飞 ，许中旗 ，王 丽

（1.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2.河北省林木种质资源与森林保护重点实验室，河北 保定071000；3.河北省木兰围场国有林场管理局，河北 围场 068400）

抚育间伐对燕山北部山地林内小气候的影响

李亚男1，2，许雪飞3，许中旗1，2，王 丽1

（1.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2.河北省林木种质资源与森林保护重点实验室，河北 保定071000；3.河北省木兰围场国有林场管理局，河北 围场 068400）

为了探讨抚育间伐对林分小气候的影响，对燕山北部山地人工落叶松林和天然次生杨桦林的间伐区和未间伐区的林下照度、林内温度、空气相对湿度及不同深度的土壤温度进行了测定。结果表明：间伐区林分的林下照度明显大于未间伐区，前者为后者的4～5倍；间伐区浅层土壤温度明显大于未间伐区，间伐区与未间伐区土壤温度的差异随着土壤深度的增加而逐渐减小，15 cm以下土壤温度的差异消失；间伐区的林内气温与未间伐区没有明显差异；林内的空气相对湿度日进程呈“V”字型，间伐区和未间伐区之间空气相对湿度差异不明显。由此得出结论，抚育间伐对林分内的光照强度及浅层土壤温度有明显影响，并将对林分更新、林下植被发育及林地土壤的生物地球化学过程产生深远影响。

林分小气候；抚育间伐；林内照度；土壤温度；相对湿度

抚育采伐是依据合理密度理论,根据林分发育、自然稀疏规律及森林培育目标,调整树种组成和林分密度，改善环境条件,促进保留木生长的一种营林措施[1-3]，是森林经营的重要环节。抚育采伐一方面对林分的密度、保留木的生长、冠层结构、年龄结构具有重要的调控作用[4-6]，另一方面可能对林内的小气候也有重要的影响。森林小气候是在森林植被影响下形成的特殊气候，包括林内的光照、气温、相对湿度、土壤温度等要素[7-9]。森林小气候对林下植被的发育、凋落物(包括根)的分解、土壤酶活性以及土壤呼吸等生态过程都有影响[10-11]。如，林内光照条件与林下植物物种多样性，土壤氮的矿化速率、土壤呼吸、矿质养分的吸收与土壤温度都具有明显的相关关系[1]。因此，森林小气候研究是森林生态系统研究的重要内容之一，但是目前有关森林小气候的研究多以典型林分类型下小气候的分析及观测为主[7,9,11-12]，而有关抚育采伐措施对森林小气候影响的研究，尤其是定量研究还相对较少[1,13]。华北落叶松人工林及杨桦天然次生林是燕山北部山地主要的两种森林类型，近年来受天然林保护及分类经营政策的影响，两种林分抚育经营存在缺失的情况，林分结构及功能都有明显的退化趋势，这与林内的环境状况，特别是小气候有直接或间接的关系。本文以燕山北部山地的华北落叶松人工林及杨桦天然次生林为研究对象，探讨抚育间伐对两种林分小气候的影响，为该地区森林的抚育经营提供理论依据和科学指导。

1 研究地概况

研究地点位于河北省木兰围场国有林场管理局的孟滦林场的小桥子和混铁沟。该林场地处浑善达克沙地南缘和滦河上游，属大兴安岭、燕山余脉的汇接地带以及坝上草原向坝下山地森林过渡的地带，北纬 41°35′～ 42°40′，东经 116°32′～117°14′，海拔高度750～1 998 m。该地区属半干旱向半湿润过渡地带大陆性季风型山地气候，无霜期67～128 d，年平均气温-1.4～4.7℃，极端最高气温38.9℃，极端最低气温-42.9℃，年均降水量380～560 mm，主要集中在7～9月。

在该地区森林植被类型丰富，以华北落叶松人工林和杨桦天然次生林所占比例最大。山杨Populus davidiana和 白 桦Betula platyphylla是天然次生杨桦林的主要树种，棘皮桦Betula dahurica为主要伴生树种，同时还有少量的五角枫Acer mono、大叶椴Tilia mandshurica、蒙古栎Quercus mongolica等树种。落叶松人工林内主要伴生有山杨、白桦等树种。两种林分类型林下植物种类组成相似，林下灌木主要有毛榛Corylus mandshurica、 平 榛 Corylus heterophylla、 胡 枝子Lespedeza bicolor等，草本植物主要有龙牙草Agrimonia pilosa、乌苏里苔草Carex ussuriensis、林地早熟禾Poa nemoralis等。

本研究的人工落叶松林位于孟滦林场的混铁沟，起源为人工造林，林龄约为20 a，2009年进行了抚育间伐，伐前密度约为2 383 株/hm2，伐后密度为983 株/hm2；天然次生杨桦林位于孟滦林场的小桥子，林分起源为天然更新，伐前密度为4 405 株/hm2，伐后密度为1 200 株/hm2。为了了解间伐对林分的生态影响，在对各林分进行抚育时，设置了一定面积的保留区域，保留区域内未进行任何抚育活动。

