劉士玲 ，楊保國 ，鄭 路 ，雷麗群 ，龐圣江 ，張 培 ，李 華 ，韋菊玲

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心，廣西 憑祥 532600；2.廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣西 憑祥 532600）

森林小氣候具有協(xié)調(diào)生物與環(huán)境的關(guān)系的作用，是評價森林系統(tǒng)綜合效益的重要特征之一[1]。無論是開展森林生物的生理生態(tài)特征、養(yǎng)分循環(huán)和水文功能等方面的研究，還是開展其他森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能等方面的研究，都不可缺少對森林小氣候的觀測[2]。傳統(tǒng)的小氣候研究注重對氣象資料的簡單描述，對小氣候的時間和空間變異把握不足[3]。以往國內(nèi)對森林小氣候觀測多為人工觀測，局限于特定時間段的小氣候特征分析，而缺少連續(xù)高頻率的觀測數(shù)據(jù)作為研究支撐，難以對森林的氣候狀況變化進行全面分析和把握。

馬尾松Pinus massoniana是我國主要的用材與造林樹種之一，分布區(qū)域廣且適應(yīng)性強。近年來，國內(nèi)外關(guān)于馬尾松的研究主要集中在材性[4]、種子園[5]、外生菌根真菌[6]、毛蟲發(fā)生規(guī)律與防治[7]、地力維護[8]等方面，鮮有利用定點連續(xù)高頻率的觀測數(shù)據(jù)研究馬尾松林小氣候特征。本研究基于廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站的自動氣象站對氣象因子的高精度觀測，以不同的尺度，對比馬尾松林與空曠地氣象因子差異，既可豐富關(guān)于馬尾松生理生態(tài)方面的研究內(nèi)容，也可揭示廣西大青山地區(qū)不同下墊面水熱的變化規(guī)律，同時也為本區(qū)域森林經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站實驗區(qū)范圍內(nèi)（106°41′～106°59′E，21°57′～ 22°16′ N），屬南亞熱帶半濕潤-濕潤季風(fēng)氣候，有明顯的干濕季。年均氣溫21.5～21.7℃，≥10℃積溫6 000～7 600℃，年降水量1 200～1 500 mm，年蒸發(fā)量1 261～1 388 mm，相對濕度80%～84%。地貌類型主要是低山丘陵，海拔430～680 m。土壤為由花崗巖發(fā)育而成的赤紅壤，土層厚度100～150 cm。

林內(nèi)自動氣象站安裝在馬尾松林，林齡為29 a，樹高約19.1 m；灌木層以大沙葉Pavettaarenosa、古鉤藤Cryptolepisbuchananii為主；草本層主要有鐵芒萁Dicranopterisdichotoma、半 邊 旗Pterissemipinnata、蔓生莠竹Microstegiumfasciculatum、弓果黍Cyrtococcum patens等。林外氣象站放置在熱帶林業(yè)實驗中心伏波實驗場紅星站（距馬尾松林＜1.5 km），根據(jù)國家氣象局編制的《自動氣象站建設(shè)技術(shù)要求》和《地面氣象觀測規(guī)范》建立。

2 研究方法

2.1 觀測設(shè)備

表1 傳感器的主要特征Table 1 Main characteristics of sensors

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用氣象劃分法劃分春季（公歷3—5月）、夏季（公歷6—8月）、秋季（公歷9—11月）、冬季（公歷12月—次年2月），且冬、春、夏、秋季的代表月份分別為1、4、7、10月。該區(qū)地處南亞熱帶，干濕季水熱條件差異較大，因此選取干季1月份和濕季7月份分析林內(nèi)外小氣候日變化的差異。

統(tǒng)計14：00相對濕度≥80%和≤30%的出現(xiàn)日數(shù)，用于空氣干、濕小氣候特征的研究。以≥80%作為高濕指標(biāo)，≤30%作為低濕指標(biāo)[9]。

選取2016年全年數(shù)據(jù)進行分析。采用Microsoft Excel 2007對修訂校正后的各要素的5 min步長觀測數(shù)據(jù)加以整合，采用SigmaPlot 11.0完成圖形分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 小氣候因子日變化規(guī)律

