森林小气候特征研究进展

陈文盛， 丁慧慧， 李江荣*

(1.西藏农牧学院 高原生态研究所,西藏 林芝 860000;2.西藏高原森林生态教育部重点实验室,西藏 林芝 860000;3.西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站,西藏 林芝 860000;4.西藏自治区高寒植被生态安全重点实验室,西藏 林芝 860000)

森林小气候是指在森林内乔木层、灌木层与草本层共同作用下所形成不同于大环境下的局部地区气候[1]，是森林植被与环境间相互作用所形成的一种特殊的微气候效应，主要通过不同的林型、树木生长情况、地形地势等(统称下垫面)，从而进一步影响林内光、热、水、气等气象要素综合作用的结果。森林小气候中森林与气象因子之间的关系及其时空变化规律[2]，对地表植被的组成及其分解过程具有中介作用[3]，且能够评估森林生态系统的服务功能[4]。鉴于此，本文围绕国内外森林小气候的发展历程以及森林内不同生境下的小气候特征进行综述，并对该领域存在的问题提出展望，旨在为今后森林小气候的研究与最大化实现生态效益、经济效益、社会效益提供参考。

国外有关于“森林小气候”的研究最早可追溯到公元前334年。希腊科学家提奥夫拉斯图斯(Theophrastus)通过大范围的跨洲调查与比较不同地区的植物提出：由于高原与平原之间的气候差异造就了不同的植物群落。随着19世纪中叶气象学的发展与工业革命的兴起对森林的砍伐与破坏，欧洲一些国家如德国、法国、瑞士、奥地利等开展了“森林福利效应”的研究。20世纪初，太阳辐射计的发明和热量平衡测量方法的改进助推了微气象学的发展[1]。对森林小气候进行系统性研究则始于1924年，德国慕尼黑大学建设了第一座森林气候观测塔，用于观测林分内的各气象要素。20世纪50年代之后，在科技的推动下，对森林小气候的研究有了实质性的进展，各国科学家开始建立起了小气候的长期定位观测点[5-7]。

国内对小气候的研究起步相对较晚，主要是在新中国成立后，具体可以分为以下三个时期：初期(1958年前)，不稳定期(1959—1976年)，稳定期(1977年至今)。其中最早的研究可追溯到1957年江爱良出版的《橡胶幼树和寒害问题》一书，里面涉及到了针对海南岛橡胶树的小气候研究。到了第二个时期，竺可桢的《论我国气候的几个特点与粮食生产关系》、王正非的《森林气象观测和森林火灾预报方法》等论著都有关于这方面的报道。随着第三个时期数百个定点气象台站的建设与3S技术的发展快速推进了我国小气候的研究[1,8]。

国内外学者对森林小气候的研究主要集中在不同树种或林型、林冠与林地、林内与林外、林线过渡带上等。Mark等[9]研究表明不同的林型有着不同的林内小气候。Spittlehouse等[10]通过对比林内、林外、林缘三种不同生境的温度、湿度、辐射等等，认为林内的小气候效应要优于林外与林缘。Heithecker和Halpern[11]量化了各气象要素(光、空气和土壤温度以及土壤水分)对空间梯度的影响，以及小气候如何与邻近大片不受干扰森林(控制)的条件进行比较，发现了光利用率和温度在森林边缘最高，随着往森林内部呈下降趋势。Hardwick等[12]对叶面积指数与五个气象要素(空气温度、相对湿度、蒸汽压力、比湿和土壤温度)之间的关系进行了调查，发现高叶面积指数的冠层下方的空气较凉爽，白天相对湿度较高，且各气候指标变化波动较小。Kovács等[13]研究了四种不同的林业处理(清除、保留树群、制备切割和间隙切割)对微气候变量的影响，认为林业处理会引起地面附近小气候的变化，从而也显著地改变了其环境条件。常杰等[14]分别从垂直梯度上与林内外对比分析了各气象要素(辐射、温度、相对湿度、CO2浓度等)，张远彬等[15]从垂直梯度上对比了白桦林林冠上与林冠下的小气候，均认为森林对地面环境具有保温保湿作用。杨钙仁等[16]研究了不同林分针阔混交林与纯桉树林之间森林小气候的差异，认为混交林对气候的缓冲效应要优于纯林。何吉成等[17]、殷文杰等[18]、王媛韬等[19]、王晓东等[20]对藏东南色季拉山与长白山林线地带的生态气候进行了研究，致力于从气候要素的角度阐述高山林线的形成机制。

