辽东山区人工红松林小气候的影响特征研究

温亮

摘 要：采用对林外和林内小气候定位观测的实验方法，以辽东半岛站2013年9月—2014年8月的观测数据为基础，从温度、湿度、风速风向、降雨量、土壤温度（土壤深度：5cm、10cm、20cm、40cm、80cm）等因子对草河口人工红松林林外林内的小气候要素差异性分析，得出了以下结论：保温作用：林内对环境温度影响效果平均在4%左右；林外温度越是向极端情况发展时，影响的效果越显著；在不同土壤深度中，林内的各个土层温度都减小了土壤的温度变化；保湿作用：林内月平均湿度基本高于林外；林内平均提高环境湿度5%左右；林内外的湿度白天低于晚上，成U字形曲线；当外界湿度达到70%以上时，红松林有提高湿度的作用；当外界湿度低于80%时，红松林有降低湿度的作用；防风作用：红松林影响空气地表层的风速明显，平均降低35.5%的风速；涵养水源：林木生长的最旺盛期时对林外降雨影响效果是最明显的，减少降雨量在70%以上。红松生长的最旺盛期时对林外降雨影响效果是最明显的，减少降雨量在70%以上；林木对于降水的影响表现为：森林能增加大气的垂直降水；森林可以减少地表迳流；森林能增加水平降水。

关键词：森林小气候；红松；特征

中图分类号：S791.247 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20161131027

森林小气候是指由森林以及林冠下灌木丛和草被等形成的一种特殊小气候。在森林小气候的形成中，组成森林的树木品种、林龄、结构、郁闭度以及灌木层和草被的特性等，都起着很大的作用。由于森林的存在和影响，在林内表现出太阳辐射减少、气温日变化缓和、空气湿度和降水量增大以及风速减小等小气候特征。此外，森林小气候还与四周气候条件、地形特征和土壤性质等有关。因之，研究森林小气候是揭示森林生态系统服务功能评估森林对环境影响的重要基础。

国内对于森林小气候的研究较早。盧其堯（1963）根据1960年8—11月在热带地区海南岛树林内外的辐射平衡、热量平衡与小气候的观测，对林内外的辐射能与热能收支作了计算，分析了林内外小气候要素的分布与变化规律[1]；洪启法（1981）在1960—1970年，对吉林省防护林重点县进行了3次考察，对主要结构类型的杨树林带进行了5次以小气候效应为主的调查研究[2]；刘学勤等（1988）研究了华北落叶松人工林的小气候特征，为营林作业和生态效益研究积累一些资料[3]；李海涛等（1999）探讨了暖温带山地落叶阔叶混交林和油松林不同梯度的气温、湿度、土壤温度的日变化特征[4]；张远彬等（2006）对川西亚高山白桦林（海拔2540m）内太阳辐射、空气温湿度以及土壤5cm和15cm层温度等进行了连续的定位观测[5]；欧阳旭等（2014）选取2010年鼎湖山针阔叶混交林通量塔林内气象资料及其附近气象站空旷地同时段内气象资料，对两站点的气温、湿度、地温等小气候因子的日变化及月变化进行分析和对比[6]。上述文章多是基于某一年或是一年中某个生长季的数据进行分析。

森林内外小气候特征的对比研究，对于揭示森林小气候效应，阐明森林植被对局地气候的影响具有重要的价值。人工红松林是辽东山区主要的森林植被类型，它对于调节气候，保持生态平衡意义重大。本文是辽东半岛森林生态定位站标准气象观测数据为基础，分析人工红松林内外空气温度、湿度、风速、降雨量、土壤温度（土壤深度：5cm、10cm、20cm、40cm、80cm）等因子差异，揭示人工红松林小气候效应。提高森林的生态效益认识，为森林保护和营林生产提供科学依据。