3.1.1 空氣溫度日變化

林內(nèi)外氣溫日變化在1月（圖1a）和7月（圖1b）均呈現(xiàn)同步的倒U型曲線，7：00氣溫開始升高，15：00達到日氣溫最大值，隨后逐步降低。林內(nèi)日氣溫低于林外，1、7月份林內(nèi)外氣溫日振幅分別為 2.25 ℃、3.00 ℃和 4.59 ℃、6.04 ℃。從干、濕季林內(nèi)外氣溫差值變化趨勢圖（圖1c）可以看出，相同時刻林內(nèi)外差值表現(xiàn)為白天溫差大于夜晚，濕季林內(nèi)外氣溫差值大于相同時刻干季的差值，但波動幅度與峰值出現(xiàn)時間不盡相同。1月份林內(nèi)外氣溫差值從6：00（0.55 ℃）的最低值開始上升，13：00（1.30 ℃）—16：00(1.35 ℃ )差值相似且為日差值最大的時段，隨后16：00迅速減小至20：00（0.74 ℃）后林外氣溫差值曲線又趨于平穩(wěn)，日平均溫差為0.86℃。7月份差值曲線從7：00（0.69 ℃）的最低值開始上升，12：00達到最高溫差2.17 ℃，隨后16：00開始逐漸減小至21：00（0.74 ℃），日平均溫差為1.34 ℃。

3.1.2 空氣相對濕度日變化

圖1 空氣溫度日變化及差值Fig.1 Diurnal variations and differences of air temperature

空氣相對濕度日變化在1月（圖2a）和7月（圖2b）均呈現(xiàn)同步的U型曲線，二者差值曲線同氣溫差值曲線相似，為倒U型曲線，峰值均出現(xiàn)在清晨時分，最低值在15：00—16：00，干濕季空曠地和馬尾松林內(nèi)相對濕度日振幅分別為8.54%、5.82%和29.00%、17.79%。干濕季空氣相對濕度差值曲線變化趨勢相似，濕度差白天大于夜晚，馬尾松林內(nèi)相對濕度均大于同時刻空曠地，濕季空氣相對濕度差值曲線振幅大于干季，濕度差的較大值出現(xiàn)在10：00—19：00。干濕季日相對濕度差值最大值分別為 3.96% (13：00)、16.56（15：00），最小值分別為1.17%（8：00）、5.36%（7：00），平均差值分別為2.32%、10.42%。

圖2 空氣相對濕度日變化及差值Fig.2 Diurnal variations and differences of air relative humidity

3.1.3 土壤溫度日變化

北方地區(qū)，早春及秋末氣候較為冷涼，一般3月末至4有初在設(shè)施內(nèi)育苗，終霜后定植于露地，6～9月份收獲。因苦瓜種子種皮較厚，播前要進行浸種催芽。先用50～60℃的溫水浸種，水冷后繼續(xù)浸泡36～48小時，使其充分吸水膨脹。浸種后用紗布包好，放置于30℃左右的保溫環(huán)境下催芽。將出芽后的種子直接播于營養(yǎng)缽內(nèi)進行護根育苗。苗齡30～40天，2～3片真葉時移植。

干、濕季馬尾松林內(nèi)外土壤溫度的時態(tài)變化趨勢基本一致，但林內(nèi)各層土壤溫度稍低于林外空曠地。從季節(jié)上來看，濕季土壤溫度的變化幅度較大。林內(nèi)外土壤溫度曲線最值出現(xiàn)的時間隨土壤深度的增加而逐漸向后推移，即表現(xiàn)為遲滯效應(yīng)（圖3），且隨土壤深度的增加土壤溫度的變化幅度減小。5 cm土壤溫度日振幅最大，干季林內(nèi)外日振幅分別為0.50 ℃、0.58 ℃，濕季林內(nèi)外日振幅分別為0.86 ℃、1.83 ℃，50 cm土壤溫度日振幅近似為0。土壤溫度的垂直變化表現(xiàn)為1月份隨土壤深度的增加溫度增加，7月份則相反。土壤溫度差值曲線變化幅度表現(xiàn)為濕季＞干季，干濕季土壤溫度差值變化幅度均隨土壤深度的增加而減小。

3.2 小氣候因子月變化規(guī)律

3.2.1 空氣溫度月變化特征

圖3 土壤溫度日變化規(guī)律及其差異Fig.3 Diurnal variations and differences of soil temperature