2.1 不同树种或林型间小气候特征比较

2.1.1 太阳辐射

太阳辐射的强弱主要是受大气质量(m)、大气透明指数(p)以及植被的性质所影响[14-15]。混交林所利用或截留的太阳辐射作用会大于纯林，是因为混交林属于多层结构，群落结构较为复杂，叶面积指数较大，其对太阳辐射的反射率与吸收率大，透射率小，即到达树地层的辐射量变少；
而纯林属于单层结构，叶面积指数小，其三个指标结果与混交林相反[2,21]。

2.1.2 温度

森林对空气温度、地表温度及其土壤温度都有一定的调节作用，能够降低林内温度的日振幅，保持在一个稳定的状态。生长季阔叶林的保温效果要优于针叶林，即在白天阔叶林林内的空气温度要比针叶林林内的温度低，晚上则相反，且混交林各土层的温度会比纯林低1 ℃上下，混交林土壤温度的日变化也要小于纯林[21]，即温度日振幅小。但有相关报道研究，由于季节更替，昆明树木园混交林的保温效果在冬季要比云南松林差，前者振幅为20.1 ℃，后者为19.1 ℃，两者相差1 ℃；
而在春季混交林的效果要比云南松林好，前者振幅为21.4 ℃，后者为23.5 ℃，两者相差2.1 ℃[2]；
在晴天，西南亚高山白桦(Betulapendula)林土壤5、15 cm的日振幅分别为2.4、0.6 ℃，岷江冷杉(Abiesfargesiivar.faxoniana)林分别为2.3、1.0 ℃，紫果云杉(Piceapurpurea)林则分别为1.8、0.4 ℃，从中可以看出不同林分的土壤温度是有差异的[22]。

2.1.3 空气湿度与土壤水分

混交林的空气相对湿度一般会比纯林的空气相对湿度高些，且混交林的日振幅会比纯林的日振幅小[16]，与此同时，混交林的树冠结构比纯林复杂，削弱了太阳辐射所带来的热量，能够较大程度地减少土壤水分的蒸发[21]。

2.1.4 降水与风速

混交林因其复层结构树冠的浓密程度大于纯林，对降水的拦截力度较大，也就造成了林内降水量较少，朱育旗等[22]对西南亚高山冷杉(盖度100%)、云杉林(盖度69%)、白桦林(盖度53%)林内降水量进行了调查，其降水量分别为375.0、365.2、390.6 mm，结果表明林内的降水量与乔木的盖度成反比。林内的风速因林型盖度大而变小，且多为静风，但对麻栎(Quercusacutissima)+栓皮栎(Q.variabilis)与云南松(Pinusyunnanensis)对比研究发现，前者在冬春季的风速月均值(冬：0.20 m/s，春：0.28 m/s)均反而要大于后者的月均值(冬：0.15 m/s，春：0.13 m/s)，是因为麻栎+栓皮栎在冬春季由于落叶其冠层结构要比云南松(P.yunnanensis)较为简单，且处在不同的演替阶段[2,21]。

2.2 垂直梯度下树冠-树地不同小气候特征比较

2.2.1 太阳辐射

由于大部分的太阳辐射都被截留在树冠层(年均太阳辐射可降低84.91%)[5]，使得树冠作用层的影响大于树地作用层的影响[14]，而在垂直梯度由树冠到树地气溶胶粒子的增多使得大气质量(m)变大[1,8]，树冠层到树地层的辐射量逐层递减，两者的净辐射之比约为1∶0.32[23]。

2.2.2 温度

树冠层到树地层的空气温度呈递减的趋势，理论上在林内每提高1 m温度约递减0.015 ℃，但实际情况是树冠层与树地层的变化幅度会偏大，因为树冠层受太阳直接辐射(短波辐射)的作用大，而树地层受地面辐射(长波辐射)的作用大[23]。土壤深度与土壤温度的变化幅度呈负相关，西南亚高山紫果云杉林土壤5、15 cm的日均温变化幅度为2.1～12.5、2.9～11.0 ℃[22]。岷江冷杉林在6月树冠下土壤5、15 cm的日平均温度分别是8.4±1.3、6.1±1.2 ℃[15]。在对毛乌素沙地草地土壤温度的研究中，也发现10 cm处土壤温度日变幅最大，在20 cm处土壤温度日变幅最小[24]。

2.2.3 空气湿度与土壤水分

林冠处与林地处附近两处地方的空气湿度最大，在离地面2 m处空气湿度高达88.2%，且随高度的增加湿度越小[23]。常杰等[14]研究表明在秋季离地面约3 m处的地方空气湿度小，且与温度负相关。林内空气湿度在时间尺度上也具有差异性。张远彬等[15]对川西白桦林的小气候进行了研究，结果表明树冠下空气湿度的日变化值在春季最大，达到43.5%，在夏季最小，为28.5%。一般情况下，土壤表层的土壤水分日变幅较大，土壤深层的土壤水分日变幅较为稳定[24]，而对于冻土区，其冻融初期土壤表层会出现“返浆”的现象，说明在这时期土壤表层的含水量会高于其它土层[25]。