2 研究方法

在人工落叶松林及天然次生杨桦林的间伐及未间伐地段，分别设置20 m×30 m的样地，在样地内进行每木检尺，调查林木的胸径及林分密度，各林分样地概况如表1所示。在2011年8月份、2012年5月份及2012年的7月份，选择晴天，在间伐样地及保留样地内随机设置3个观测样点，对林内的各气象因子指标进行观测，观测项目包括林下照度、温度、空气相对湿度和土壤（0、5、10、15、20 cm）温度。各气象因子从上午6:00开始观测，到下午18:00，每1 h记录1次数据。照度采用ST-85式照度计测定，林内温度、空气相对湿度采用KESTREL4500便携式气象站测定。观测均按中央气象局编制的地面气象观测规范进行[14]。

表1 样地概况Table 1 Situation of plots

3 结果与分析

3.1 抚育间伐对林下照度的影响

间伐区与未间伐区林下照度对比如图1所示。从图1可以看出，在各个观测时间，间伐样地内的照度明显高于未间伐林地。以2011年8月12日的观测结果为例，杨桦林间伐区林下照度平均值为全光照的65.7%，而未间伐区仅为12.4%。这主要是由于抚育间伐明显降低了林分密度，天然次生杨桦林由4 405株/hm2下降为1 200株/hm2，人工落叶松林由2 383株/hm2下降为983株/hm2，密度的下降导致林分的郁闭度明显降低，而林内的照度则明显增加。同时，由图1还可以看出，2012年7月份间伐林地与未间伐林地内照度的差异明显小于2011年8月的观测结果，这说明随着林分的不断生长，间伐林地的郁闭度逐渐增加，与未间伐林地差异逐渐缩小，林下的照度也逐渐接近。由以上的分析可以看出，抚育采伐导致了林下照度的明显增加，但随着间伐后时间的推进，间伐对光照的影响逐渐下降。

图1 间伐区、未间伐区林下光照对比Fig.1 Comparison of light intensity in forest between thinning area and un-thinning ares

另外，由图1可以看出，林分外，光照强度的日进程均呈相对平滑的单峰曲线，且随着太阳高度角的变化而变化，于中午12:00～13:00达到最高值，而在人工落叶松林、天然次生杨桦林下的光照日进程则呈现出不同程度的波动，这主要是由于林内太阳辐射强度除了受太阳高度角和大气透明度的影响之外，还受到森林林冠层的影响。林冠层具明显的不均匀性，导致林下照度出现明显的波动。光是森林植物生命活动的能源，它直接影响到森林植被的生长、发育、形态和生产力以及大气的物质和能量交换[11]。太阳辐射的强弱对林木生长和有机物质的积累有重要的意义。通过抚育间伐可以明显提高林内的光照强度，改善保留木的光照条件，促进林分的更新及林下灌木、草本植物的生长，增加林下物种的多样性。

3.2 抚育间伐对土壤温度的影响

间伐区、未间伐区土壤温度如图2、图3、图4所示。由图2到图4可以看出，总体上人工落叶松林与天然次生杨桦林0、5、10、15、20 cm深度的土壤温度均为：间伐区＞未间伐区。如人工落叶松林间伐区地表土壤最高温度的平均值为43.3℃，明显高于未间伐区的26.5℃。主要原因是林分经抚育间伐后密度下降，其林冠郁闭度降低，到达地面的太阳辐射量增加，土壤能吸收更多的热量，导致温度高于未抚育间伐的林分。同时，由图2、图3、图4也可以看到，两者的差异随土壤深度的增加逐渐减小，15 cm的深度上两者的差异基本消失。

由图2、图3、图4还可以看出，未间伐林地土壤温度的变化幅度较小，间伐林地土壤温度的变化幅度有明显增加趋势。以8月份为例，落叶松间伐后，表层土壤温度的变化幅度为36.54℃(16.30～52.75℃)，而未间伐土壤温度的变化幅度为9.80℃（16.05～25.85℃）；白桦林的也有类似的变化趋势，分别为19.95℃（18.30～37.80℃）和9.90℃（17.40～27.30℃）。

另外，由图2、图3、图4可以看到，无论是间伐林地还是未间伐林地，土壤温度的变化随着土壤深度的增加而表现出明显的滞后性。表层土壤温度最高值均出现在13:00～14:00之间，尤其是间伐区的林分较明显，出现明显的波峰，落叶松林间伐区表层土壤2011年8月最高温52.75 ℃，出现在14:00，2012年5月最高温47.20 ℃，出现在13:00，2012年7月最高温38.55 ℃，出现在14:00；5 cm处的土壤温度最高值则是出现在15:00～16:00之间，10～20 cm处温度在观测时间段内都是逐渐增加的，17:00或18:00处达到最高值。其他时间的观测结果也有类似的趋势。深层土壤温度的变化的滞后性与土壤对热的传导性较低有关。