2016年馬尾松林林內(nèi)年平均氣溫為20.3 ℃，空曠地年平均氣溫為21.4 ℃，月氣溫差在0.8～1.3 ℃之間，二者差異不顯著（P＞0.05）（表1）。從季節(jié)上來看，馬尾松林與空曠地的月均溫差值表現(xiàn)出夏季＞春季＞秋季＞冬季的規(guī)律，其中3至4月平均氣溫的變化幅度最大。從林內(nèi)外空氣溫度月極值差異比較可以看出，林外空氣溫度月極端高溫和極端低溫均高于林內(nèi)。林內(nèi)外極端溫度差異表現(xiàn)出一定的季節(jié)變化規(guī)律，即極端高溫季節(jié)變化趨勢為：夏季＞春季＞秋季＞冬季, 林內(nèi)外極端高溫差異顯著（P＜0.05）；極端低溫季節(jié)變化趨勢為：秋季＞春季＞夏季＞冬季，其差異不顯著（P＞0.05）。馬尾松林各月氣溫月均日較差均小于林外，且二者差異極顯著（P＜0.01），對比不同月份林分內(nèi)外月均日較差的差值可以看出，其不同季節(jié)變化幅度大小為：夏季（2.03 ℃）＞秋季（1.67 ℃）＞春季（1.23 ℃）＞冬季（1.13 ℃），夏季高溫時馬尾松林內(nèi)溫度相對林外較低，降溫幅度較大，可有效地防止葉片灼傷；冬季低溫時林內(nèi)氣溫降低幅度變小，僅為夏季的55.6%，又起防寒作用，保障了馬尾松林內(nèi)穩(wěn)定的氣溫變化，為林木生長提供了良好的條件。

表1 馬尾松林內(nèi)外月氣溫比較Table 1 Comparison of monthly air temperature in forest area and open space area

3.2.2 空氣相對濕度月變化特征

由表2可知，該區(qū)林內(nèi)外相對濕度較大，均大于70%。馬尾松林、空曠地年平均相對濕度分別為85.1%、80.4%，林內(nèi)、外空氣相對濕度差異性不顯著（P＞0.05）。通過統(tǒng)計14：00相對濕度≥80%和≤30%的出現(xiàn)日數(shù)發(fā)現(xiàn)，高濕日數(shù)林內(nèi)多于空曠地,低濕日數(shù)林內(nèi)少于空曠地。林內(nèi)外不同季節(jié)空氣相對濕度差值排序為：夏季＞春季＞秋季＞冬季，這與空氣溫度差值季節(jié)變化規(guī)律相同，主要是因為生長季林木快速生長，蒸騰作用較強和林冠較大，對氣流交換的阻擋效果較好，此外，春夏季雨水較多，使得夏春兩季森林提高空氣濕度的效果更為明顯。

相對濕度林內(nèi)較高，這是因為林木可以通過發(fā)達的根系從深層土壤吸取水分供林木蒸騰消耗，且林冠較大，對氣流交換的阻擋效果較好，林地蒸發(fā)、植物蒸騰的水蒸氣不易向外擴散，導(dǎo)致林內(nèi)的空氣濕度較大。

3.2.3 土壤溫度月變化特征

由圖4可知，馬尾松林與空曠地土壤溫度季節(jié)變化規(guī)律一致：夏季＞秋季＞春季＞冬季。與日變化相似，隨土層加深土壤溫度變化幅度減小。林外空曠地各層土壤溫度月振幅從14.1 ℃下降到12.1 ℃，馬尾松林內(nèi)則從12.0 ℃下降到10.3 ℃，由此可見，馬尾松林具有較好的穩(wěn)定土溫的能力。林內(nèi)外月均土壤溫差為1.7～2.1 ℃，略高于月均氣溫差。林內(nèi)外同層土壤溫差年變化表現(xiàn)出先增大，6月份達到最大值后，又趨于減小，在12月份達到最小值，即干濕季差異更為顯著（P＜0.01）。

表2 林內(nèi)外月相對濕度和高濕低濕日數(shù)的比較Table 2 Comparison of month relative humidity and number of days with high humidity and low humidity in forest and open space area

圖4 各層土壤溫度月變化Fig.4 Monthly variations of soil temperature at different soil depths

