西雙版納熱帶雨林和哀牢山亞熱帶常綠闊葉林霧特征研究

張 晶,宋清海,*,張一平,鄧 云,,武傳勝

1 中國科學院大學,北京 100049 2 中國科學院熱帶森林生態學重點實驗室,勐侖 666303 3 中國科學院西雙版納熱帶雨林生態系統研究站,勐侖 666303 4 環境激素與生殖發育安徽省重點實驗室,阜陽師范學院,阜陽 236037

霧滴沉降是多霧森林生態系統重要的水文和化學輸入項[1- 3],在植物葉片、個體和生態系統水平上均起著重要的環境效應,霧的存在甚至對某些森林生態系統類型的分布起著決定性作用[4-5],有著重要的生態學意義。

霧可以間接縮短日照時間、降低晝間溫度[6],增強生態系統CO2及其他養分的供應量[7]。與一般降雨相比,霧水含有較高的養分濃度和酸度,這種特性極大地影響了植物葉片的生理生態[7-8]。霧水可以溶解植物體表面的分泌物,并提供枝葉生存所需的離子,使得霧水流經植物葉片后,其化學成分發生了很大變化,并參與到整個生態系統的水分和養分循環中[9]。在一些亞熱帶地區,森林植物可從霧水中吸收到一種對其養分循環起非常重要作用的鐵離子[10]。相比短時間的強降雨,緩慢滴落到森林土壤中的霧降水能更好地被植物利用[1-2]。

國內對霧的研究以城市霧和海霧居多,如前人對南京冬季霧的物理和化學特征[11]、霧的生消機制[12]以及海霧的天氣特征及物理微觀結構[13]等做出了大量的研究,而對霧與森林生態系統之間的關系研究較少,而且在霧與森林的研究中,對霧日數的計算和霧持續時間的判斷大多由人工目測完成,存在較大的主觀誤差和不確定性。對法屬圭亞那熱帶原始森林[14]、菲律賓熱帶雨林[15]、哥斯達黎加熱帶森林樹種[16]研究發現,不同熱帶或亞熱帶森林樹種具有不同的水分特性,表明熱帶和亞熱帶森林樹種水分利用功能的多樣性和復雜性[15]。因此,探究不同的森林群落的霧特征,可以為全面理解森林的碳水交換過程提供基礎數據和科學依據。

云南西雙版納地區是我國大陸熱帶雨林集中分布的重要區域,同時也是東南亞熱帶雨林分布的最北緣,該地區氣候的一個顯著特點是干季(11月—翌年4月)中包含了霧涼季(11月—翌年2月),霧水的輸入極大緩解了干季森林內淺層土壤的水分不足[17-20],為下層淺根植物的生存和生長即森林更新創造了溫涼、少變的有利環境[1-2]。西雙版納森林覆蓋率已由20世紀50年代的近70%降至當今的27%,使得本地區霧日數逐年減少,每10年平均以10—27 d的速度在銳減[21-22]。霧日數的減少勢必影響到森林群落的碳固定和水分利用狀況。哀牢山地區地處東亞的熱帶邊緣,是云南熱帶向亞熱帶發展的過渡地帶。哀牢山亞熱帶常綠闊葉林主要分布在海拔2000 m以上的中山區域,最新研究表明,持久、濃重的霧極大地削弱了森林的蒸發散,使得亞熱帶常綠闊葉林的5年(2009—2013)平均蒸發散(863 mm/a)和土壤蒸發率均處于較低水平[23],此外,在全球氣候變暖的背景下,可能會導致哀牢山地區水分凝結高度的抬升,從而降低霧發生頻率[24],霧環境的變化將對亞熱帶常綠闊葉林的生理生態產生影響。因此,霧對西雙版納熱帶雨林和哀牢山亞熱帶常綠闊葉林起著重要的作用,地處過渡帶上的兩種森林類型也將更為明顯的響應全球變化,有著重要的研究價值。