1 研究区概况

人工红松林区地处辽宁东部山区的本溪县草河口镇境内。属于温带大陆性气候，温度低，雨量大，冬季干冷，夏季多雨。林区位于辽东丘陵地带，属长白山脉向西南延伸的支脉或余脉，平均海拔645m。林区土壤为棕色森林土，土层厚度50～70cm，pH值5.5～6.5。人工林区属长白和华北植物区系交汇处，具有2个区系植物组成特点，种类组成丰富，有木本植物192种。森林植被类型主要以人工林为主，主要有人工红松林、人工落叶松林及少量以辽东栎为主的天然次生林等。

2 观测区的自然状况与研究方法

2.1 观测区自然状况

2.1.1 林外观测区

林外对照观测区选择在辽东半岛森林生态定位站标准气象观测场内，该气象观测场地理位置N4052'2.84"、E12354'11.64"，年平均气温6.1℃，最高气温36.1℃，最低气温-31.7℃，无霜期127.6d，年降水量为926.3mm，年蒸发量1072.5mm，年平均相对湿度为72%，日照时数2285.3h，平均日照率51%，气象观测场内地被植物是三叶草。

2.1.2 林内观测区

林内观测区林分系人工红松林，观测点位于草河口镇茳草村八组人工红松林内，距离到林外标准气象观测场约1.36km。观测区面积为1.2hm2，处于下坡位，人工红松林龄23a，树高平均25m，胸径平均20cm，地面腐殖质层厚15cm，郁闭度0.6。

2.2 研究方法

林外对照观测区、林内观测区均采用美国Campbellscientific公司生产的自动气象仪器观测。仪器的布置使用和观测均按照中央气象局编制的《地面气象观测规范》的要求來进行。对温度、湿度、风速风向、降雨量、土壤温度（土壤深度：5cm、10cm、20cm、40cm、80cm）的数据自动采集是隔10min一次。观测时间为2013年9月1日—2014年8月31日。

3 结果与分析

3.1 森林对于空气温度影响

3.1.1 林内外月平均温度动态情况

将观测期间的温度数据分析（由图1、表2可知）按月统计结果看：林外的最高温出现在8月，温度达到34.3℃。林内的最高温出现在8月，温度达到33.3℃。由此可见，人工红松林将林外最低温度降低了1℃，降低幅度为3%；人工红松林外最低温度出现在1月，温度达到-23.9℃；林内最低温度出现在1月，温度达到-22.6℃。由此可见，人工红松林将林外最低温度提高了1.3℃，提高幅度为5.7%；人工红松林在11月到次年2月间平均温度处于零下，而林内外平均温度最低出现在次年1月，且林内平均温度高于林外平均温度，最大相差出现在12月和次年2月，相差值为1.2℃，最小相差出现在11月，相差值为0.4℃，次年1月的平均温度相差值为1.1℃；而在9—10月以及次年3—8月间林内外的平均温度在零上，而林内外平均温度最高出现在8月，且林内平均温度低于林外平均温度，最大相差出现在10月，相差值为2.6℃，最小相差出现在次年8月，相差值为0.9℃。由此可见，林内外平均温度进入零下时，林内平均温度高于林外，且林外平均温度越低，林内外平均温度相差就越大；林内外平均温度在高于零上时，林内平均温度低于林外，且林外平均温度越高，林内外平均温度相差就越小。

根据以上月统计结果来看，造成的原因是由于太阳辐射地面一年四季的角度不同，出现了一年中月温度不同的变化，而经过森林覆盖下地表温度受植物本身的一系列的生理活动影响。春夏秋3个季节是红松生长期，其从根部向上运输水分完成蒸腾作用，增加了环境湿度，降低了林内温度，冬季作为四季常绿的针叶植物完成其呼吸作用的同时在向外界散失热量，提高林内温度，且呈现了显著的影响效果，体现森林植被对于环境温度调节作用，但缺少对于不同林层的影响效果探讨[7]。综上所述，人工红松林林内外年温度变化可以得出以下规律：林内温度总是随着林外温度变化而变化，且林外温度越高林内温度就越高；林内温度变化幅度总是小于林外的变化幅度，且人工红松林在温度高于零上时有降低环境温度作用，低于零下温度时有提高环境温度的作用，其对环境温度影响效果平均在4%左右；林外温度越是向极端情况发展时，影响的效果越显著。