图2 间伐区、未间伐区不同深度土壤温度比较（2011年8月）Fig.2 Comparison of temperature in different soils depth between thinning area and un-thinning (August, 2011)

图3 间伐区、未间伐区不同深度土壤温度比较(2012年5月)Fig.3 Comparison of temperature in different soils depth between thinning area and un-thinning area (May 2012)

图4 间伐区、未间伐区不同深度土壤温度比较(2012年7月)Fig.4 Comparison of temperature in different soils depth between thinning area and un-thinning area (July, 2012)

土壤温度的改变会对森林生态系统的生态过程产生一系列的影响。土壤温度的升高将使土壤动物和微生物的活动加速，枯落物和有机质的分解速率加快，这将明显促进森林生态系统的生物地球化学循环过程的进行，有利于改善森林土壤的肥力状况。因此，对林分进行适当的抚育采伐有助于森林土壤肥力的提高。

3.3 抚育间伐对林内气温的影响

间伐区、未间伐区林内气温见图5。人工落叶松林、天然杨桦林间伐区与未间伐区林内温度呈明显的单峰曲线,间伐区的气温与未间伐区没有明显差异。如2012年7月调查的数据中落叶松林间伐区日最高气温平均值为25.4 ℃，最低为14.2 ℃，未间伐区日最高气温平均值为25 ℃，最低值为12.3 ℃；白桦林间伐区日最高气温平均值为25.6 ℃，最低为16.1 ℃，间伐区最高气温平均值为25.6 ℃，最低值为14.9 ℃。弥宏卓等[1]在内蒙古大兴安岭地区兴安落叶松林的研究结果表明，抚育间伐后林内最高气温平均值为27.5 ℃，最低为20.2 ℃；未间伐的原始林的日最高气温平均值为26 ℃，最低为19.8 ℃，抚育间伐使林内气温升高，但幅度不大。

3.4 抚育间伐对林内空气相对湿度的影响

间伐区、未间伐区空气相对湿度的对比如图6所示。由图6可以看出，人工落叶松林、天然杨桦林间伐区与未间伐区的相对湿度的日变化趋势一致，从6:00到12:00左右逐渐降低，在12:00～15:00时间段，相对湿度达到最低值，然后随时间的推进又开始上升。大气相对湿度主要受太阳辐射和气温的影响，一般来讲，大气相对湿度的变化与太阳辐射和气温的日变化呈负相关。

图5 间伐区、未间伐区气温对比Fig. 5 Comparison of air temperature between thinning forests and un-thinning forests

图6 间伐区、未间伐区相对湿度比较Fig.6 Comparison of air relative humidity between thinning area and un-thinning area

同时，由图6也可以看出，两种林分的间伐区与未间伐区的空气相对湿度的差异并不显著。如间伐及未间伐的天然杨桦林相对湿度的平均值分别为15.88%和15.46%（5月2日），52.46%和52.67%（7月15日）；人工落叶松林相对湿度的平均值分别为30.35%、32.14%（5月3日），64.33%和64.52%（7月14日）。胡建伟等在研究抚育间伐对森林环境的影响时发现，林分经25%强度的抚育间伐后，空气的相对湿度由原来的61%下降到55%[15]；弥宏卓等在内蒙古大兴安岭地区也发现，抚育间伐后兴安落叶松林的日平均相对湿度小于未间伐林地[1]。其他的研究也发现了类似的结论[16-17]。本研究中没有发现抚育间伐对人工落叶松林及天然次生杨桦林的相对湿度具有明显影响，其原因可能在于两种林分中未间伐观测林地的面积（20 m×30 m）较小，由于林地与周围环境的水汽交换，在林地内难以形成稳定的特有的大气相对湿度环境。因此，一般的20 m×30 m的林分观测样地可能不适合进行林分大气相对湿度的观测，应尽可能扩大林分的面积规模，以形成稳定的林内环境。

4 结 论

抚育采伐对落叶松人工林及天然次生杨桦林的小气候有明显影响，主要表现在林下照度和土壤温度两个方面。抚育采伐使林分内的光照强度明显增加，抚育采伐后林内的相对照度提高4倍以上。同时，抚育采伐使林下浅层土壤温度明显增加，但增加幅度随土壤深度的增加而逐渐减小，对深层土壤（深度超过15 cm）的影响不明显；浅层土壤温度有明显的日变化，深层土壤的日变化不明显。本研究中未发现抚育采伐对两种林分的气温及大气相对湿度有明显影响。本研究表明抚育采伐可明显提高林内的光照强度和浅层土壤温度，这将对林下植被的发育及林分更新，以及林内土壤的生物地球化学过程产生明显影响。

[1]弥宏卓,张秋良,徐步强,等.不同干扰方式下兴安落叶松林小气候特征研究[J].内蒙古农业大学学报,2011,32(3):67-70.