本研究以西雙版納熱帶雨林和哀牢山亞熱帶常綠闊葉林為研究對象,利用兩地的能見度數據,比較兩種森林類型各季節、各月以及每日霧的生成、持續和消散時間的差異,定量評價兩類多霧生態系統的霧滴沉降特征,為今后的相關研究提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西雙版納熱帶雨林1 hm2永久樣地建于1993年。觀測點位于云南省西雙版納州勐臘縣境內的國家級自然保護區內(21°57′N、101°12′E,海拔780 m)。此站點屬于國家野外基礎觀測臺站、中國生態系統觀測網絡(CERN)和中國通量研究網絡(ChinaFlux)的基礎觀測站點。西雙版納熱帶雨林是我國保存最為完整、最典型的熱帶雨林生態系統,其地處東南亞熱帶北緣,屬西南季風區。由于該地區處于熱帶北緣,本地區形成了典型的氣候特點：季節性干旱和冬季低溫。一年中可分為干季(11月—翌年4月)和雨季(5—10月),其中干季又可分為霧涼季(11月—翌年2月)和干熱季(3—4月)[25]。年降水量為1492.9 mm,但是各月份分配不均,最多的7月達316.6 mm,占年降水量的21.2%；而最少的1月僅有18.6 mm,僅占年降水量的1.2%。另外,降水集中在雨季(5—10月),其降水量為1256.0 mm,占年降水量的84.1%。年平均相對濕度為85.0%[26]。群落高度35 m左右,群落蓋度90%,結構復雜,分層現象明顯。喬木層按高度即可分為3層：上層高30 m以上,優勢種主要為絨毛番龍眼(Pometiatomentosa)、千果欖仁(Terminaliamyriocarpa)；中層高度在16—30 m之間,常見種有云南玉蕊(Barringtoniapendula)、大葉白顏樹(Gironnierasubaequalis)等；下層高16 m以下,主要種包括細羅傘(Ardisiatenera)、蟻花(Mezzettiopsiscreaghii)及滇毒鼠子(Dichmpetalumgelonioides)等。灌木層除上層喬木的幼苗幼樹外,常見種有染木(Saprosmaternatum)、狹葉巴戟(Morindaangustifolia)等。草本層與灌木層處于同一層次,種類不多,常見的有鳳尾蕨(Pterisspp.)、海芋(Alocasismacrorrhiza)、盈江南星(Arisaemainkiangense)等。藤本及附生植物豐富,板根及莖花現象顯著,是典型的熱帶雨林,群落年齡在100 a以上[26]。

哀牢山亞熱帶常綠闊葉林1 hm2永久樣地(24°32′N,101°01′E, 2450 m)建于2003年6月。哀牢山縱貫云南中部,是云嶺向南的延伸,其走向為西北-東南走向,位于橫斷山區南段、云南高原西南部。哀牢山不僅是滇中高原與橫斷山系南段或滇西縱谷區的地理分界線,同時也是我國冬季東北風和夏季濕熱西南季風近直交的地區,具有獨特的氣候環境。哀牢山與西雙版納地區季節劃分相同,11月—翌年4月為干季,降雨較少,氣溫較低；5月—10月為雨季,降水較多,氣溫較高,呈現了雨熱同期的氣候特征。一年中干濕季分明,年降雨量1881.5 mm,其中雨季(5—10月)為1607.3 mm(占全年的85.4%),干季(11—翌年4月)為274.2 mm(僅占全年的14.6%)。這是由于哀牢山地區全年受著名的西南季風影響以及北半球西風帶的南移,使哀牢山形成了干濕季分明的氣候。年平均氣溫11.0℃,最熱月(7月)平均氣溫15.3℃,最冷月(1月)平均氣溫5.1℃。群落蓋度為90%；群落高度20—25 m；群落優勢種有木果柯(Lithocarpusxylocarpus)、硬殼柯(Lithocarpushancei) 、變色錐(Castanopsisrufescens)、南洋木荷(Schimanoronhae)；群落分層結構狀況：喬木上層,高20—25 m,主要由木果柯、硬殼柯、變色錐、南洋木荷等組成；喬木亞層,高5—15 m,主要由黃心樹、大花八角(Illiciummacranthum)、蒙自連蕊茶(Camelliaforrestii)、斜基葉柃(Euryaobliquifolia)等組成；灌木層,高1—3.5 m,主要以無量山箭竹(Fargesiawuliangshanensis)占絕對優勢；草本層,高在0.5 m以下,由滇西瘤足蕨(Plagiogyriacommunis)、長柱頭薹草(Carexteinogyna)、鈍葉樓梯草(Elatostemaobtusum)、山酢漿草(Oxalisgriffithii)等組成；層間藤本和附(寄)生植物豐富。

