人工林內外氣象要素差異分析

翟祿新，晏忠鳳，程楠，遲晉浙，梁晟榮，胡婷，郭顏鈺

(廣西師范大學環境與資源學院，廣西師范大學可持續發展創新研究院，巖溶生態與環境變化研究廣西高校重點實驗室，廣西 桂林 541006)

森林與水的關系是生態水文學研究的核心問題[1]。森林生態水文研究已經成為水循環與生物圈相互作用的一個重要領域。森林冠層、枯落物及林下土壤都參與水循環的過程，是水循環中必不可少的部分。因為森林有遮擋、吸收等作用，使得林內的熱量、水分等都得到重新分配，與林外相比產生了新的時空分布格局[1]。氣象要素成為林內外生態水文效應的重要指標。

目前，國內外對廣西桂北地區典型樹種的生態水文效應研究還比較少。為了研究林內外的生態水文效應，在廣西桂北地區典型樹種的林外林內建立自動氣象站，收集林內外氣象數據，同時在林內布置土壤探頭，并嘗試采用“原位觀測”對枯落物持水能力進行定量觀測。在獲取一定氣象數據的基礎上，對收集到的數據進行處理分析，以發現林內外生態水文規律，研究結果可為涵養水資源、防止水土流失、區域水資源管理、認識和理解生態水文效應、探索森林如何影響和改善小氣候提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區桂林市，桂林市地處廣西東北部(25°15′23.3″ N，110°19′25.5″ E，平均高程150 m)。該地區屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，夏季雨量充沛，冬季溫和少雨，年平均降水量1 900 mm左右，年平均氣溫19 ℃；地帶性土壤為紅壤，有顯著的脫硅富鋁化成土特征，pH4.0～6.0，酸性較強；該地區樹種類型豐富，天然林破壞較為嚴重。為此，我們選取了在該地區具有代表性的樹種進行研究，林區內樹種不唯一。試驗區位于廣西師范大學雁山校區田徑場東北側，主要樹種包括榕樹(FicusmicrocarpaLinn. f.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、高山榕(FicusaltissimaBl.)、黃葛(Ficusvirensvar.sublanceolata)、楓香樹(LiquidambarformosanaHance)、銀杏(GinkgobilobaL.)、桂花樹(OsmanthusfragransLour.)等。

2 研究方法

2.1 林內外水文要素測定

根據《地面觀測氣象規范》，在選取樣方的林地內外架設自動氣象站。對2019年10月—2020年4月的林內外溫度、濕度、太陽輻射、風向、風速、降水等氣象要素實行1次·h-1的定時觀測。

2.2 計算分析方法

通過自動氣象站定時觀測收集林內外溫度、濕度、風速、降水等氣象要素，利用人工定時稱質量觀測枯落物質量。采用SPSS統計軟件對林內外氣象要素進行一元線性回歸和相關分析，并利用平均截流量分析林內冠層截留效應。利用matlab軟件借助彭曼蒙特斯公式計算林內外潛在蒸發量。

3 結果分析

3.1 冠層截留效應

植被冠層是森林水文生態效應的第一個活動層，是植被水源涵養及森林水文系統中降水再分配的首要層級。因此，植被冠層截留降水過程是水循環過程中的重要環節[3]。植被冠層截留雨量包括降雨終止時被截留在樹體表面的雨水和在降雨過程中通過蒸發作用從樹體表面返回大氣的雨量[4]。降水強度、降水量和森林郁閉度是影響植被冠層截流量的重要指標，其中降水量占主導地位。冠層截留的基本規律是：隨著森林郁閉度的增加，冠層截留量顯著增大；隨著林外降水量增加，冠層截留量也會顯著增大，但是當林外降雨量增加到一定值后，冠層截留量增加趨勢減小，直至保持不變；一般降雨量相同的情況下，隨著降雨強度增大，冠層截留量減小。選取10次降水分析他們和林冠層截留之間的關系，如表1。

由表1可見，在選取的10次樣本容量中，12月2日、12月25日、12月30日、1月2日等4次降水雨量較少，降水量不足1 mm，由于受森林郁閉度的影響，降水大部分或全部被冠層截留，透冠雨量基本為0，截留達到100%；11月13日、12月1日、12月20日和12月26日等4次降水雨量相對較多，降水量達到5 mm左右，在不同森林郁閉度影響下，冠層截留量為48.89%～64.91%，截留效應較強；12月21日降水量較多，冠層截留為5.84%，占比在10%以下，這表明隨著降雨量的增加截留量呈現下降趨勢。表明在不同森林郁閉度的影響下，冠層截留量一般隨著降雨量增大而增加，但增加到一定程度之后，隨著降雨量增加，冠層截留量呈減少趨勢。

表1 林內外降水與冠層截留量記錄表

表2 冠層截留量與降水量一元回歸標準化系數

由表2可見，其中R表示擬合優度(相關系數)，用R衡量林外降水和冠層截留量的擬合程度，R=0.175,表示只考慮降水量的情況下，冠層截流量和林外降水總量的相關性不明顯。表中調整后的R2=0.066，表示林外降水僅僅可以解釋冠層截留量6.6%的變化。因此擬合效果較差(圖1)。

3.2 林內外氣象要素對比

林內外溫濕度出現差異的主要原因是由于森林冠層對太陽輻射的吸收和地面長波輻射作用導致的，茂密的森林冠層也阻礙林內外空氣的交換，降低了林內風速，使得林內林木及其他植物蒸騰和林地蒸發等產生的水汽在林內保持較多，導致林內的空氣濕度高于林外[5]。