3.1.2 林内外的日温度动态变化情况

通过人工红松林月温度变化的情况，选取1a中通常出现最高温的8月份和出现最低温的1月份以及4月份来观察林内外日变化的情况，其统计结果（如图2所示）：林内外1月份日平均温度最高出现在14：00左右，林外日平均温度最低出现在7：00左右，林内日平均温度最低出现在6：00左右，林外1月份日平均温度变化区间在-15.72℃～-2.72℃，林内1月份日平均温度变化区间在-13.32℃～-4.69℃，林内日平均温度在11：00—15：00间小于林外，其他时间是大于的；林内4月份日平均温度最高出现在14：00左右，林外4月份日平均温度最高出现在15：00左右，林内外日平均温度最低出现在5：00左右，林内4月份日平均温度变化区间在2.60～17.51℃，林外4月份日平均温度变化区间在1.33～18.11℃，林内4月份日平均温度在7：00—17：00间低于林外，其他时间是大于的；林内外8月份日平均温度最高出现在14：00左右，林外日平均温度最低出现在4：00左右，林内日平均温度最低出现在5：00左右，林外8月份日平均温度变化区间在16.45～27.44℃，林内8月份日平均温度变化区间在16.90～26.71℃，林内8月份日平均温度在7：00—17：00间低于林外，其他时间是大于的。综上所述，人工红松林林内外日温度变化可以得出以下规律：林内的日温度变化幅度小于林外；白天的时候，林内的日温度总是低于林外；到了晚上，林内温度开始高于林外；随着年气温的不断上升，林内日平均温度的时间低于林外日平均温度的时间在增长。发生以上规律的原因在于受植物本身的一系列的生理活动有关，红松白天的蒸腾作用散失水分，降低林内空气温度，晚上的呼吸作用又提高了林内的温度，这使得林内的温度变化范围减小了，起到了调节环境温度的作用。

3.2 森林对相对湿度影响

3.2.1 林内外月平均湿度动态变化情况

将观测期间的湿度数据分析（由表3可知）按月统计结果看：林内外月平均湿度最大是在7月，最大值分别为：林内86.3%，林外84.5%。林外月平均湿度最小是在2月，值为47.5%，林内平均湿度最小是在4月，值为52.5%，其次是2月，值为53.2%；除了4月以外，其他期间林内相对湿度总是大于林外相对湿度；林内外的相对湿度差值的绝对值范围在0.5%～10.5%，8月份差值绝对值最大，12月份差值绝对值最小，差值平均值（4月差值不记）为4.8%。出现以上结果的原因为：红松林四季常绿，林内树木枝叶繁茂，根系发达，可以吸取深层土壤水分供林木蒸腾消耗，同时林冠可以阻挡林内外空气交换，林内水汽不易向外扩散，是导致近地层空气中的湿度较大林外的原因。4月份的空气温度林内外基本一致，是因为此时降水量较少，林内外风速相对其他月较大，造成蒸发速度和乱流交换强度增强，林内植被开始萌发，地表的植被开始大量吸收水分进行自身的生理活动，土壤水分向地表扩散作用的输送量减少，此时林内空气相对湿度会低于林外，也正是森林重点加强防火的时间期。综上所述，人工红松林林内外月湿度变化可以得出以下规律：红松林内月平均湿度基本高于林外；红松林平均提高环境湿度5%左右。