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié) 論

1）林內(nèi)外氣溫日變化在1月和7月均呈現(xiàn)同步的倒U型曲線，日氣溫林外高于林內(nèi)。比較溫度日較差可知，7月份林內(nèi)外氣溫差值大于相同時刻1月份的差值，白天溫差大于夜晚。從氣溫月變化來看，月均氣溫林外＞林內(nèi)，二者氣溫均呈現(xiàn)夏季＞春季＞秋季＞冬季的規(guī)律。

2）1月和7月林內(nèi)外空氣濕度日變化為同步的U型曲線，二者差值變化為倒U型曲線，日振幅馬尾松林大于林外。林內(nèi)相對濕度均大于同時刻空曠地，林內(nèi)年均空氣相對濕度比空曠地高4.7%，濕度差均是白天大于夜晚。月均空氣濕度林外＜林內(nèi)，從林內(nèi)外空氣濕度的季節(jié)變化規(guī)律來看，為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

3）干濕季林外與馬尾松林內(nèi)土壤溫度的時態(tài)變化趨勢基本一致，且林內(nèi)外土壤溫度曲線均表現(xiàn)出一定的遲滯效應(yīng)，這種效應(yīng)隨土壤深度增加而逐漸減弱。土壤溫度日變化和月變化均表現(xiàn)為林外各層高于林內(nèi)，林內(nèi)外同層土壤溫差月變化表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；從季節(jié)變化規(guī)律來看，馬尾松林內(nèi)外土壤溫度均表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季。

4.2 討 論

由于森林的存在使得林內(nèi)與林外相比，熱量交換在時間和空間上發(fā)生了顯著的改變，從而使熱量在林內(nèi)重新分配，使林內(nèi)溫度發(fā)生了變化。本研究馬尾松林年均溫、年均濕度分別為20.3℃、85.1%，這與南亞熱帶鼎湖山處于中期演替階段的的溝谷雨林小氣候（年均溫20.4℃、年均濕度87%）[10]極為相近，說明本研究馬尾松林在改善森林氣候功能方面已達到南亞熱帶鼎湖山演替中期階段森林群落的水平，具有較好的調(diào)溫保濕效應(yīng)。沈運擴[11]研究表明，白蠟和怪柳人工林分別在春季和秋季具有保溫作用，在夏季均表現(xiàn)為降溫作用；蔣丹丹[12]通過對石灰?guī)r山地兩種模式人工林小氣候比較研究，發(fā)現(xiàn)四季氣溫值均為林內(nèi)＜林外；這與本文馬尾松林各月氣溫日較差均小于空曠地和四季氣溫均為林內(nèi)＜林外的研究結(jié)果一致，馬尾松林夏季的降溫作用更為顯著，而冬季又能夠一定程度上穩(wěn)定林內(nèi)溫度，起到防寒作用。但這與周和鋒等[13]杭州灣生態(tài)綠地小氣候冬季林內(nèi)溫度高于林外的研究結(jié)果有所不同，這可能因為植被類型和研究區(qū)域地理位置的差異所造成的。

林內(nèi)外空氣濕度日變化在呈現(xiàn)同步的U型曲線，但不同生長季節(jié)的濕度最值和變化幅度有差異，這與閆文德和田大倫[14]研究的樟樹人工林空氣濕度的結(jié)果一致。閆俊華等[15]研究發(fā)現(xiàn)鼎湖山常綠闊葉林內(nèi)外，空氣相對濕度在春夏兩季較大，秋冬兩季較小，這與本文及徐云蕾等[16]林內(nèi)外月均空氣濕度差值排序夏季＞春季＞秋季＞冬季的研究結(jié)果一致。馬尾松林內(nèi)外干季和濕季相對濕度差分別為10.42%、2.32%，相對于其他氣候帶而言，亞熱帶地區(qū)濕季的高溫高降水將導(dǎo)致森林與空曠地的相對濕度差異變小，因此在水熱資源相對缺乏的干季能表現(xiàn)出更好的增濕效應(yīng)。從全年空氣濕度來看，馬尾松林高濕日數(shù)較多、低濕日數(shù)較少，表明馬尾松林具有較好的保濕作用。

此外，由于小氣候觀測研究工作是一項長期的、系統(tǒng)的研究工作，今后應(yīng)集中多年觀測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的研究，同時開展混交林與純林小氣候的對比研究、純林及近自然化改造林分小氣候的對比研究，更加全面觀測與分析馬尾松林小氣候特征，從而為研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡、探討生物與環(huán)境的關(guān)系打下良好的基礎(chǔ)。