辽东山区不同坡向林窗内光照特征对比分析

贾宁，刘东洋

（通辽市气象局，内蒙古通辽028000）

光照是植物进行光合作用并赖以生长的前提条件，林窗的产生导致更多的光到达林地表面，光照环境和热力特征对于土壤的理化特性、营养元素变化及土壤中的微生物都有重要影响，进而影响到林窗及周边生物的变化。光照会导致林窗内地表温度和近地层温度都发生变化，这对于森林的更新演替都产生重要的影响，林窗影响着森林的结构、动态和多样性变化，促进其维持平衡，研究林窗是当前森林生态学中比较重要的项目之一，具有十分重要的意义。

1 研究意义

本文以辽东山区雪害和风害后形成的天然次生林林窗为研究对象，对不同坡向林窗内的光照小气候观测资料进行分析，明确辽东山区不同坡向次生林林窗内光照的时空分布特征和变化规律，林窗坡向及林窗内位置不同，使其光温环境发生异质性变化，进而影响到林窗区域种子萌发、幼苗生长发育及植物种群分布等，最终影响森林的更新。通过对此研究旨在为深入探讨不同坡向林窗小气候形成机制和林窗内生物多样性的变化规律等提供科学依据，同时也为天然次生林的经营管理和其他相关生态过程研究提供一定的基础理论。

2 研究区概况和研究方法

2.1 研究区概况

研究地位于辽宁省清原县的清原森林生态实验站，在清原县南部，地处海拔1000m左右的辽东山脉地区，是中国科学院沈阳应用生态研究所新建（2003年）的野外台站，此地区山脉纵横，为长白山延伸山脉，山区的地带性植被类型为阔叶红松林。森林植物成分具有明显的长白植物区系特征，原生时期以红松为代表，另外还有沙松、鱼鳞松、蒙古栎、紫椴、色木槭、水曲柳和桦树等。

本区气候属于受季风影响的温带大陆性气候，具有冬季寒冷而漫长，夏季温暖多雨而短暂的特点。年平均气温3.9℃～5.4℃，无霜期120～139d，平均年日照 2433h，年降水量 700～850mm。以山地为主，海拔1100m左右，山地向西南延伸，以千山山脉为骨干，主峰千山。全区主要基岩为花岗岩、片麻岩、玄武岩和其他变质岩。主要土壤种类为森林土、草甸土，土层厚20～30cm，多显酸性和中性。

2.2 样地概况

本实验在辽宁省东部清原县内，实验地以山地为主。土壤为典型的深棕色森林土，厚度20～30cm。树种组成主要由蒙古栎、长白落叶松、枫桦、槭树、椴树、水曲柳和胡桃楸等为主。当地冬冷夏热，年均温3.9℃～5.4℃，1月最冷，7月最热，年平均降水量为700～1200mm，降水主要集中在6～8月，无霜期为150d，生长季为4～9月。

林窗形成于2004年12月底，所有林窗都是经过人工砍伐而产生的，本实验在三个不同坡向（西北坡、东北坡和东南坡）林窗中进行数据的测量，本次观测的林窗样地以三个大小基本相同，但坡向不同的林窗为研究对象，林窗均位于山体中坡位，坡度为20°～25°，土壤为山地棕壤土。其中，三个样地的海拔为580～600m，不规则椭圆形。林窗周边次生林的高度和疏透度分别为 15～20m 和 70%～80%。

2.3 实验设计和技术路线

本实验对辽东山区不同坡向林窗内的光照进行了长期测量。在不同坡向的三个林窗内的南北轴和东西轴上分别选取样点进行数据测量，样点位于林窗中央、林窗边缘树冠冠缘垂直投影处、林缘乔木根基处，并且在林内及空地上分别设置一个对照。将记录的数据进行不同处理及绘图，分析得出不同坡向林窗间光照的分布特征。