3.2.2 林内外日平均湿度动态变化情况

通过人工红松林月湿度变化的情况，选取1a中通常出现湿度平均最高的7月份和出现湿度平均最低的2月份来观察林内外日变化的情况，其统计结果（如图4所示）：2月份林内外日平均湿度成U字形（变化范围70%～100%之间），林内外湿度白天低于晚上，2月林外日平均湿度总是高于林内日平均湿度，林内外在9：00左右为湿度差最小值，逐渐变大到22：00左右达到林内外湿度差最大值；7月份林内外日平均湿度成U字形（变化范围在30%～80%之间），林内外湿度白天低于晚上，7月林内日平均湿度在7：00—17：00左右间高于林外，其他时间相反。原因在于：外界环境的温度白天高使得林内外湿度整体下降，但7月红松存在植物生理活动，白天蒸腾作用提高林内湿度，晚上红松呼吸作用散失热量提高林内温度，降低林湿度，而2月份红松的生理活动主要以呼吸作用为主，白天的红松呼吸作用强烈，林内温度高于林外，因此湿度林内依然低于林外[8]。由此得出红松林日平均湿度规律：林内外的湿度白天低于晚上，成U字形曲线；当外界湿度达到70%以上时，红松林有提高湿度的作用；当外界湿度低于80%时，红松林有降低湿度的作用。

3.3 森林对风速影响

由图5可知，可得出以下结果：林内月平均风速随林外同步变化，林内外的月平均风速差别显著，且林内<林外；林内的月平均风速为0.73m/s，林外的月平均风速为1.34m/s，且林内比林外月平均风速降低35.5%，其中降低率最高是在7月份，达到52.1%，而最小降低率为26.5%，是在1月份产生的，呈现出从1—7月份降低率逐渐升高，然后降低率再逐渐回落到第2年的1月份的全年趋勢。这原因在于森林树干和树冠对地表层空气流动有阻挡作用，且随着树冠一年四季的生长到更新的变化，产生了对风速由大到小的影响，且在7月份树木生长最旺盛的时候，对风速影响最大，反之依然。由此得出以下规律：红松林影响空气地表层的风速明显，平均降低35.5%的风速；红松林对于风速的影响从1月份效果逐渐到7月份增大，然后再在逐渐较小到次年最小，影响的效果大小与外界本身的风速大小无关。

3.4 森林对于降雨的影响

3.4.1 林内外月平均降雨量动态变化

由图6可知，林内外的月降雨量存在差别，因为林内降水量由直接到达林地的降水量、从树叶和大小枝条上滴下的降水量和树干径流3部分组成[9]。林内降水量在数值上等于林外降水量与林冠截留量之差（如图7）。由此可以得出以下结果：林内外的月降雨量在5月、6月、7月出现明显差别，6月林外降雨量是观测期中最大，达到147.9mm，7月份林内外月降雨量差别最大，最大达到103.2mm，减少了72.8%的降雨，林内还出现微弱高于林外降雨量的情况。以上由于林内降水量的分布是不均匀的。离树干愈远，降水量愈大，在树冠边缘处达到最大，而根际周围由于树干迳流，降水量也比较大。在降水期间，林冠层起着调节林内降水的作用，这种作用主要表现在使峰值降低，降水强度减小，降水时间延长，林外降水停止以后，林内还可以得到一部分降水。红松林对地表的月平均降雨量的影响规律为：红松生长的最旺盛期时对林外降雨影响效果是最明显的，减少降雨量在70%以上。

3.4.2 林内外日平均降雨量动态变化

林内外观测期内各时间点的降雨量积累数值基本呈现出：晚上林内降雨量高于林外，其他时间林内低于林外（如图8）。这是因为在林区，林内空气湿度大，森林枝叶的总表面积大，夜间强烈辐射冷却，往往产生较多的水汽凝结物，如雾、露、霜、雾淞等。由此可以看出森林对于降水的影响表现为：森林能增加大气的垂直降水；森林可以减少地表迳流；森林能增加水平降水。

3.5 森林对不同深度土壤温度的影响

土壤温度的高低和变化主要决定于土壤的热收支和土壤热属性[10]。由图9可知，各深度土层温度林内外差异显著，5—6月间的差异最大，平均差别达到5.0℃，2—3月份差别最小，平均差别接近0℃。林内外的各个土壤深度高低对比变化规律为：基本上是秋冬季节林内各深度土层温度高于林外，各深度土层温度高低的转换是在同年2—3月间和9—10月间，即2—3月间林内开始低于林外，9—10月间林内开始高于林外；林内的各个土层温度都减小了土壤的温度变化；林内外各个深度的土层温度有明显差别，秋冬季土层随深度的增加温度不断升高，春夏季土层随深度的增加温度不断降低，随土层深度增加温度差别越大。这主要是，当排出林内外土壤热属性因素的影响，森林与林下植被的根系以及枯枝落叶层对于土壤热收支起到阻隔作用，林下土壤温度在不同深度的变化相对林外减小。