1.2 數據測定和收集方法

在兩地分別安裝天氣現象儀,對兩地的能見度進行實時監測。本研究所采用的天氣現象儀為PWS100(Campbell,美國),多應用與道路、航空和海港等氣象的檢測,對森林氣象的檢測應用少。該天氣現象儀為全自動工作,適用于無人值守的站點,并且能以符合世界氣象組織氣象代碼標準的格式輸出能見度數據,方便進行數據后期處理與進一步利用。天氣現象儀PWS100測定的能見度量程為0—20000 m,測定的粒徑精度最高為0.1 mm,光譜響應靈敏度為850 nm。利用天氣現象儀分別收集西雙版納和哀牢山兩地2014年1月1日—12月31日的能見度數據,其采樣頻率為10 Hz,每30 min輸出1組平均值,兩地全年分別各得到17522條數據。

1.3 數據處理

世界氣象組織對霧的定義為：能見度小于1000 m即表示有霧出現,能見度小于200 m表示有濃霧出現?；谀芤姸葦祿y計兩地1年中出現的霧日總數、各季節和各月出現的霧日數、每天的霧持續時間以及在每月的各個時刻霧持續的時間,并根據所統計出的霧日數及霧日持續時間分別算出在全年、各季節、各月及每天所占的比例(即頻率)。

2 結果與分析

2.1 霧發生頻率時間變化特征

圖1為西雙版納熱帶雨林各個月份霧發生頻率的日變化(0—24 h)特征,可以看出,10—12月份,熱帶雨林霧主要發生在后半夜(0—6 h),而5—8月份,在前半夜和后半夜均有霧的發生。10—12月份霧發生的頻率顯著高于5—8月份。在1月份的5：00左右,霧發生頻率甚至高達77%(圖1)。3—4月份霧發生的頻率較低。

圖2為哀牢山亞熱帶常綠闊葉林各個月份霧發生頻率的日變化(0—24 h)特征,可以看出,哀牢山亞熱帶常綠闊葉林全年在不同時刻均有不同程度的霧發生,霧發生的頻率低于西雙版納熱帶雨林,霧發生的最高頻率多出現在10—12月份,最高約為30%(圖2)。同樣的,在3—4月份,下午時段基本沒有霧發生(圖2)。

圖1 西雙版納熱帶雨林霧發生頻率時間變化特征 Fig.1 The variation characteristics of fog frequency in the tropical rainforest in Xishuangbanna

圖2 哀牢山亞熱帶常綠闊葉林霧發生頻率時間變化特征Fig.2 The variation characteristics of fog frequency in the subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailaoshan

2.2 霧日數季節變化

表1為西雙版納熱帶雨林和哀牢山亞熱帶常綠闊葉林森林霧日天數。2014年,西雙版納熱帶雨林全年霧日天數為196 d,占全年的53.7%,濃霧出現天數為76 d,占總霧日數的38.78%；霧日總持續時間為726 h。雨季霧日天數為55 d,占全年霧日數的28.06%。干季霧日天數為141 d,占全年霧日數的71.94%,其中干熱季出現霧日天數為43 d,占30.5%,霧涼季出現霧日天數為98 d,占69.5%。

表1 熱帶雨林與亞熱帶常綠闊葉林各季節霧日天數和霧日頻率/%

2014年,哀牢山亞熱帶常綠闊葉林全年霧日數為100 d,占全年的27.4%,濃霧出現天數為58 d,占總霧日數的58%,全年出現霧的時間有一半以上均是濃霧；霧日總持續時間為446 h；雨季霧日天數為72 d,占全年霧日數的72%,干季霧日天數為28 d,占全年霧日數的28%。

兩種森林類型各季節霧日天數和霧日頻率如表1所示,哀牢山亞熱帶常綠闊葉林全年霧日數明顯少于西雙版納熱帶雨林,約為西雙版納熱帶雨林霧日數的一半,并且兩地出現霧日頻率較高的也不在同一季節,熱帶雨林霧日天數在干季居多,而亞熱帶常綠闊葉林在雨季居多。

