森林小气候国内外研究进展

彭巍，李明文，王慧，骆媛媛

(1.黑河市林业科学院，黑龙江 黑河 164300；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091)

森林小气候主要是指由森林以及林冠下灌丛、草被和枯枝落叶层等共同形成的一种与周边大气候不同的局部小气候[1]，主要表现为林内冬暖夏凉、夜暖昼凉、日温差较小、湿度大、风速小、辐射低等特点，其变化特征取决于森林的林龄、组成、结构、生物多样性和郁闭度等。这种局部环境作用于森林生态系统，影响植物的光合作用、蒸腾作用、辐射能量平衡等生态过程。森林小气候观测内容比较广泛，常包括太阳辐射、温度、湿度、风速、降水、蒸发、CO2浓度等[2]。

1 国外研究进展

森林小气候的概念最早在公元前334年由希腊植物学家西奥夫拉斯塔(Theophrastus)提出，他第一次对跨洲的植物地理分布与气候环境进行了调查。在1740年左右，美国学者开始对树干内温度变化进行研究，对小气候真正系统的研究开始于19世纪中叶。较早进行森林小气候系统性研究的有欧洲一些国家，通过建立林内外气象观测站，进行气象要素的对比观测，并获得了大量资料。1893年，B.E.Fernow和 M.W.Harrington 出版了林业气象学最早的著作《森林的影响》。1924年，A.Schmauss建造了气象观测塔，对林内气象要素进行垂直分布的研究，从此观测研究由“树干空间气候”进入了“林分气候”的观测，研究内容涉及林分结构对森林气候的影响、皆伐和择伐迹地的气候特征、林缘和林中空地的气流运动以及冠层以下气象要素分布等方面。在1927年，R.Geiger出版了《近地层气象》专著，从此学者们开始注意研究林冠作用层，A.Baumgartner(1956)首次系统研究了森林林冠作用层的能量平衡，把林分气候的研究引向了其形成的物理学研究，后来发展为冠层气象学。

苏联森林小气候研究比较侧重于理论，与地理学、地球物理学等学科联系在一起，早期代表著作有《森林与气象》《森林与气候》等；日本学者较早开始森林小气候研究，并积极建立定位观测站点，偏重于生理气象研究，以及仪器的设计试制，如纸面蒸发器用于模拟叶面蒸发；美国森林气象始于20世纪20年代，由于生产需要发展较快，偏重于林火气象。自20世纪中叶之后，随着科技的进步，森林小气候研究有了更快的发展，各国学者在不同地区建立了森林小气候长期定位观测站，构建森林气象台站网。通过全自动气象观测系统、梯度气象观测仪、红外线测温仪等自动先进的仪器，开始对森林小气候进行连续观测，观测仪器的使用扩大了小气候观测的范围，并提高了观测数据的准确性、连续性和翔实性。

不同时期通过不同的观测方法和仪器对森林小气候进行长时间定位观测，能够更好地研究植被与森林环境之间的作用关系[3]。有学者研究得出，与无植物冠层遮挡的空间相比，植物群落可以显著降低空气温度0.8～5.15 ℃，增加相对湿度2.9%～8.3%。Ashton(1992)的研究表明森林的形状、面积、纬度等多方面的因素都对林内小气候有着不同程度的影响，导致小气候呈现出不同的特点[4]。Thomas(2005)对南美洲厄瓜多尔南部山区热带雨林地区的森林小气候进行了长期的观测，记录了光合有效辐射、空气温湿度和风速等相关数据，对比了不同海拔高度的森林小气候差异。随着多学科融合以及边界气象的发展，不同领域和国家的学者开始运用近地气层中气象的垂直分布规律，建立与蒸发、降水、风速、温度等气象因子相关的公式和模型，如湿润表面蒸发公式、Penman公式，海洋大气模型(FOAM)、生态气候系统模型(CCSM)，不同冠层高度风速与顶部风速的关系指数规律、模拟森林冠层的温度轮廓线模型，以及高度指数的林内温度函数等[5]。

近年来，由于全球变暖和城市雾霾问题的日益突出，城市热岛效应及城市空气清洁指数越来越受到人们的关注，关于城市森林缓解空气质量的研究逐渐增多。森林植被能显著影响城市区域的风速、温湿度和降水(Avissar R.，1996)，具有净化空气、降低噪音、雨水渗透、废水处理、休闲和文化等方面的服务功能[6]。例如植物群落可以通过冠层结构特征影响吸收和反射太阳直接辐射和周围环境的反射辐射[7]。植物还可以通过蒸腾作用、光合作用等生理活动降低林下空气温度，增加相对湿度，导致降温增湿作用差异的主要影响因子是树种和冠层结构的不同。

正是由于森林这种极佳的改善周围气候的特性，目前在很多国家“森林浴”已成为一种人们在高强度工作后放松身心和舒缓压力的活动，并引起了预防疾病和调理亚健康领域的研究者的高度关注，人们开始意识到森林在治疗、康复、保健和疗养等方面的医学意义。森林康养在国外研究领域也越来越受重视，德国、美国、韩国等均开始倡导森林康养研究。随着森林有益于人类健康证据的增加，许多国际研究机构、学术团体纷纷推出研究项目，在国际各种组织的强力支持下，森林疗养将得到持续发展。随着“森林浴”研究的推进，许多国家开展了室外森林健康效应研究，并收集记录人类接触森林后在中枢神经系统、自律神经系统、内分泌系统及免疫系统等方面生理指标的良性反应。众多研究表明，志愿者们在经过森林静坐并欣赏周围森林环境后，皮质醇水平降低12.4%、交感神经活动减弱7.0%、血压收缩压降低1.4%、心率降低5.8%，副交感神经活动增强55.0%，这些结果表明人体生理指标在经过森林环境的沐浴之后均有所改善[8,9]。