4 小结与讨论

本文通过对草河口镇人工红松林在草河口人工红松林林内外2013年9月—2014年8月的观测数据为基础，通过温度、湿度、风速、降雨量、土壤温度（土壤深度：5cm、10cm、20cm、40cm、80cm）等因子对草河口人工红松林林外林内的小气候要素差异性分析。得出森林对于环境的影响如下：

4.1 保温作用

林内温度变化幅度总是小于林外的变化幅度，且人工红松林在温度高于零上时有降低环境温度作用，低于零下温度时有提高环境温度的作用，其对环境温度影响效果平均在4%左右；林外温度越是向极端情况发展时，影响的效果越显著；林内的日温度变化幅度小于林外；白天的时候，林内的日温度总是低于林外；到了晚上，林内温度开始高于林外；随着年气温的不断上升，林内日平均温度的时间低于林外日平均温度的时间在增长。在不同土壤深度中，基本上是秋冬季节林内各深度土层温度高于林外，各深度土层温度高低的转换是在同年2—3月间和9—10月间，即2—3月间林内开始低于林外，9—10月间林内开始高于林外；林内的各个土层温度都减小了土壤的温度变化；林内外各个深度的土层温度有明显差别，秋冬季土层随深度的增加温度不断升高，春夏季土层随深度的增加温度不断降低，随土层深度增加温度差别越大。

4.2 保湿作用

林内月平均湿度基本高于林外；林内平均提高环境湿度5%左右；林内外的湿度白天低于晚上，成U字形曲线；当外界湿度达到70%以上时，红松林有提高湿度的作用；当外界湿度低于80%时，红松林有降低湿度的作用。

4.3 防风作用

红松林影响空气地表层的风速明显，平均降低35.5%的风速；红松林对于风速的影响从1月份效果逐渐到7月份增大，然后逐渐减小到次年最小，影响的效果大小与外界本身的风速大小无关。

4.4 涵养水源

林木生长的最旺盛期时对林外降雨影响效果是最明显的，减少降雨量在70%以上。红松生长的最旺盛期时对林外降雨影响效果是最明显的，减少降雨量在70%以上；林木对于降水的影响表现为：森林能增加大气的垂直降水；森林可以减少地表径流；森林能增加水平降水。

参考文献

[1]盧其堯.热带地区林內和林外的能量平衡与小气候的比較[J].林业科学，1964（03）.

[2]洪启法.杨树林带小气候[J].林业科学，1981（01）.

[3]刘学勤，梁凤玉，王丽生，王桂香，徐彦.华北落叶松人工林小气候特征的初步观测[J].山西林业科技，1988（04）.

[4]李海涛，陈灵芝.暖温带山地森林的小气候研究[J].植物生态学报，1999（02）.

[5]张远彬，王开运，鲜骏仁，胡庭兴.川西亚高山白桦林小气候的时空动态特征[J].应用与环境生物学报，2006（03）.

[6]欧阳旭，李跃林，张倩媚. 鼎湖山针阔叶混交林小气候调节效应[J].生态学杂志，2014（03）.

[7]吴湘雄，康文星，傅强，宿少峰，王灿.樟树人工林内和林内空地土壤温度分布的研究[J].中南林业科技大学学报，2012（05）.

[8]陳国瑞，李天佑，俞益武，蒋秋怡.杭州常绿阔叶林对林内近地层温度和湿度的调节效应[J].浙江林学院学报，1994（02）.

[9]史宇，余新晓，张佳音.北京山区侧柏林林内降雨的时滞效应[J].生态学报，2013（13）.

[10]李德文，兰立达.川西亚高山白桦林内空气和土壤温度动态[J].四川林业科技，2005（02）.