九龙山冬季侧柏人工林林分结构的温湿效应

尹准生，孙长忠，赵明扬

(中国林业科学研究院 华北林业实验中心，北京 102300)

九龙山冬季侧柏人工林林分结构的温湿效应

尹准生，孙长忠，赵明扬

(中国林业科学研究院 华北林业实验中心，北京 102300)

采用定位观测的方法，于2013～2014年冬季对北京九龙山侧柏人工林进行温度和湿度的数据采集，进而分析不同结构类型(郁闭度、枝下高)侧柏林的温、湿度特征及差异。结果表明：(1)林分平均最高温度和平均日差值呈现的规律为：1号(郁闭度0.3～0.4,枝下高1/2)＞2号(郁闭度0.3～0.4,1/3枝下高)＞3号(郁闭度0.5～0.6,1/2枝下高)＞4号(郁闭度0.5～0.6,1/3枝下高)＞5号(郁闭度0.7～0.8,1/2枝下高)＞6号(郁闭度0.7～0.8,1/3枝下高)，平均最低温则相反。(2)温度日差值的方差分析结果表明各条件下差异显著，多重t检验结果显示除1号样地和2号样地以及5号样地和6号样地之间无显著差异外，其他样地间均差异显著。(3)不同结构类型林分平均最高、最低相对湿度顺序为：1号＜2号＜3号＜4号＜5号＜6号；相对湿度日差值方差分析结果不显著。

侧柏人工林；林分结构；温湿效应；北京九龙山

森林作为陆地生态系统的主体，对地球大气圈有着重要影响。森林小气候是森林气象学研究的重要内容之一，同时也是研究森林生态效益的重要组成部分。由于森林对局部小气候具有调节作用，从而使得林内的热量和水分在时间和空间上与林外相比有显著的差异，并能进一步影响林外的温度、湿度等气象要素[1]。森林小气候的研究最早始于20世纪30年代[2]，近年来大多数报道多集中于林内外的对比研究[3-7]、林下及林隙以及不同林型小气候差异比较研究[8-10]，也有对于城市森林小气候方面的研究[11-12]。而对于具备典型性、代表性、一致性的观测样地对比研究报道相对较少[1,13]。

侧柏Platycladus orientalis是我国人工林主要造林树种之一，同时也是北京市市树，侧柏人工林面积约占北京市全市森林总面积的26.2％，具有很好的保持水土、涵养水源，净化空气等多种生态功能。目前对于不同结构类型林分小气候差异的研究不多[14-15]，其中侧柏林更是鲜见报道。因此，本文以北京九龙山不同结构类型(郁闭度、枝下高)的侧柏林为研究对象，根据冬季观测的温、湿度进行对比分析，旨在探究北京九龙山侧柏林的温、湿度差异，揭示森林与环境之间的关系，为加强对森林的经营管理、保护提供科学依据。

1 研究区概况

试验地位于北京市门头沟区九龙山，系太行山东部北段(39°54～39°59N，115°59～116°07E)，属太行山低山丘陵区，海拔高度220～599m，气候条件为暖温带大陆东岸半湿润季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，冬季干燥。年平均气温11.8℃，年均降水量623mm，主要集中在6～9月，年均蒸发量l870mm，无霜期216d，森林覆盖率74.3％，土壤为山地褐土，植被以人工森林和灌丛为主。

2 样地布设与研究方法

在研究区域具有相同(近)自然条件(相同海拔、坡向、坡度)之侧柏人工林内(39°57′N，116°04′E，海拔351m)，选取同龄(林龄为45a，样地平均高度基本相同)纯林林分布设观测样地。样地大小为15m×15m，坡度20°～25°，坡向均为南向坡。实验设计按郁闭度三个梯度(即0.3～0.4、0.5～0.6和0.7～0.8)、枝下高两个梯度(即1/2和1/3)进行组合，共6个组合；每个组合2个重复。另设林外空地一块作为对照。为只考虑林分林冠层下垫面影响，林内清除杂灌，并按不同郁闭度、不同枝下高要求进行抚育砍伐。不同结构林分样地基本状况见表1。

