遼東山區不同坡向林窗內光照特征對比分析

賈寧，劉東洋

（通遼市氣象局，內蒙古通遼028000）

光照是植物進行光合作用并賴以生長的前提條件，林窗的產生導致更多的光到達林地表面，光照環境和熱力特征對于土壤的理化特性、營養元素變化及土壤中的微生物都有重要影響，進而影響到林窗及周邊生物的變化。光照會導致林窗內地表溫度和近地層溫度都發生變化，這對于森林的更新演替都產生重要的影響，林窗影響著森林的結構、動態和多樣性變化，促進其維持平衡，研究林窗是當前森林生態學中比較重要的項目之一，具有十分重要的意義。

1 研究意義

本文以遼東山區雪害和風害后形成的天然次生林林窗為研究對象，對不同坡向林窗內的光照小氣候觀測資料進行分析，明確遼東山區不同坡向次生林林窗內光照的時空分布特征和變化規律，林窗坡向及林窗內位置不同，使其光溫環境發生異質性變化，進而影響到林窗區域種子萌發、幼苗生長發育及植物種群分布等，最終影響森林的更新。通過對此研究旨在為深入探討不同坡向林窗小氣候形成機制和林窗內生物多樣性的變化規律等提供科學依據，同時也為天然次生林的經營管理和其他相關生態過程研究提供一定的基礎理論。

2 研究區概況和研究方法

2.1 研究區概況

研究地位于遼寧省清原縣的清原森林生態實驗站，在清原縣南部，地處海拔1000m左右的遼東山脈地區，是中國科學院沈陽應用生態研究所新建（2003年）的野外臺站，此地區山脈縱橫，為長白山延伸山脈，山區的地帶性植被類型為闊葉紅松林。森林植物成分具有明顯的長白植物區系特征，原生時期以紅松為代表，另外還有沙松、魚鱗松、蒙古櫟、紫椴、色木槭、水曲柳和樺樹等。

本區氣候屬于受季風影響的溫帶大陸性氣候，具有冬季寒冷而漫長，夏季溫暖多雨而短暫的特點。年平均氣溫3.9℃～5.4℃，無霜期120～139d，平均年日照 2433h，年降水量 700～850mm。以山地為主，海拔1100m左右，山地向西南延伸，以千山山脈為骨干，主峰千山。全區主要基巖為花崗巖、片麻巖、玄武巖和其他變質巖。主要土壤種類為森林土、草甸土，土層厚20～30cm，多顯酸性和中性。

2.2 樣地概況

本實驗在遼寧省東部清原縣內，實驗地以山地為主。土壤為典型的深棕色森林土，厚度20～30cm。樹種組成主要由蒙古櫟、長白落葉松、楓樺、槭樹、椴樹、水曲柳和胡桃楸等為主。當地冬冷夏熱，年均溫3.9℃～5.4℃，1月最冷，7月最熱，年平均降水量為700～1200mm，降水主要集中在6～8月，無霜期為150d，生長季為4～9月。

林窗形成于2004年12月底，所有林窗都是經過人工砍伐而產生的，本實驗在三個不同坡向（西北坡、東北坡和東南坡）林窗中進行數據的測量，本次觀測的林窗樣地以三個大小基本相同，但坡向不同的林窗為研究對象，林窗均位于山體中坡位，坡度為20°～25°，土壤為山地棕壤土。其中，三個樣地的海拔為580～600m，不規則橢圓形。林窗周邊次生林的高度和疏透度分別為 15～20m 和 70%～80%。

2.3 實驗設計和技術路線

本實驗對遼東山區不同坡向林窗內的光照進行了長期測量。在不同坡向的三個林窗內的南北軸和東西軸上分別選取樣點進行數據測量，樣點位于林窗中央、林窗邊緣樹冠冠緣垂直投影處、林緣喬木根基處，并且在林內及空地上分別設置一個對照。將記錄的數據進行不同處理及繪圖，分析得出不同坡向林窗間光照的分布特征。