2.3 霧日數和霧發生時長月變化

西雙版納熱帶雨林和哀牢山亞熱帶常綠闊葉林各月霧日數如圖3和圖4所示,對熱帶雨林而言,干季出現霧日數居多,每月出現的霧日天數均在20 d以上,平均每月出現霧日天數為23.5 d,其中干熱季平均每月出現霧日天數為21.5 d,霧涼季平均每月出現霧日天數為24.5 d,1月份出現霧日天數最多,為29 d,幾乎每日有霧,并且其中有23 d均是濃霧,雨季霧日出現的頻率較低,平均每月出現霧日天數約為9 d,其中6月、7月和8月三個月每月霧日數不足5 d,8月份霧日天數最少僅有1 d。

圖3 熱帶雨林霧日數月變化特征Fig.3 Monthly variation characteristics of fog days in the tropical rainforest

亞熱帶常綠闊葉林則與之不同,其雨季霧日天數較多,平均每月出現霧日天數為12 d(圖4),8月出現霧日天數最多,為15 d,霧日數占全年霧日總數的15%,干季平均每月出現霧日天數僅約為5 d,每月出現的霧日數基本不足十天,霧日最少天數僅有1 d,出現在4月(圖4)。

圖4 亞熱帶常綠闊葉林霧日數月變化Fig.4 Monthly variation characteristics of fog days in the subtropical evergreen broad-leaved forest

在持續時間上(圖5),熱帶雨林全年霧日持續時間最長為10.5 h,在雨季的6—9月每天霧持續的最長時間不足5 h,8月日最長持續時間僅有1.5 h。而亞熱帶常綠闊葉林內霧的日持續時間較長,最長可達24 h,最短日持續時間出現在4月和11月,為2.5 h。此外,亞熱帶常綠闊葉林內各月霧最長日持續時間幾乎均比熱帶雨林的要長。

圖5 熱帶雨林與亞熱帶常綠闊葉林各月霧日持續最長時間Fig.5 Maximum duration of monthly fog days in the tropical rain forest and the subtropical evergreen broad-leaved forest

3 討論

在國內外對霧的研究中,以城市霧和海霧的研究居多,而對森林霧的研究較少。本研究以地處東南亞熱帶雨林最北緣的西雙版納熱帶雨林和地處青藏高原南緣的哀牢山亞熱帶常綠闊葉林為研究對象,探討兩類多霧森林群落霧的特征。對西雙版納熱帶雨林霧特征的探究,劉文杰等[1-2]對熱帶雨林內霧水截留量和霧形成的小氣候特征等進行了相關研究；本文也在前人對哀牢山亞熱帶常綠闊葉林研究的基礎之上,對其霧特征進行了定量研究。

云南西雙版納熱帶雨林和哀牢山亞熱帶常綠闊葉林生態系統均為山地云霧林。從本研究對熱帶雨林與亞熱帶常綠闊葉林兩種森林霧的特征定量評價可以看出,兩類森林生態系統霧發生的特征有較大差異。10—12月份,熱帶雨林霧主要發生在后半夜,而5—8月份,在前半夜和后半夜均有霧的發生。10—12月份霧發生的頻率顯著高于5—8月份。這與劉文杰等[1-2]對西雙版納熱帶雨林霧特征研究所得出的結果相一致,霧水極大地彌補了西雙版納熱帶雨林干季水分不足的狀況。而哀牢山亞熱帶常綠闊葉林全年在不同時刻均有不同程度的霧發生,但霧發生的頻率低于西雙版納熱帶雨林。

