王霞 李永濤 魏海霞 周健 王振猛 楊慶山 李長貴 劉德璽

(山東省林業(yè)科學(xué)研究院，濟(jì)南，250014)

?

黃河三角洲白蠟人工林小氣候特征的時空動態(tài)變化1)

王霞 李永濤 魏海霞 周健 王振猛 楊慶山 李長貴 劉德璽

(山東省林業(yè)科學(xué)研究院，濟(jì)南，250014)

在山東省鹽堿地造林試驗(yàn)站的12年生白蠟人工林內(nèi)(山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的定位觀測樣地)，設(shè)有25 m綜合梯度觀測塔(包含森林小氣候觀測系統(tǒng))，在高度1.5、3.5、11.0、13.0 m處分別設(shè)置4層氣象傳感器(空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速傳感器)，在高度3.5、11.0 m處設(shè)有兩層四分量輻射傳感器。于2015年3月—2016年2月，每個月份選擇3個晴天代表日，按照數(shù)據(jù)采集頻率為10 min的間隔24 h不間斷采集數(shù)據(jù)，分析黃河三角洲地區(qū)白蠟人工林小氣候特征的時空動態(tài)變化。結(jié)果表明：一年中，冠層內(nèi)太陽輻射始終低于冠層上，冠層內(nèi)年均太陽輻射可降低84.91%；林冠層在4月份表現(xiàn)出一定的保溫作用，7月份表現(xiàn)出一定的負(fù)作用；一年中，觀測塔高度3.5 m處的濕度基本高于觀測塔高度11.0、13.0 m處的濕度，且4個月(4、7、10月份和次年1月份)的日變化特征顯示林冠層夜間增濕作用明顯；不同高度的風(fēng)速，從大到小依次為13.0 m高處、11.0 m高處、1.5 m高處、3.5 m高處，林冠層年均可降低風(fēng)速73.54%。

黃河三角洲；白蠟人工林；氣象因子；小氣候特征

小氣候是由于下墊面性質(zhì)以及人類和生物活動的影響而形成的小范圍內(nèi)的特殊氣候，其水平尺度常在1 km以內(nèi)，垂直高度在100 m以下[1]。森林小氣候是指由于森林植被的存在所形成的一種特殊的局部地區(qū)的氣候[2]，這種小氣候是森林中光、溫、水、氣等各種氣象因子綜合影響的結(jié)果。森林小氣候作為森林生態(tài)系統(tǒng)功能的主要研究內(nèi)容，可以為評價森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境效應(yīng)，維護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)的完整性提供科學(xué)基礎(chǔ)，所以近年來受到國內(nèi)眾多學(xué)者的重視。研究區(qū)域，跨越熱帶雨林[3-4]、亞熱帶針闊葉林[5-15]、暖溫帶落葉闊葉林[16-20]、溫帶荒漠針葉林[21]等生態(tài)區(qū)；研究對象，有原生林、次生林和人工林，包含純林和混交林；研究內(nèi)容，主要是通過比較不同森林植被林內(nèi)外小氣候特征的差異，說明森林植被調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候的功能，或通過梯度觀測研究林內(nèi)氣候因子梯度分布特征。

白蠟是黃河三角洲地區(qū)最重要的造林樹種之一，抗鹽抗逆性強(qiáng)，尤其在濱海鹽堿地區(qū)更具有不可替代的價值。沈運(yùn)擴(kuò)等[22]利用自動氣象站定位觀測一個生長季(4—10月份)白蠟林地與曠野的小氣候因子，研究了白蠟林內(nèi)與曠野的動力效應(yīng)、熱力效應(yīng)、水文效應(yīng)的變化。本文以山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站為平臺，以日、月為尺度分析了白蠟人工林林內(nèi)一年中各氣象因子梯度分布特征的時空變化，旨在更進(jìn)一步揭示白蠟人工林內(nèi)部小氣候的變化規(guī)律，為研究下墊面的小氣候效應(yīng)及其對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地是山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的定位觀測樣地，位于山東省鹽堿地造林試驗(yàn)站，該站位于渤海灣西南岸，壽光市北部羊口鎮(zhèn)(37°11′N，118°40′E)。屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，年降水量600 mm左右，無霜期長達(dá)200 d；土壤類型為鹽化潮土，地下水深約2 m，為典型的濱海鹽堿地。

試驗(yàn)林為12年生白蠟人工林，株行距4 m×5 m；平均胸徑12.21 cm、平均樹高8.43 m、平均枝下高2.3 m；平均冠幅，東西為4.01 m、南北為3.51 m。