在每個林窗中沿南北向和東西向分別設置兩條觀測樣線，每條樣線上選取5個觀測點，共17個測點，觀測點為不等距分布，分別位于林窗中央、實際林窗邊緣（林緣樹冠垂直投影處）和擴展林窗邊緣（林緣樹干處）。觀測要素為光量子通量密度（PPFD），選取晴好天氣進行，于2014年（4～10月）晝間整點進行觀測（8時～16時），每次觀測重復3次，共觀測了15d的數據。由于不同時段，太陽輻射有明顯的差異，從而引起PPFD在上午、中午和下午之間變化較大，所以將一天劃分為8～10時，11～13時和14～16時三個時段來對林窗內光照的空間分布進行分析。

2.4 光的測定

測量林窗光環境的方法可分為3類：直接測量法、相片法和模型估測法，本實驗采用直接測量法，觀測林窗內的光照變化，記錄測量數據。光照的傳感器設定取樣每天測定時間為8時～16時，放置于距地面1m處，觀測時間為2014年4月到10月生長季內進行。

3 結果分析

3.1 不同坡向林窗光照的空間分布特征

上午，在東北坡到達林窗內的太陽光線受林窗東南邊緣林木的遮蔽作用，使林窗東南部地面所接收到的太陽直接輻射較少，而林窗西北部由于遮蔽時間較短，而造成PPFD在西-西北側首先升高，高值區最先出現在林窗中央西側(1108μmol·m-2·s-1)，而林窗南側的PPFD最小（714μmol·m-2·s-1）。在東南坡林窗中，上午高值區也出現在林窗西側（1175μmol·m-2·s-1），東南側值較低。在西坡林窗內，上午最高值在擴展林窗西側（515μmol·m-2·s-1），最低值在林窗東側（108μmol·m-2·s-1）。

中午，隨著太陽高度角的增加，林窗內各觀測點的PPFD都在增加。在東北坡，南側林緣處由于受邊緣木投影的遮蔽影響，導致林窗內中午時段的PPFD空間分布規律為北高南低，最高值出現在林窗北側擴展林窗附近（1135μmol·m-2·s-1），最低值出現在林窗南側林緣處（832μmol·m-2·s-1）。在東南坡，中午時 PPFD也快速增高，數值與東北坡和西坡相比較大，PPFD空間分布表現為東西向對稱，高值區出現在實際林窗北側附近(1317μmol·mm-2·s-1)，低值區在林窗偏南側。在西坡，同樣隨著太陽高度角的增加，中午林窗地面各測點光強普遍升高，林窗東—東北側林窗處的增值最為明顯，PPFD整體分布格局為北高南低，最大值出現在林窗中央偏北側（1068μmol·m-2·s-1），低值區同樣出現在林窗偏南側。

下午，隨著太陽的西移下落，林窗內的PPFD迅速降低，水平梯度減小。在東北坡PPFD最高值區出現在林窗中央東北側（324μmol·m-2·s-1）， 最 低 值 區 位 于 林 窗 西 偏 南 林 緣 處（105μmol·m-2·s-1）。在東南坡，下午 PPFD 總體水平降低幅度較大，高值區位于林窗中央偏東側（273μmol·m-2·s-1），低值區位于林窗偏西側。在西坡，下午由于太陽高度較低，且位置逐漸偏西，太陽輻射受樹木遮蔽，林窗內日照減少，PPFD降低，最高值出現在東側擴展林窗邊緣（126μmol·m-2·s-1），最低值出現在林窗的西南側擴展林窗邊緣（42μmol·m-2·s-1）。