表1 样地林分基本情况Table 1 Fundamental situations of plots

本研究采用定位观测的方法，仪器采用ZN17-JL18空气温湿光照记录仪自动观测，在7组样地内选取有代表性的区域内选择一矩形或圆形区块，在矩形对角线交叉点以及或圆心布设温湿度仪器各4套，仪器需远离林分边缘，且保证仪器之间互不影响，仪器距离地面1.5m。对各样地四套仪器所测数据取平均值，则为每个样地的温、湿度值。观测时间从每日0:00开始到23:00结束，每小时整点时仪器自动记录一次数据，从2013年12月1日到2014年2月28日重复90d，每组样地共2 160组温湿度数据。

数据采用R i386 3.0.2进行分析处理。基于7组样地中每块样地观测的2 160组温湿度数据，将所有样地90d内0:00到23:00整点时刻的温湿度取平均值，对比分析每块样地温湿度日变化趋势。每日温湿度的最大值与最小值并计算其差值即为温湿度日差值，对比分析每块样地每日温湿度最大、最小值及日差值，以及方差分析每块样地每日的日差值。

3 结果与分析

3.1 温度日变化分析

由图1可知，所有样地在一日内温度变化趋势一致，呈倒“U”型状[16]。日气温最低值出现在7:00～8:00，8:00以后下垫面吸收太阳能，导致温度迅速升高并在14:00～15:00达到最高。空旷地与林内相比表现出最低温均低于林内，最高温均高于林内，白天，林冠削弱了太阳辐射，并且林内风速小，湍流交换系数也小，因此交换少，使之不易增热，林内气温比无林地低，相反，夜间林内温度不易散失，比无林地高。不同结构类型林分最高温表现为1号＞2号＞3号＞4号＞5号＞6号，最低温则相反，其他时段差异不是很显著。白天主要是因为不同结构样地郁闭度枝下高不同，导致林冠层蒸腾量差别很大，反射与吸收的太阳辐射也有差异。夜间，郁闭度越大，枝下高越低，林冠层对于温度下降的阻碍作用就越明显。

3.2 温度日差变化

计算6组林地90日的温度日差值，取6组林地日差值数据，分郁闭度和枝下高两个因素，并对其做方差分析，方差分析前分别使用W检验方法和Bartlett检验方法对所有数据进行误差的正态性检验和方差齐性检验，在显著性水平α=0.05水平下两种检验方法的P值均大于0.05，说明所有数据呈正态性且满足方差齐性要求。数据方差分析结果见表2。

图1 不同结构类型侧柏林冬季全日温度变化Fig.1 Diurnal variations of air temperature with different structures

表2 不同结构类型侧柏林温度日差值方差分析†Table 2 Variance analyses of daily temperature differences of P.orientalis plantation with different structure types

由表2可知，郁闭度、枝下高两个因素的P值分别为2.94e-06和0.000 116，表明6种不同结构类型侧柏林温度日差值之间在显著性水平为0.001时存在显著性差异，说明郁闭度、枝下高对于冬季森林温度日差值有显著影响。再通过多重t检验方法对郁闭度枝下高两个因素下温度日差值进行多重比较，比较结果可知P值均小于0.001，说明不同郁闭度、枝下高下温度日差值均有差别。通过对6种不同结构类型侧柏林与空地温度日差值进行方差分析，之间的差异均达到显著水平(P＜0.001)。

进一步在考虑郁闭度和枝下高两个因素交互作用情况下对6组林地温度日差值做方差分析，方差分析结果见表3。由表3可知，在考虑交互作用后，郁闭度、枝下高以及郁闭度和枝下高交互对于温度的影响仍是高度显著的，说明郁闭度和枝下高这两个因素共同作用也对温度日差变化存在显著影响。

表3 不同结构类型侧柏林交互作用下温度日差值方差分析Table 3 Variance analyses of daily temperature differences of P.orientalis plantation under the interaction of different structure types

为了进一步探究各个样地之间温度日差的差别，在考虑郁闭度和枝下高两个因素交互作用情况下采用多重t检验方法对其温度日差值进行多重比较，比较结果见表4。

表4 不同结构类型侧柏林交互作用下温度日差值多重比较结果Table 4 Multiple t-tests results of daily temperature differences of P.orientalis plantation under the interaction of different structure types

由表4可知，1号样地和2号样地以及5号样地和6号样地之间温度日差值无显著差异，而其他样地相互之间均有显著差异，说明在郁闭度小于0.4以及郁闭度大于0.7情况下枝下高对于温度日差值无影响。