2 研究方法

林內(nèi)設(shè)有25 m綜合梯度觀測塔(包含森林小氣候觀測系統(tǒng))，在1.5、3.5、11.0、13.0 m高處分別設(shè)置4層氣象傳感器(空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速傳感器，均為Campbell公司生產(chǎn))，在3.5、11.0 m高處設(shè)有兩層四分量輻射傳感器(Campbell公司生產(chǎn))。數(shù)據(jù)采集器為CR1000(Campbell公司生產(chǎn))，數(shù)據(jù)采集頻率為10 min，24 h不間斷采集數(shù)據(jù)。

采用數(shù)據(jù)時段為2015年3月—2016年2月，以00：00為次日劃分點(diǎn)，選用每日逐時數(shù)據(jù)。因森林小氣候觀測受天氣狀況影響極大，為提高數(shù)據(jù)的可信度和可比性，應(yīng)選擇典型(晴好)天氣進(jìn)行觀測[23]。選取每個月3 d晴好天氣氣象因子的逐時平均數(shù)據(jù)，代表每月的變化情況，其中選取4月(15日、23日、24日)、7月(4日、14日、15日)、10月(9日、10日、14日)、次年1月(8日、12日、19日)各氣象因子監(jiān)測數(shù)據(jù)瞬時值的平均值(3日)，研究各環(huán)境因子的日變化情況。

通過Microsoft excel 2010對各類觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和相關(guān)圖形的繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 太陽輻射強(qiáng)度特征

氣象學(xué)中習(xí)慣把太陽輻射稱為短波輻射[24]，本文中的研究對象為太陽短波總輻射。由圖1可見：11.0 m高處，太陽輻射呈現(xiàn)早晚低、日間高的倒“U”字型變化趨勢，05：00—07：00后逐步升高，在12：00—13：00達(dá)到最大峰值，而后逐步降低，傍晚18：00—20：00開始趨于0。3.5 m高處，太陽輻射變化趨勢與11.0 m高處類似，最大值出現(xiàn)在11：00—12：00；但7月份呈現(xiàn)明顯的雙峰變化，峰值在11：00和15：00，是由于林冠孔隙透光，導(dǎo)致林內(nèi)輻射呈雙峰曲線。4個月的日間，11.0 m高處太陽輻射始終高于3.5 m高處，且2個梯度的差值，7、10月份的，大于4月份、次年1月份的。這與林冠層的枝葉生長情況有關(guān)：7月份為葉盛期，枝葉繁茂；10月份開始進(jìn)入葉衰期，枝葉相對茂密，林冠層對太陽輻射的遮蔽作用很強(qiáng)。4月份為葉初期，枝葉稀疏；次年1月份林內(nèi)葉片已經(jīng)全部干枯或脫落，對太陽輻射的遮蔽作用較弱。

圖1 不同月份太陽輻射日變化

由圖2可見：11.0 m高處，太陽輻射6月份最高，12月份最低，這是因?yàn)橐荒曛邢闹凉?jié)氣出現(xiàn)在6月份、冬至節(jié)氣出現(xiàn)在12月，太陽高度角分別最大和最小，而林冠的太陽總輻射透射率隨太陽高度角的增高而增大。3.5 m高處，太陽輻射4月份最高，9月份最低，因?yàn)?月份氣溫回升快，林內(nèi)枝葉相對稀疏，對太陽輻射的遮蔽作用較弱；而9月份氣溫逐步降低，林內(nèi)枝葉相對茂密，對太陽輻射的遮蔽作用仍較強(qiáng)。一年中，11.0 m高處太陽輻射始終高于3.5 m高處，到達(dá)林冠內(nèi)部的太陽輻射比冠層上小的多，冠層內(nèi)比冠層上年平均太陽輻射降低84.91%。

圖2 不同梯度太陽輻射月均值變化

3.2 空氣溫度特征

由圖3可見：不同梯度不同月份氣溫變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)早晚低、日間高的倒“U”字型變化趨勢，最低值多出現(xiàn)在05：00—07：00，13：00—15：00達(dá)到最大峰值；3.5 m高處空氣溫度始終高于1.5 m高處，13.0 m高處空氣溫度始終高于11.0 m，存在明顯的逆溫現(xiàn)象，但4個梯度之間未形成統(tǒng)一的輻射逆溫，而次年1月份夜間18：00—08：00間4個梯度呈現(xiàn)明顯的輻射逆溫現(xiàn)象；4、7月份日間07：00—18：00之間，3.5 m高處氣溫最高，1.5、13.0 m高處氣溫居中，11.0 m高處氣溫最低；10月份、次年1月份日間4個梯度未形成統(tǒng)一規(guī)律；總體看，4個月份4個梯度，夜間18：00—07：00溫差比日間大。