3.2 不同坡向林窗光照分布的時空特征

3.2.1不同坡向林窗光照的日變化

以生長季中間時段（7月）晴天觀測的PPFD數據為代表，對不同坡向林窗內和郁閉林內PPFD的日變化進行了數據處理，繪制三個不同坡向林窗和林內觀測點PPFD的日變化情況。三個不同坡向林窗內，PPFD的日變化均呈現明顯的單峰型，峰值在11時～13時之間出現。東南坡林窗中央PPFD始終大于東北坡和西坡林窗，峰值出現在中午 12：00 左右，可達 1405μmol·m-2·s-1，在13：30之后迅速減弱；上午東北坡PPFD稍小于西坡且上升較快，12：00 時出現最大值為 1008μmol·m-2·s-1，13：00 之后下降較快，高于西坡；東北坡和西坡林窗在10時之前增長較緩慢，西坡其峰值出現在 12 時，為 990μmol·m-2·s-1，12 時之后的 PPFD 普遍低于同時期東北坡的PPFD。與林窗內相比，郁閉林內PPFD全天值都比較低也較穩定，也表現為單峰型的日變化，最高值出現在12時，達到87μmol·m-2·s-1。

3.2.2不同坡向林窗光照的季節變化

將 4～10月測量數據按 4～5月，6～8月，9～10月分為春夏秋三個季節，取17個測量點中的東南西北及中央點五個點進行數據處理，三個林窗內的平均PPFD最大值均出現在林窗中心測點，在擴展林窗邊緣處PPFD最小，一般規律為春季值大于夏季值大于秋季值，在春、夏、秋三個季節中均以東南坡林窗內PPFD最大，東北坡次之，西坡最低。東北坡林窗中，在春夏秋三個季節的PPFD的最低值都是出現在林窗南側，最高值出現在林窗西側。在春季，林窗內光量子通量密度的空間分布形勢為中心與其他方位差異不大，呈對稱分布。最高值出現在林窗中央，林窗四周PPFD值變化不大較平穩。在夏季，最高值出現在林窗偏西側，其次是林窗中央處，南側值最低，分布呈東—東北對稱。在秋季，林窗內西側光量子通量密度水平下降較快，高值區位于林窗中央偏東北側，西南側光量子通量密度值較低。東北坡在春季的PPFD明顯高于夏季和秋季，而夏季和秋季差異不大。

在東南坡，春季林窗中央的PPFD是所有坡向季節中的最高值，春、夏季的光量子通量密度的最低值位于林窗東側，最高值在林窗西側，林窗東西側的PPFD明顯高于南北側，在南北軸線上表現為西部高于東部，南部高于北部。夏季與秋季PPFD各測點差異不大。

在西坡林窗內，PPFD與東南坡和東北坡有明顯的差別，光照值較低。春季和夏季的PPFD高值區明顯位于林窗中央附近，且遠高于秋季，北部PPFD最低，東側值最低，秋季光量子通量密度高值區出現在中央附近，但空間分布差異不大，均較低。林窗南側值最低，總體分布形勢為東北側值較高、西南側值較低。

不同季節三個坡向林窗內平均光照方差分析表明，春季各坡向林窗平均PPFD差異達到極顯著水平（p=0.008<0.01），夏季差異達到顯著水平（p=0.03<0.05），秋季差異不顯著（p=0.08>0.05），春季不同坡向林窗內平均PPFD的大小順序為南坡（787.22μmol·m-2·s-1）大于東坡（669.67μmol·m-2·s-1）大于西坡（547.89μmol·m-2·s-1），西坡和南坡差異極顯著，東坡和其他兩個坡向之間差異均不顯著，夏季與春季表現相似，南坡（571.67μmol·m-2·s-1）高于西坡（509.11μmol·m-2·s-1），差異極顯著，東坡平均 PPFD 介于兩者之間（432.01μmol·m-2·s-1），與兩個坡向差異不顯著。秋季三個坡向林窗內平均PPFD差異不顯著，以南坡最高（245.22μmol·m-2·s-1），東坡次之（200.22μmol·m-2·s-1），西坡最低（169.44μmol·m-2·s-1）。