森林对温度的调节效果体现在降低最高温，提高最低温上。表5列出了不同结构类型三个月每日温度最大值、最小值和日差值(DR)的平均值、标准差和变异系数，从表5可以看出样地平均最高温度和平均日差值顺序为：空地＞1号＞2号＞3号＞4号＞5号＞6号，而平均最低温度则相反。通常变异系数越小，调节功能就越强，所以同样从平均最高温度、最低温度变异系数也可以看出各样地低温时的保温效应和高温时的降温效应顺序情况。

3.3 相对湿度日变化分析

从图2中可以看出各样地相对湿度变化曲线基本一致，呈“V”型状[17]从0:00到7；00，相对湿度增加幅度不明显，相对湿度最大值出现在每日的6:00～7:00，7:00以后随着太阳的上升，相对湿度急剧下降，最低值出现在14:00～16:00。与林外相比，林内相对湿度任何时刻均大于林外，主要是由于森林冠层的覆盖和阻挡以及森林植被的蒸发散所致，各样地相对湿度差值夜间较小，12:00～17:00差值最大。不同结构类型林分侧柏林在14:00～16:00最低相对湿度时段表现为1号＜2号＜3号＜4号＜5号＜6号，郁闭度越大，林冠层厚度越厚，林分的遮蔽作用就越强，同时枝叶的蒸腾作用呼吸作用越强，增加了环境湿度。其他时段差异不大，一方面由于夜间温度低，蒸腾作用、呼吸作用少，另一方面是冬季干旱，所以导致差异不显著。

表5 不同结构类型侧柏林温度最大值、最小值和日差值Table 5 Maximum,minimum and daily differences of air temperatures of P.orientalis plantation with different structure types

3.4 相对湿度日差变化

计算6组林地90d的相对湿度日差值，通过对6组不同结构类型侧柏林地相对湿度日差值数据，分郁闭度和枝下高两个因素，并对其做方差分析。分析结果见表6。

图2 不同结构类型侧柏林相对湿度变化Fig.2 Diurnal variations of relative humidity of P.orientalis plantation with different structure types

表6 不同结构类型侧柏林相对湿度日差值方差分析Table 6 Variance analyses of relative humidity of P.orientalis plantation with different structure types

由表6可知P值均大于0.05，没有充分理由说明郁闭度，枝下高对相对湿度有显著的影响。进一步对6组林地郁闭度和枝下高两个因素交互作用情况下做相对湿度方差分析，方差分析结果见表7。由表7可知，在考虑交互作用后郁闭度、枝下高效应以及郁闭度和枝下高交互效应仍不显著。

表7 不同结构类型侧柏林交互作用下相对湿度日差值方差分析Table 7 Variance analyses of daily temperature differences of P.orientalis plantation under the interaction of different structure types

由以上分析可知，冬季侧柏林相对湿度日差值不存在明显差异，主要是由于森林在任何时刻对相对湿度都起增加作用，同时冬季相对湿度最低，不同结构类型林分相对湿度增加幅度区别不明显，故相对湿度日差值方差分析结果不显著。

表8列出了不同结构类型侧柏林三个月每日相对湿度最大值、最小值和日差值(DR)的平均值、标准差和变异系数，从表8可以看出样地平均最高、最低相对湿度顺序为：1号＜2号＜3号＜4号＜5号＜6号，但其平均日差值变化则无明显规律。空地相对湿度最大值、最小值均小于林内。由以上分析可知，由于郁闭度、枝下高不同，蒸腾作用消耗的水蒸气和呼吸作用散发出来的水蒸气均不同，且由于林冠层的存在，导致林内的空气相对湿度均高于林外，林冠的增湿效应明显。

表8 九龙山不同结构类型侧柏林平均相对湿度最大值、最小值和日差值Table 8 Maximum,minimum and daily differences of average relative humidity of P.orientalis plantation with different structure types

4 结论与讨论

4.1 结 论

通过对北京九龙山冬季不同结构类型(郁闭度、枝下高)的侧柏林温、湿度特征进行研究分析可知：

1)结构类型对于温度有显著影响；6种不同结构类型侧柏林温度日差值方差分析存在显著性差异，多重t检验比较结果除1号样地和2号样地以及5号样地和6号样地之间温度日差值无显著差异外，其他样地相互之间均有显著差异，说明在郁闭度小于0.4以及郁闭度大于0.7情况下枝下高对于冬季侧柏林温度日差值无影响；平均最高温度和日差值顺序为：空地＞1号＞2号＞3号＞4号＞5号＞6号，而最低温度则相反。