2 国内研究进展

在21世纪之前，我国对森林小气候的研究多采用的是常规观测方法，分别对不同地形、林分类型进行观测研究，探讨森林对温度、湿度、光照、蒸发等方面的积极影响，也为我国森林小气候研究奠定了基础[10]。20世纪90年代末开始，随着我国森林生态系统定位观测研究网络的建立，以及自动观测系统和梯度气象观测系统的引入，我国学者亦开始从多维度空间对小气候进行分析。21世纪以来，随着科技的进步，3S 技术以及生态系统观测研究网络发展迅速，众多学者对森林小气候进行了宏观大尺度的观测研究，新技术的应用使得观测范围扩大到整个地区、生态系统、物候带和全球[11]。

通过梯度观测发现林内外空气相对湿度的日动态呈“U”形变化，林冠外上方气温在白天高于林冠下，夜间低于林冠下[12]。林冠层内年均太阳辐射可降低84.91%，热带落叶阔叶林夜间还存在气温随高度增加而增加的辐射逆温现象[13,14]。进入林内的气流受到林冠、树干的阻挡，降低了水平风速并削弱近地层空气湍流强度[15]。在林内由于林冠对降水的拦截作用使林内降水强度、降水量显著小于林外[16]。3S 技术的应用分析，也同时验证了森林夏季具有降温作用，冬季具有保温作用[17]，城市森林群落结构与其热环境效应呈现出显著的负相关性，森林平均温度比城镇的建筑用地平均温度降低5.26 ℃[18]。由于强大的蒸腾作用和光合作用，使得树木林冠能吸收太阳辐射热能的35%～70%，枝叶能阻挡返回太阳辐射热能的20%～30%，所以最终到达林内地面的热能仅有5%～20%[19]。森林植被通过与区域气候相互作用，形成适宜的小气候，对小气候的研究从早期的人工常规观测到自动气象站、梯度气象站的仪器观测，可以更简便获得连续、准确、可靠的数据，再到3S 技术的应用将小气候观测带向更广阔的观测空间，更好地了解、认识和利用森林小气候。

气候疗法(green shower)是利用气候因子或经过改造的微小气候的物理、化学作用，对疾病进行防治的方法，是增强体质的良好措施，其具体实施方法因地因人因病而异。确定适合不同疾病的疗养气候，需要首先了解不同地理位置的气候变化特点和规律，良好的气候因子，能够调节疗养者的心理和生理等多方面的状态，长期处于这种良好的气候中能够消除疲劳、矫治疾病、增强体质，尤其对患有循环、神经、血液、呼吸系统等疾病的患者有较好的治疗和康复作用[20]。人体舒适度是通过量化的方式间接反映体验者在森林环境中的体感舒适程度的一个指标，有关研究发现，林区的舒适期比邻近城市长22～63 d。通过对比不同时段、样地、景观类型等环境下人体舒适度指数的变化，分析不同因素影响作用得出，人体的综合舒适度指数大小与接收的太阳光照强度、空气湿度、风速有关[21]。不同林型对周围环境的影响作用存在一定差异，白桦林的平均降温率(6.69 ℃)最大，而且降温效应以午后14: 00 前后最为显著；蒙古栎林的平均增湿率(44.78%)最高，且也以午后14: 00 前后增湿最为明显；在一日中对人体舒适度感觉最好和感觉舒适时间最长的是白桦林(23.13%，12 h)和樟子松林(22.17%，10 h)[22]。不同的植物群落对人体舒适度的影响也不相同，天然林夏、秋季的舒适期持续时间最长，人工林春、夏季舒适期最长；不同林种每日的舒适时段不同，千岛湖地区春季苦槠石栎群落为13点至16点、柏木群落和杨梅茶园在11点至15点[23]。国内外一些老年健康调查发现，大多数长寿老人一般都是居住在海拔1 500～2 000 m之间的山地林区，这些地区阳光充足、气压适中、空气清洁、夏季凉爽，促使人呼吸加深、肺活量增大、血液氧含量增加，有利于人们身体健康，适宜人类长期居住[24]。

目前，森林康养开展以修身养性、延缓衰老为目的的森林游憩、度假、疗养、保健、养老、养生等服务活动。森林康养符合我国的健康需求，以身心健康为核心，借助森林天然资源，将形成一个多维度、超时空、大范围、深层次、大健康的产业链。

3 小结

近几十年来，森林小气候研究领域的国内外学者通过不同的方法和技术手段针对不同林分类型开展研究，从水平层面到梯度垂直层面再到宏观范畴，多角度进行了深入细致的探讨与分析，确定了森林对环境的改善作用，同时得出森林对环境影响的大小也受地形地势、树种组成、生长状态、森林覆盖率等多方面因素的影响。纵观国内外研究进展，在森林小气候方面的研究即使有细微不同，但总体发展方向趋于一致，森林对环境改善起到重要作用，它使周边的环境趋向对人类健康更有益的方向发生改变。在注重生态环境养生的今天，森林所带给人类的康养能力将会越来越受到全球人类的关注，前人所研究得出的结论对唤醒人类的生态保护意识、体现森林的生态功能效益、促进森林康养产业的发展等都有着至关重要的作用。