在每个林窗中沿南北向和东西向分别设置两条观测样线，每条样线上选取5个观测点，共17个测点，观测点为不等距分布，分别位于林窗中央、实际林窗边缘（林缘树冠垂直投影处）和扩展林窗边缘（林缘树干处）。观测要素为光量子通量密度（PPFD），选取晴好天气进行，于2014年（4～10月）昼间整点进行观测（8时～16时），每次观测重复3次，共观测了15d的数据。由于不同时段，太阳辐射有明显的差异，从而引起PPFD在上午、中午和下午之间变化较大，所以将一天划分为8～10时，11～13时和14～16时三个时段来对林窗内光照的空间分布进行分析。

2.4 光的测定

测量林窗光环境的方法可分为3类：直接测量法、相片法和模型估测法，本实验采用直接测量法，观测林窗内的光照变化，记录测量数据。光照的传感器设定取样每天测定时间为8时～16时，放置于距地面1m处，观测时间为2014年4月到10月生长季内进行。

3 结果分析

3.1 不同坡向林窗光照的空间分布特征

上午，在东北坡到达林窗内的太阳光线受林窗东南边缘林木的遮蔽作用，使林窗东南部地面所接收到的太阳直接辐射较少，而林窗西北部由于遮蔽时间较短，而造成PPFD在西-西北侧首先升高，高值区最先出现在林窗中央西侧(1108μmol·m-2·s-1)，而林窗南侧的PPFD最小（714μmol·m-2·s-1）。在东南坡林窗中，上午高值区也出现在林窗西侧（1175μmol·m-2·s-1），东南侧值较低。在西坡林窗内，上午最高值在扩展林窗西侧（515μmol·m-2·s-1），最低值在林窗东侧（108μmol·m-2·s-1）。

中午，随着太阳高度角的增加，林窗内各观测点的PPFD都在增加。在东北坡，南侧林缘处由于受边缘木投影的遮蔽影响，导致林窗内中午时段的PPFD空间分布规律为北高南低，最高值出现在林窗北侧扩展林窗附近（1135μmol·m-2·s-1），最低值出现在林窗南侧林缘处（832μmol·m-2·s-1）。在东南坡，中午时 PPFD也快速增高，数值与东北坡和西坡相比较大，PPFD空间分布表现为东西向对称，高值区出现在实际林窗北侧附近(1317μmol·mm-2·s-1)，低值区在林窗偏南侧。在西坡，同样随着太阳高度角的增加，中午林窗地面各测点光强普遍升高，林窗东—东北侧林窗处的增值最为明显，PPFD整体分布格局为北高南低，最大值出现在林窗中央偏北侧（1068μmol·m-2·s-1），低值区同样出现在林窗偏南侧。

下午，随着太阳的西移下落，林窗内的PPFD迅速降低，水平梯度减小。在东北坡PPFD最高值区出现在林窗中央东北侧（324μmol·m-2·s-1）， 最 低 值 区 位 于 林 窗 西 偏 南 林 缘 处（105μmol·m-2·s-1）。在东南坡，下午 PPFD 总体水平降低幅度较大，高值区位于林窗中央偏东侧（273μmol·m-2·s-1），低值区位于林窗偏西侧。在西坡，下午由于太阳高度较低，且位置逐渐偏西，太阳辐射受树木遮蔽，林窗内日照减少，PPFD降低，最高值出现在东侧扩展林窗边缘（126μmol·m-2·s-1），最低值出现在林窗的西南侧扩展林窗边缘（42μmol·m-2·s-1）。