3.2.1 溫度 溫度與林木生長緊密相關，它是維持植物生命活動的重要氣象因子。通過對比分析林內外溫度差異，嘗試說明林內外溫度存在差異的主要原因。

表3 林內溫度與林外溫度一元回歸標準化系數一覽表

由表3可見，相關系數R=0.966，說明林內溫度和林外溫度相關性很強，并且呈現正相關，林外溫度越高，林內溫度也越高。R2=0.933，表明林外溫度可以解釋林內溫度93.3%的變化，擬合效果較好(圖2)。

圖3顯示(選取11月6日至1月7日數據)，冬季林內溫度變化劇烈，林外溫度變化波動較小，且由于受到森林的影響，冬季林內溫度始終高于林外溫度。另外由于太陽輻射能大部分被植被冠層吸收或反射、散射出去，且林內溫度本身就高，風速較小。由于林內空氣溫度變化主要依靠林內外空氣對流運動實現，因此林內溫度變化略微滯后于林外溫度變化[6]。

3.2.2 濕度 林分對林內空氣濕度的調節作用是非常明顯的，但是不同季節表現出的調節作用是有很大差別的。

表4 林內濕度與林外濕度一元回歸標準化系數一覽表

由表4可見，相關系數R=0.825，說明林內濕度和林外濕度相關性很強。并且呈現比較明顯的正相關關系，林外濕度越大，林內濕度也越大，主要是因為林內林木和灌叢分布密集，其蒸騰作用顯著，從而使得林內濕度較大。R2=0.680，表明林外濕度能解釋林內濕度68%的變化，擬合效果良好(圖4)。

由圖5(選取11月6日至1月7日數據)可以看出，林外濕度波動較大，可能是受到降水的影響，林外濕度不穩定，而林內濕度主要受到植物蒸騰的影響，波動比較小。

3.2.3 風速 風速影響林內外的空氣交換。在茂密林內風速很大程度上受到森林郁閉度的影響，會使得林內風速遠小于林外風速，從而影響林內外的潛在蒸散發量。

表5 林內風速與林外風速一元回歸標準化系數一覽表

由表5可見，相關系數R=0.829，說明林內風速與林外風速具有良好的相關性，并且呈現出相對明顯的正相關關系，但是由于林內風速變化受到森林郁閉度和冠層葉面積指數等因素的影響較大，所以擬合圖分布效果一般，總體來說，林外風越大，林內風速也越高。R2=0.686，表明林外風速能解釋林內風速68.6%的變化，擬合效果一般(圖6)。

圖7顯示(選取11月6日至1月7日數據)，在選取的研究區內冬季林內風速遠小于林外風速。

3.3 林內外蒸發能力分析

潛在蒸散發是指具備充分土壤水分條件下墊面的全部蒸發量[7]。嚴格意義上來說，蒸散發表示水分從陸面轉化為水蒸氣進入大氣的所有過程總和，包括水面蒸發、陸面蒸發和植物蒸發[8]。

目前來看，潛在蒸散發估算方法主要分為3種類型[7]：(1)基于輻射的方法，包括Priestley-Taylor、Makkink等；(2)基于溫度的方法，包括Thomthwaite等；(3)基于輻射、溫度和空氣動力學項的Penman-Monteith方法。Penman-Monteith方法計算精度高，常常被作為潛在蒸散發(ET0)的估算標準。本文所應用的參數比較簡單，僅獲取了溫度和總輻射的數據，利用matlab軟件借助彭曼蒙特斯(Penman-Monteith)公示計算林內外潛在蒸發量。

圖8顯示(選取11月7至1月6日數據)，利用彭曼蒙特斯公式計算出林內外的潛在蒸散發分布差異明顯。潛在蒸散發與溫度、太陽輻射、海拔高度、風速等很多因素相關。在冬季，溫度較低，太陽輻射較弱，加上林冠層的影響，林內的直接蒸發很小，大多數是由植物蒸騰作用引起的水分蒸發，相比于林內，林外的大多數蒸發量是由水面和陸面蒸發帶來的，因此潛在蒸發量較大。

表6 林內潛在蒸發與林外潛在蒸發一元回歸標準化系數

由表6可見，相關系數R=0.765，說明林內潛在蒸發與林外潛在蒸發具有較強的相關性，并且呈現出明顯的正相關關系，林外潛在蒸發較強時林內潛在蒸發也會增加。R2=0.577，說明林外潛在蒸發能解釋林內潛在蒸發57.7%的變化，二者擬合效果良好(圖9)。

4 結論

4.1 在不同森林郁閉度的影響下，冠層截留量隨著降雨量增大而增加，增加到一定程度之后，隨著降雨量增加，冠層截留量減少。

4.2 林內溫度和林外溫度相關性很強，并且呈現正相關。冬季林內溫度變化劇烈，林外溫度變化波動較小，林內溫度變化略微滯后于林外溫度變化，且由于受到森林郁閉度的影響，冬季林內溫度始終高于林外溫度。

4.3 林內濕度和林外濕度相關性很強，并且呈現比較明顯的正相關關系。林內濕度較大，但林內濕度波動相比林外較小。

4.4 林內風速與林外風速具有良好的相關性，并且呈現出相對明顯的正相關關系。在大量分布植被的林地內風速很大程度上受到森林郁閉度的影響，使得林內風速遠小于林外風速。

4.5 在冬季，溫度較低，太陽輻射較弱，加上林冠層的影響，林內的直接蒸發很小，大多數是由植物蒸騰作用引起的水分蒸發，相比于林內，林外的大多數蒸發量是由水面和陸面蒸發帶來的，因此潛在蒸發量較大。