[2]李艳忠,孙 亮.浅析森林采伐对环境的影响[J].林业勘查设计,2008,(3):22.

[3]肖化顺,曾思齐,欧阳君祥,等.天然林抚育经营技术研究现状与展望[J].中南林业科技大学学报,2014,34(3):94-98.

[4]柏广新,牟长城.抚育对长白山幼龄次生林群落结构与动态的影响[J].东北林业大学学报,2012,40(10):48-55.

[5]鲍 斌,丁贵杰.抚育间伐对马尾松林分生长于植物多样性的影响[J].中南林业科技大学学报,2013,33(3):30-33,46.

[6]戎建涛,黄清麟,张晓红.择伐经营对天然阔叶米槠林生长的影响[J].中南林业科技大学学报,2014,34(3):43-48.

[7]郝 帅,刘 萍,张毓涛.天山中段天山云杉林森林小气候特征研究[J].新疆农业大学学报,2007,30(1):48-52.

[8]朱育旗,王德荣,蒲永波,等.西南亚高山3种典型森林的小气候特征[J].四川林业科技,2009,30(6):12-20.

[9]潘开文,张咏梅,刘照光,等.四川中亚热带扁刺栲-桦木荷群系不同演替阶段林内小气候的比较[J]. 植物生态学报,2002, 26(2): 195-202.

[10]贺庆棠.中国森林气象学[M].北京:中国林业出版社,2000.

[11]张远彬,王开运,鲜骏仁.岷江冷杉林林窗小气候及其对不同龄级岷江冷杉幼苗生长的影响[J].植物生态学报,2006, 30(6):941-946.

[12]任 引,薛建辉.中亚热带甜槠常绿阔叶林小气候特征分析[J].南京林业大学学报:自然科学版,2008,32(3):14-18.

[13]杨茂精,黄镜光,黄色贵,等.稀疏马尾松林混交红椎后的小气候特点[J].林业科学研究,1998,11(5):560-563.

[14]中央气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003.

[15]胡建伟,朱成秋.抚育间伐对森林环境的影响[J].东北林业大学学报,1999,27(3):65-67.

[16]张 璐,林伟强.森林小气候观测研究概述[J].广东林业科技,2002,18(4):52-55.

[17]林永标,申卫军,彭少麟,等.南亚热带鹤山三种人工林小气候效应对比[J].生态学报,2003,23(8):1657-1666.

Effects of thinning on forest microclimate in northern region of Yanshan Mountain

LI Ya-nan1,2, XU Xue-fei3, XU Zhong-qi1,2, WANG Li1
(1.Forestry College, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China; 2. Hebei Province Key Lab. of Genetic Resources of Forest and Forest Protection, Baoding 071000, Hebei, China; 3. Mulanweichang National Forestry Administration of Hebei Province,Weichang 068400, Hebei, China)

In order to study the effects of forest thinning on forest microclimate, the forest inner light intensity, air temperature, air relative humidity, temperature of different depth soils (0, 5, 10, 15 and 20 cm) from 2011 to 2012 were measured in the thinning area and un-thinning area of artificial Larch and natural secondary poplar and birch forests in northern region of Yanshan mountain, Hebei province. The results show that the light intensity in the thinning forests was markedly higher than that of the un-thinning forests, that of the former was 4 to 5 times of the latter. The shallow soil temperature of the thinning zone was significant greater than that of unthinning, the differences of the two zones were gradually diminished with the increase of soil depth, between the thinning area and not thinning area, and under 15 cm soil layer, the soil temperature differences disappeared. There was no distinct difference in air temperature between the thinning forest and un-thinning forest. The diurnal course of air relative humidity was like a V-shaped, there are no markedly difference in relative air humidity between the thinning forest and un-thinning forest. It is concluded that thinning have impacts on the forest inner illumination intensity, shallow soil temperature of forests and it is implied that thinning will have a profound impacts on forest regeneration, understory vegetation development and biogeochemical cycles of the forests.

stand microclimate; intermediate thinning; forest inner illumination intensity; temperature of soil; air relative humidity

S718.51+2

A

1673-923X(2015)11-0121-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.11.022

2015-01-10

国家林业公益性行业科研专项（200804027-07，20100400205）

李亚男，硕士研究生

许中旗，教授；E-mail：xzq7110@163.com

李亚男,许雪飞,许中旗,等. 抚育间伐对燕山北部山地林内小气候的影响[J].中南林业科技大学学报,2015,35(11):121-127.

[本文编校：吴 毅]