3.2 不同坡向林窗光照分布的时空特征

3.2.1不同坡向林窗光照的日变化

以生长季中间时段（7月）晴天观测的PPFD数据为代表，对不同坡向林窗内和郁闭林内PPFD的日变化进行了数据处理，绘制三个不同坡向林窗和林内观测点PPFD的日变化情况。三个不同坡向林窗内，PPFD的日变化均呈现明显的单峰型，峰值在11时～13时之间出现。东南坡林窗中央PPFD始终大于东北坡和西坡林窗，峰值出现在中午 12：00 左右，可达 1405μmol·m-2·s-1，在13：30之后迅速减弱；上午东北坡PPFD稍小于西坡且上升较快，12：00 时出现最大值为 1008μmol·m-2·s-1，13：00 之后下降较快，高于西坡；东北坡和西坡林窗在10时之前增长较缓慢，西坡其峰值出现在 12 时，为 990μmol·m-2·s-1，12 时之后的 PPFD 普遍低于同时期东北坡的PPFD。与林窗内相比，郁闭林内PPFD全天值都比较低也较稳定，也表现为单峰型的日变化，最高值出现在12时，达到87μmol·m-2·s-1。

3.2.2不同坡向林窗光照的季节变化

将 4～10月测量数据按 4～5月，6～8月，9～10月分为春夏秋三个季节，取17个测量点中的东南西北及中央点五个点进行数据处理，三个林窗内的平均PPFD最大值均出现在林窗中心测点，在扩展林窗边缘处PPFD最小，一般规律为春季值大于夏季值大于秋季值，在春、夏、秋三个季节中均以东南坡林窗内PPFD最大，东北坡次之，西坡最低。东北坡林窗中，在春夏秋三个季节的PPFD的最低值都是出现在林窗南侧，最高值出现在林窗西侧。在春季，林窗内光量子通量密度的空间分布形势为中心与其他方位差异不大，呈对称分布。最高值出现在林窗中央，林窗四周PPFD值变化不大较平稳。在夏季，最高值出现在林窗偏西侧，其次是林窗中央处，南侧值最低，分布呈东—东北对称。在秋季，林窗内西侧光量子通量密度水平下降较快，高值区位于林窗中央偏东北侧，西南侧光量子通量密度值较低。东北坡在春季的PPFD明显高于夏季和秋季，而夏季和秋季差异不大。

在东南坡，春季林窗中央的PPFD是所有坡向季节中的最高值，春、夏季的光量子通量密度的最低值位于林窗东侧，最高值在林窗西侧，林窗东西侧的PPFD明显高于南北侧，在南北轴线上表现为西部高于东部，南部高于北部。夏季与秋季PPFD各测点差异不大。

在西坡林窗内，PPFD与东南坡和东北坡有明显的差别，光照值较低。春季和夏季的PPFD高值区明显位于林窗中央附近，且远高于秋季，北部PPFD最低，东侧值最低，秋季光量子通量密度高值区出现在中央附近，但空间分布差异不大，均较低。林窗南侧值最低，总体分布形势为东北侧值较高、西南侧值较低。

不同季节三个坡向林窗内平均光照方差分析表明，春季各坡向林窗平均PPFD差异达到极显著水平（p=0.008<0.01），夏季差异达到显著水平（p=0.03<0.05），秋季差异不显著（p=0.08>0.05），春季不同坡向林窗内平均PPFD的大小顺序为南坡（787.22μmol·m-2·s-1）大于东坡（669.67μmol·m-2·s-1）大于西坡（547.89μmol·m-2·s-1），西坡和南坡差异极显著，东坡和其他两个坡向之间差异均不显著，夏季与春季表现相似，南坡（571.67μmol·m-2·s-1）高于西坡（509.11μmol·m-2·s-1），差异极显著，东坡平均 PPFD 介于两者之间（432.01μmol·m-2·s-1），与两个坡向差异不显著。秋季三个坡向林窗内平均PPFD差异不显著，以南坡最高（245.22μmol·m-2·s-1），东坡次之（200.22μmol·m-2·s-1），西坡最低（169.44μmol·m-2·s-1）。