由圖4可見：一年內(nèi)不同梯度氣溫呈現(xiàn)一致的變化趨勢，3月份開始?xì)鉁刂鸩缴撸?.5、3.5、11.0 m高處在7月份氣溫達(dá)到最高，13.0 m高處氣溫在6月份達(dá)到最高，而后逐步降低，至次年1月份氣溫最低；3.5 m高處空氣溫度始終高于1.5 m高處，13.0 m高處空氣溫度始終高于11.0 m高處的空氣溫度。

圖4 不同梯度空氣溫度月均值變化

3.3 空氣相對濕度特征

由圖5可見：不同梯度不同月份空氣相對濕度變化規(guī)律基本一致(7月份1.5 m高處除外)，呈現(xiàn)早晚高、日間低的“U”字型變化趨勢，最高值多出現(xiàn)在05：00—07：00，最低值出現(xiàn)在13：00—16：00；7月份1.5 m高處相對濕度與其他梯度相比，濕度值更低，變化幅度更大，波動也更劇烈，原因是樣地外圍西側(cè)離生產(chǎn)路僅8 m，受人為和生產(chǎn)活動影響較大；除7月份1.5 m高處，日間09：00—18：00之間4個梯度濕度梯度差較小，夜間19：00—06：00之間1.5 m高處和3.5 m高處相差較小，11.0 m高處和13.0 m高處相差較小，但1.5、3.5 m高處濕度明顯高于11.0、13.0 m高處。

由圖6可見：除1.5 m高處，一年內(nèi)其他3個梯度相對濕度呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在9月份，最小值出現(xiàn)在3月份；1.5 m高處最大值出現(xiàn)在2月份，最小值出現(xiàn)在7月份，且6—9月份濕度遠(yuǎn)低于其他梯度，原因是樣地外圍離生產(chǎn)路較近，受人為和生產(chǎn)活動影響較大；3.5 m高處年均濕度比11.0、13.0 m高處分別高7.3%、5.7%。

圖5 不同月份空氣相對濕度日變化

圖6 不同梯度空氣相對溫度月均值變化

3.4 風(fēng)速特征

由圖7可見：不同梯度不同月份風(fēng)速變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)早晚高、日間低的變化趨勢，4月份、10月份、次年1月份3個月份最大值出現(xiàn)在13：00—15：00，7月份最大值出現(xiàn)在19：00；1.5 m高處和3.5 m高處波動較緩，而11.0 m高處和13.0 m高處波動相對強(qiáng)烈，波動幅度也更大；4個月份1.5 m高處和3.5 m高處風(fēng)速相差較小，11.0 m高處和13.0 m高處相差也較小，但1.5 m高處和3.5 m高處風(fēng)速遠(yuǎn)低于11.0 m高處和13.0 m高處。

圖7 不同月份風(fēng)速日變化

由圖8可見：一年中，4個梯度風(fēng)速變化規(guī)律基本一致，最大值出現(xiàn)在3月份，最小值出現(xiàn)在8月份；1.5 m高處和3.5 m高處風(fēng)速遠(yuǎn)低于11.0 m高處和13.0 m高處，林冠下和林冠內(nèi)年均可降低風(fēng)速73.54%，且4—10月份3.5 m高處風(fēng)速低于1.5 m高處，3月、11月—次年2月份3.5 m高處風(fēng)速高于1.5 m高處。

4 結(jié)論與討論

森林冠層對太陽輻射有遮蔽作用，在葉初期、葉盛期和葉衰期表現(xiàn)出不同的削減程度。林冠內(nèi)(3.5 m高處)輻射日變化隨冠層枝葉茂密程度呈現(xiàn)不同的變化趨勢，與冠層上(11.0 m高處)的差值或增大或減小，在7月份呈現(xiàn)雙峰變化趨勢，認(rèn)為是林冠空隙透光所致，與王琛[18]研究結(jié)果一致；一年中林冠上太陽輻射均高于林冠內(nèi)，其太陽輻射差值最大的3個月份由大到小依次為6月份、7月份、5月份，5—7月份樹木生長旺盛，枝葉繁茂，郁閉度和葉面積指數(shù)等均比其他月份更高[25]，所以對太陽輻射的削減程度最強(qiáng)。