2)不同结构类型林分侧柏林在14:00～16:00最低相对湿度时段表现为1号＜2号＜3号＜4号＜5号＜6号； 6组林地相对湿度日差值数方差分析结果差异不显著，平均最高、最低相对湿度顺序为：空地＜1号＜2号＜3号＜4号＜5号＜6号，平均相对湿度日差值则无明显规律，说明不同结构类型对于冬季相对湿度日差值无显著影响。

4.2 讨 论

傅抱璞认为任何一地的气候特点都是由其所处的宏观地理条件ΔTg、海拔高度ΔTh、地形ΔTm和下垫面性质ΔTf等决定的[18]，据分离综合法，即两种森林内的温、湿度的差异TA-TB=ΔTg+ΔTh+ΔTm+ΔTf，本文样地布设比较集中，宏观地理条件、海拔高度、地形情况所引起的差异基本可以忽略，所以温湿度的变化主要是由于下垫面性质ΔTf的变化引起的。本文6组样地中郁闭度小于0.4以及郁闭度大于0.7情况下枝下高对于冬季侧柏林温度日差值无影响，与纪鹏[13]对于河流廊道绿带结构夏季温度研究结果郁闭度大于0.4即对绿地环境的温度日差值有显著影响有差异，主要是由于冬季温度差异较小所致[19]，故当郁闭度达到0.7～0.8温度日差值无明显差别。通过对温度日变化趋势分析可知，本文日气温最低值出现在7:00～8:00，14:00～15:00达到最高，与之前一些学者研究所得日最低温出现在6:00，最高温出现在13:00～14:00有延迟的差异[20-21]，主要由季节、树种差异和当地小地形不同所致。王兵认为林内相对湿度增大的效应与林分郁闭度有关[22]，本文相对湿度最大最小值都随着郁闭度的增加而增大，与其研究结果一致，但相对湿度日差值无明显差异，说明冬季侧柏林对于相对湿度日差值的调节效应趋于稳定。本研究只对侧柏人工林冬季温湿度进行了观测，且未进行垂直梯度的观测，对于不同季节，不同下垫面梯度的温湿度差异的科学认识还需进一步研究。

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Effects of different structures of Platvcladus orientalis plantation on temperature and humidity in winter in Jiulong mountain

YIN Zhun-sheng,SUN Chang-zhong,ZHAO Ming-yang
(Forestry Experiment Center of North China,Chinese Academy of Forestry,Beijing 102300,China)

The method of positioning observation was applied,the data of temperature and humidity of Platvcladus orientalis plantation with different structures(different canopy density and different height under branch)were observed in Jiulong Moutain of Beijing in the winter from in 2013 to 2014,and their characteristics and differences under different conditions were analyzed.(1)The order of average maximum temperature and average daily differences presented as follows:No.1stand(canopy density of 0.3 to 0.4,height under branch of 1/2)＞No.2(canopy density of 0.3 to 0.4,height under branch of 1/3)＞No.3(canopy density of 0.5 to 0.6,height under branch of 1/2)＞No.4(canopy density of 0.5 to 0.6,height under branch of 1/3)＞No.5(canopy density of 0.7 to 0.8,height under branch of 1/2)＞No.5(canopy density of 0.7 to 0.8,height under branch of 1/3),while that of the average minimum temperature got the opposite result.(2)The average daily difference of temperature had signi fi cant differences by the variance analysis,and the multiple t-test showed that plots were signi fi cantly different from each other apart from the two pairs(No.1and No.2,No.5 and No.6).(3)The daily relative humidity under different conditions was not signi fi cant by the variance analysis;the average maximum and minimum relative humidity of different structure type stand both ranked in ascending ordering as that No.1 ＜ No.2 ＜ No.3 ＜ No.4 ＜ No.5 ＜ No.6.

Platvcladus orientalis plantation;temperature and humidity effects;stand structure;Jiulong Mountain in Beijing

S791.38

A

1673-923X(2015)03-0094-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.03.019

2014-01-10

华林中心科学试验示范林功能恢复与提升研究(CAFYBB2012004)；国家自然科学基金项目“黄土高原半干旱区人工植被水分生态环境效应规律研究”(30170769)

尹准生，硕士研究生

孙长忠，研究员；E-mail：sun61@163.com

尹准生，孙长忠，赵明扬.九龙山冬季侧柏人工林林分结构的温湿效应[J].中南林业科技大学学报,2015,35(3):94-99.

[本文编校：吴 毅]