4 结论与讨论

4.1 结论

不同坡向林窗内各方位点的光量子通量密度都呈现出明显的单峰型日变化趋势，空间分布态势为随时间有明显的动态变化。林窗内光量子通量密度的空间分布形势表现出明显的不对称性，光量子通量密度的最大值随时间有明显的位移变化。最大值总是出现在林窗中央与中央附近位置，边缘各点的值较低。在东北坡、东南坡、西坡上午的最高值均在林窗的偏西侧，最低值分布在南侧或偏东南侧。中午时东北坡和西坡的光照空间分布大体为北高南低，东南坡为东西向的对称，最高值在林窗偏北侧。下午时，东南坡和西坡的光照高值区为偏东侧，东北坡为偏东北侧，三个坡向的低值区大体都为偏西南侧。

三个不同坡向林窗中光量子通量密度的日变化趋势为单峰型变化趋势，东北坡最大值出现在12时，西坡和东南坡峰值出现在13时，林内相对较晚峰值出现在12时之后。东南坡林窗光量子通量密度总体大于东北坡林窗大于西坡林窗，远远大于林内。林窗内光量子通量密度的空间分布状况以及林窗内光量子通量密度的最大值随时间、季节的变化而变化，都受到太阳高度角在一年中周期性变化的影响。

三个不同坡向林窗中光量子通量密度的季节变化，林窗内光量子通量密度变化表现大体为春季大于夏季大于秋季，各林窗光量子通量密度最大值区域随季节呈现出自中心附近向北位移的现象。

林窗内光照的影响不仅局限于林窗的垂直投影下方，可以影响到林窗周围乔木处根部的范围，而且可以扩展到林窗外部的林下，从林窗边缘到林窗中央，光强逐渐增强，到中央附近值最大，林窗边缘光强梯度变化较大。白天林内接收到的太阳总辐射远远小于林窗内，在面积约200m2的林窗中央光照为林下的913～1117倍。在实际测量中由于太阳高度、天气因素、林窗周围边缘木的影响，光照最大值区域并不是出现在林窗的正中央位置，而是出现在林窗内的某一侧。

4.2 讨论

在本文的研究中，可以看出在三个不同坡向林窗中，林窗的不同位置光量子通量密度有很大的差异，空间分布形式呈现出不对称性，林窗内高值区随时间变化非常明显，上午林窗内光量子通量密度的最大值出现在林窗偏西侧，中午高值区位于林窗偏北侧，下午高值区又移动到林窗偏东的位置，即林窗内的高值区随时间有动态变化。此外，林窗内光量子通量密度的空间差异还受到林窗郁闭程度的影响，这也是林窗内光斑出现具体位置不同的主要原因。对比林窗内不同季节的光量子通量密度变化，三个坡向林窗内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间，这是由于春季太阳辐射增长较快，而林窗周围树木才开始增长，郁闭程度较低，造成了春季林窗内光量子通量密度的值最大。夏季，虽然太阳辐射强于春季，但此时林窗树木枝叶茂密，林窗郁闭度达到最高，使入射到林窗内的光量子通量密度低于春季。秋季，林窗树木进入生长季末期，树叶开始枯萎凋落，林窗冠层郁闭度减小，而此时太阳辐射也开始变小，所以林窗内光量子通量密度最低。各季节林窗内空间分布表明，三个季节光量子通量密度的高值区域总是出现在林窗偏北侧，且随生长季的移动光量子通量密度逐渐向北移动，这主要是因为随生长季的推移太阳高度角逐渐变小，光强高值区也逐渐出现了向北移动的变化趋势。在整个生长季中，各坡向中以南坡林窗内的光量子通量密度的值最高，这是因为对于各个坡向来说，一天中光量子通量密度的最大时段出现在中午，所以南坡向的林窗接受到的太阳辐射整体上要高于其他两个坡向林窗。林窗的大小是影响林窗内光量子通量密度分布的一个重要因子，当大小相同、林窗的方位不同时，林窗内光照的空间分布也有所不同。