森林冠層對林內(nèi)空氣溫度的影響比較復(fù)雜。林冠層緩和林內(nèi)氣溫變化的作用稱林冠正作用；林冠層減弱林內(nèi)外的湍流或平流熱交換，導(dǎo)致白天增熱的空氣不易散逸，夜間冷卻的空氣又不易散走，從而使林內(nèi)氣溫的變化趨于極端，該作用稱林冠的負(fù)作用[26]。本研究4月份，日間3.5 m高處空氣溫度高于11.0、13.0 m高處，說明林冠層在4月份表現(xiàn)出一定的保溫作用，與沈運(yùn)擴(kuò)[19]研究結(jié)果一致；7月份，日間1.5、3.5 m高處的空氣溫度均高于林冠上11.0 m高處，說明林冠層在7月份表現(xiàn)出一定的負(fù)作用，認(rèn)為是林內(nèi)郁閉度較小所致。

森林冠層有增加空氣相對濕度的作用?？諝庀鄬穸热兆兓€和空氣溫度基本趨于對稱，日間空氣溫度高時，濕度較低，相反，夜間空氣溫度較低時，濕度相對較高；夜間，4月份、10月份、次年1月份3個月份，1.5 m高處和3.5 m高處及7月份3.5 m高處的濕度始終高于11.0 m高處和13.0 m高處，說明林冠層夜間增濕效果明顯；一年中3.5 m高處濕度多數(shù)高于11.0 m高處和13.0 m高處，說明林冠層的存在使水汽長時間駐留在林內(nèi)，從而使林內(nèi)保持較高的濕度[27]。

森林冠層有明顯降低風(fēng)速的作用。白天風(fēng)速大且變幅大，夜間風(fēng)速小變幅也?。?.5 m高處和3.5 m高處風(fēng)速波動變化較緩，而11.0 m高處和13.0 m高處風(fēng)速波動較劇烈；不同梯度風(fēng)速從大到小依次為13.0 m高處、11.0 m高處、1.5 m高處、3.5 m高處，林冠上的風(fēng)速遠(yuǎn)大于林冠內(nèi)和林冠下，林冠層年均可降低風(fēng)速73.54%；林冠層降低風(fēng)速80%以上的月份從大到小依次為9月份、8月份、5月份、10月份、6月份、7月份，這些月份由于林內(nèi)枝葉繁茂、林冠層稠密，降低風(fēng)速的作用比其他月份顯著[28]。

[1] 國家林業(yè)局.森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站建設(shè)技術(shù)要求：LY/T 1626-2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2] 賀慶棠.氣象學(xué)[M].修訂版.北京：中國林業(yè)出版社，1993：179-184.

[3] 劉文杰，張克映，王昌命，等.西雙版納熱帶雨林干季林冠層霧露形成的小氣候特征研究[J].生態(tài)學(xué)報，2001，21(3)：486-491.

[4] 周璋.海南尖峰嶺熱帶山地雨林小氣候特征研究[D].北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2009.

[5] 林永標(biāo)，申衛(wèi)軍，彭少麟，等.南亞熱帶鶴山三種人工林小氣候效應(yīng)對比[J].生態(tài)學(xué)報，2003，23(8)：1657-1666.

[6] 龔偉，宮淵波，胡庭興，等.四川盆地北部濕地松人工林小氣候特征研究[J].四川林業(yè)科技，2006，27(3)：5-9，14.

[7] 閆文德，田大倫.樟樹人工林小氣候特征研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報，2006，21(2)：30-34.

[8] 楊文睿.北亞熱帶次生櫟林森林小氣候特征研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2009.

[9] 劉志龍，虞木奎，成向榮，等.浙西低山區(qū)森林小氣候時空動態(tài)特征[J].林業(yè)科技開發(fā)，2010，24(1)：18-23.

[10] 陳亞鋒.幾種常見森林類型小氣候特征研究[D].臨安：浙江農(nóng)林大學(xué)，2011.

[11] 陳進(jìn).廣州帽峰山季風(fēng)常綠闊葉林小氣候特征研究[D].北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2011.

[12] 閆俊華，周國逸，韋琴.鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林小氣候特征分析[J].武漢植物學(xué)研究，2000，18(5)：397-404.

[13] 劉效東，周國逸，陳修治，等.南亞熱帶森林演替過程中小氣候的改變及對氣候變化的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報，2014，34(10)：2755-2764.