4 結論與討論

4.1 結論

不同坡向林窗內各方位點的光量子通量密度都呈現出明顯的單峰型日變化趨勢，空間分布態勢為隨時間有明顯的動態變化。林窗內光量子通量密度的空間分布形勢表現出明顯的不對稱性，光量子通量密度的最大值隨時間有明顯的位移變化。最大值總是出現在林窗中央與中央附近位置，邊緣各點的值較低。在東北坡、東南坡、西坡上午的最高值均在林窗的偏西側，最低值分布在南側或偏東南側。中午時東北坡和西坡的光照空間分布大體為北高南低，東南坡為東西向的對稱，最高值在林窗偏北側。下午時，東南坡和西坡的光照高值區為偏東側，東北坡為偏東北側，三個坡向的低值區大體都為偏西南側。

三個不同坡向林窗中光量子通量密度的日變化趨勢為單峰型變化趨勢，東北坡最大值出現在12時，西坡和東南坡峰值出現在13時，林內相對較晚峰值出現在12時之后。東南坡林窗光量子通量密度總體大于東北坡林窗大于西坡林窗，遠遠大于林內。林窗內光量子通量密度的空間分布狀況以及林窗內光量子通量密度的最大值隨時間、季節的變化而變化，都受到太陽高度角在一年中周期性變化的影響。

三個不同坡向林窗中光量子通量密度的季節變化，林窗內光量子通量密度變化表現大體為春季大于夏季大于秋季，各林窗光量子通量密度最大值區域隨季節呈現出自中心附近向北位移的現象。

林窗內光照的影響不僅局限于林窗的垂直投影下方，可以影響到林窗周圍喬木處根部的范圍，而且可以擴展到林窗外部的林下，從林窗邊緣到林窗中央，光強逐漸增強，到中央附近值最大，林窗邊緣光強梯度變化較大。白天林內接收到的太陽總輻射遠遠小于林窗內，在面積約200m2的林窗中央光照為林下的913～1117倍。在實際測量中由于太陽高度、天氣因素、林窗周圍邊緣木的影響，光照最大值區域并不是出現在林窗的正中央位置，而是出現在林窗內的某一側。

4.2 討論

在本文的研究中，可以看出在三個不同坡向林窗中，林窗的不同位置光量子通量密度有很大的差異，空間分布形式呈現出不對稱性，林窗內高值區隨時間變化非常明顯，上午林窗內光量子通量密度的最大值出現在林窗偏西側，中午高值區位于林窗偏北側，下午高值區又移動到林窗偏東的位置，即林窗內的高值區隨時間有動態變化。此外，林窗內光量子通量密度的空間差異還受到林窗郁閉程度的影響，這也是林窗內光斑出現具體位置不同的主要原因。對比林窗內不同季節的光量子通量密度變化，三個坡向林窗內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間，這是由于春季太陽輻射增長較快，而林窗周圍樹木才開始增長，郁閉程度較低，造成了春季林窗內光量子通量密度的值最大。夏季，雖然太陽輻射強于春季，但此時林窗樹木枝葉茂密，林窗郁閉度達到最高，使入射到林窗內的光量子通量密度低于春季。秋季，林窗樹木進入生長季末期，樹葉開始枯萎凋落，林窗冠層郁閉度減小，而此時太陽輻射也開始變小，所以林窗內光量子通量密度最低。各季節林窗內空間分布表明，三個季節光量子通量密度的高值區域總是出現在林窗偏北側，且隨生長季的移動光量子通量密度逐漸向北移動，這主要是因為隨生長季的推移太陽高度角逐漸變小，光強高值區也逐漸出現了向北移動的變化趨勢。在整個生長季中，各坡向中以南坡林窗內的光量子通量密度的值最高，這是因為對于各個坡向來說，一天中光量子通量密度的最大時段出現在中午，所以南坡向的林窗接受到的太陽輻射整體上要高于其他兩個坡向林窗。林窗的大小是影響林窗內光量子通量密度分布的一個重要因子，當大小相同、林窗的方位不同時，林窗內光照的空間分布也有所不同。