熱帶雨林全年霧日數遠高于亞熱帶常綠闊葉林,其霧日數幾乎為亞熱帶常綠闊葉林霧日數的兩倍。熱帶雨林干季霧日數較多,而亞熱帶常綠闊葉林雨季霧日數較多,由于雨季降雨豐富,所以太陽輻射量比干季要弱,而且此時又多霧,使得太陽輻射更弱。較弱的太陽輻射有利于哀牢山亞熱帶常綠闊葉林的發育[27]。兩種森林類型出現的霧日天數的懸殊差別以及霧日出現季節的巨大反差的現象,通過分析主要是兩類森林系統所處的海拔差異所致。西雙版納地形主要為海拔800—1300 m的低山區,山間盆地和河谷區較哀牢山地區多,熱帶雨林觀測樣地海拔750 m。哀牢山亞熱帶常綠闊葉林主要分布于海拔在2200—2600 m的范圍內。懸殊的海拔差異導致兩地形成的霧的類型不同,西雙版納熱帶雨林主要以輻射霧為主,因夜間地面輻射冷卻使貼近地面氣層變冷而形成,輻射霧常出現于晴朗、微風、近地面水汽較充沛的夜間或早晨,陰雨天氣不利于輻射霧的形成[28]。這也是西雙版納熱帶雨林干季霧日較多,雨季霧日較少的原因之一。哀牢山亞熱帶常綠闊葉林以平流霧為主,由暖空氣移到冷下墊面上而形成,范圍廣而深厚,只要風向、風速適宜,能夠持續很久[29]。所以在亞熱帶常綠闊葉林中霧可以整日不散,常年云霧繚繞,這與其他亞高山云霧林的特征相似,如臺灣的棲蘭山亞熱帶森林[30]。

本研究對哀牢山亞熱帶常綠闊葉林的固碳能力進行了定量評價,表明哀牢山亞熱帶常綠闊葉林是一個大碳匯,約9 t C hm-2a-1[31]。表明哀牢山亞熱帶常綠闊葉林常年都有霧的發生,并且在晝間也有霧的存在(圖2和圖5)。云霧繚繞的哀牢山亞熱帶森林生態系統可以間接縮短日照時間、降低晝間溫度,增強森林內部的散射輻射,從而增強生態系統CO2及其他養分的供應量[7],也部分解釋了哀牢山亞熱帶常綠闊葉林是一個大碳匯的原因。此外,之前的研究表明,哀牢山亞熱帶常綠闊葉林平均蒸發散(863 mm/a)和土壤蒸發率均處于較低水平[23],這也與哀牢山持久的霧發生特征密切相關。有研究表明,濃霧狀況下的西班牙加那利群島樹木蒸騰量僅為晴朗天氣條件下的3%[32]。研究所采用的觀測方法為利用PWS100天氣現象儀進行實時連續觀測,打破了人工觀測的主觀性和不確定性。但未用到霧滴譜儀來測定霧滴直徑大小,還無法準確分辨霧與霧降水。不同的霧滴在多大程度上影響著多霧森林生態系統不同樹種個體的水分利用狀況,有待對樹木個體尺度進行驗證。

在全球氣候變化日益加劇的今天,全球氣候變暖將導致霧線抬升,改變霧環境,從而影響生態系統碳水交換格局。西雙版納熱帶雨林和哀牢山亞熱帶常綠闊葉林均生存在多霧生態系統中,霧環境的改變勢必影響兩種森林的健康持續發展。通過分析2014年西雙版納的能見度數據,得到西雙版納熱帶雨林全年霧日天數為196 d,與劉文杰等[2]利用(1999—2002)4年的霧觀測數據對西雙版納霧特征進行研究所得到的霧日數(258 d)有較大差別,表明西雙版納熱帶雨林的霧日數在逐年減少。這可能與西雙版納原始熱帶雨林面積減少有密切的聯系。本研究只采用了1年的數據,也可能會對統計數據產生一定的影響。霧日數的減少勢必影響到森林群落碳固定和水分利用狀況,影響森林群落的碳水循環,進而影響全球氣候變化。霧對兩種森林群落的水分利用效率和光能利用效率影響及其差異如何,多霧生態系統碳水交換對于對未來霧環境的變化的響應程度有何差異，有待深入。

4 結論

(1)西雙版納熱帶雨林霧發生頻率高于哀牢山亞熱帶常綠闊葉林,全年霧日天數約為哀牢山亞熱帶常綠闊葉林霧日數的兩倍；

(2)熱帶雨林和亞熱帶常綠闊葉林出現霧日較多的季節截然相反,前者干季霧日多,后者雨季霧日多；

(3)亞熱帶常綠闊葉林霧可終日持續, 最長持續時間在雨季為24 h,在干季為21.5 h;熱帶雨林霧日持續最長時間在干季和雨季均為10.5 h。