[14] 陳書軍.秦嶺天然次生油松林生態(tài)水文功能研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[15] 黃承標(biāo).桂西北喀斯特典型森林植被的小氣候特征[D].昆明：云南師范大學(xué)，2015.

[16] 李海濤，陳靈芝.暖溫帶山地森林的小氣候研究[J].植物生態(tài)學(xué)報，1999，23(2)：139-147.

[17] 徐文鐸，何興元，陳瑋，等.沈陽城市森林小氣候特征的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，16(9)：1650-1654.

[18] 王琛.北京地區(qū)森林小氣候特征研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2010.

[19] 沈運(yùn)擴(kuò).濱海鹽堿地白蠟與檉柳人工林小氣候效應(yīng)研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[20] 董金偉，白世紅，馬風(fēng)云，等.泰山森林生態(tài)站林內(nèi)外主要?dú)庀笠蜃訉Ρ确治鯷J].山東林業(yè)科技，2015(4)：78-81.

[21] 郝帥.天山中段天山云杉林森林小氣候特征研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[22] 沈運(yùn)擴(kuò)，董智，王麗琴，等.濱海鹽堿地白蠟人工林的小氣候效應(yīng)[J].中國水土保持科學(xué)，2014，12(3)：71-77.

[23] 張璐，林偉強(qiáng).森林小氣候觀測研究概述[J].廣東林業(yè)科技，2002，18(4)：52-56.

[24] 段若溪，姜會飛.農(nóng)業(yè)氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，2002：30.

[25] 曾小平，趙平，饒興權(quán)，等.鶴山丘陵3種人工林葉面積指數(shù)的測定及其季節(jié)變化[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，30(5)：33-38.

[26] 肖金香，方運(yùn)霆.江西資溪縣馬頭山自然保護(hù)區(qū)森林小氣候變化特征研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，25(5)：661-665.

[27] 邵永昌，莊家堯，李二煥，等.城市森林冠層對小氣候調(diào)節(jié)作用[J].生態(tài)學(xué)雜志，2015，34(6)：1532-1539.

[28] 陳宏志，胡庭興，龔偉，等.我國森林小氣候的研究現(xiàn)狀[J].四川林業(yè)科技，2007，28(2)：29-32，28.

Spatial Temporal Variation Process of Microclimate Characteristics ofFraxinuschinensisPlantation in the Yellow River Delta//

Wang Xia, Li Yongtao, Wei Haixia, Zhou Jian, Wang Zhenmeng, Yang Qingshan, Li Changgui, Liu Dexi(Shandong Academy of Forestry, Ji’nan 250014, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(4)：60-64,80.

We set an integrated gradient observation tower of 25-m high including forest microclimate observation system in a 12-yearFraxinuschinensisplantation (the sample plots of Forest Ecosystem Research Station of the Yellow River delta in Shandong)stand at Saline-Alkaline Land Afforestation Experimental Station of Shandong Province, and there were four-layer meteorological sensors (sensors of air temperature, relative air humidity and wind speed) at the high of 1.5, 3.5, 11.0, 13.0 m, and two layer four-component radiation sensor at 3.5, and 11.0 m. In March 2015-February 2016, we chose three sunny typical days from every month, and collected data for 24 h continuously with 10 min acquisition frequency, and analyzed the spatial temporal variation process of microclimate characteristics ofFraxinuschinensisplantation in the Yellow River delta. The solar radiation within canopy were lower than that of the above canopy all the year, and the average annual solar radiation could be reduced by 84.91%. The canopy showed a certain heat-preservation function in April, but negative effect in July. All the year round, the relative air humidity of 3.5 m were almost higher than 11 and 13 m, and the canopy showed the humidifying obviously at night from the diurnal variation of the chosen 4 months. The sequence of wind velocity of different height in a descending order of the height of 13, 11, 1.5 and 3.5 m, and the canopy could reduce the wind velocity by 73.54%.

The Yellow River delta；Fraxinuschinensisplantation； Meteorology factors； Microclimate characteristics

王霞，女，1984年7月生，山東省林業(yè)科學(xué)研究院、山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，工程師。E-mail：wangxia99@126.com。

劉德璽，山東省林業(yè)科學(xué)研究院，研究員。E-mail：llyldx@163.com。

2017年1月5日。

S716.3

1)林業(yè)科技創(chuàng)新平臺運(yùn)行補(bǔ)助項(xiàng)目(2016-LYPT-DW-054)；山東省自主創(chuàng)新專項(xiàng)(2012CX90303)。

責(zé)任編輯：張 玉。