2.2.4 降水与风速

林冠会截留大部分的降水而导致到达林内的降水减少。藏东南色季拉山海拔3 800 m生长的急尖长苞冷杉(A.georgeivar.smithii)树冠截留降水量为58.27%，其余的树干径流量与穿透降雨分别占0.80%、40.93%[26]。林冠层的风速会大于林地层的风速，相关研究认为林地层2 m处的平均风速为0.2 m/s，林冠层16 m处的平均风速为1.5 m/s，相差7.5倍[23]，这说明森林对风的削弱效果明显。

2.3 林内与林外小气候特征比较

2.3.1 太阳辐射

林外由于没有乔木的覆盖，太阳辐射直接照到地面上，而林内有乔木枝干叶的反射与吸收，到达林地的辐射量则大幅减少，所以从总辐射量来说，林外空地的辐射量要远远大于林内的总辐射量[22,27]。

2.3.2 温度

相关研究认为天山云杉林外的平均最高气温会高于云杉林内，林外的平均最低气温则会低于天山云杉林内[28]。对西南喀斯特地貌典型森林植被进行研究结果表明，林内的平均年较差为17.2 ℃，林外的平均年较差为17.4 ℃，林内比林外小0.2 ℃[29]，而长白山阔叶红松(P.koraiensis)林的日均气温会低于空旷地，夏季林内(18.0 ℃)与空旷地(19.6 ℃)的日较差为1.6 ℃，冬季林内(-10.9 ℃)与空旷地(-10.1 ℃)日较差为0.8 ℃[4]。综上，林内的温差一般要小于林外的温差，与此同时林内外温度的差异还会受到森林群落不同演替阶段的影响[21]。

对于土壤温度而言，由于树冠层和凋落物在白天削弱了到达到树地层的太阳辐射量，接收到的热量要远远小于林外[2]，即白天林内土壤的温度要低于林外土壤的温度，且在当空气温度大于0 ℃时，林内土壤的温度要小于林外，当空气温度小于0 ℃时，林内土壤的温度要大于林外[4]。根据郝帅等[28]对天山中段云杉林调查研究发现，土壤温度在14点达到最高值，且在夏季(7月)林外土壤温度达到了38.9 ℃，林内的土壤温度则为17.7 ℃，两者相差甚远，达到了21.2 ℃。均说明了林外各土层土壤的温度均大于林内，且温差也要大于林内。

2.3.3 空气湿度与土壤水分

空气的湿度与降水量有关，且在春冬季林内空气的月均值要大于林外，相差幅度在5%～22%之间[2,14]，根据相关研究，林内与林外空旷地的空气相对湿度在生长季期间相差最大[4]。而朱育旗等[22]对西南亚高山的3种植被林内与林外进行研究发现，晴天林外的空气湿度(11.7%～92.8%)要低于林内(21.7%～96.1%)，同时与太阳辐射成反比。林内外的土壤水分与蒸发量是息息相关的[30]，在夏季白天林内的温度要小于林外，同时林内的蒸发量要小于林外的蒸发量，所以在该种情况下，林内土壤的水分要高于林外[27]。

2.3.4 降水与风速

与此同时林外的降水量远远高于林内,祁连山青海云杉林内的降水量占林外降水量的77.54%[23],木论国家级自然保护区内典型植被林内的降水量只有林外降水量的75.4%，少1/4左右[29]。林外的风速也要远远大于林内的风速，云南松林内冬季的风速月均值为0.15 m/s，远远小与林外的0.41 m/s[2]，且林内静风的频率大于林外[28]。

2.4 林线过渡带小气候特征

2.4.1 太阳辐射

因青藏高原海拔高，其林线高度也比全国其他林线要高，比如藏东南色季拉山急尖长苞冷杉林线其年总辐射量达到5 422.34 MJ/m2[18]。亚洲东部森林理论上太阳辐射的最大值为6 205 MJ/m2[31]，青藏高原总辐射量最大的出现在西藏狮泉河地区为7 500 MJ/m2[32]，云南香格里拉地区为5 976～6 510 MJ/m2[32]，而全国太阳年总辐射量约介于2 780～7 560 MJ/m2[33]，与全国各地相比均属于中等偏上的水平；
而且藏东南色季拉山林线区域光合有效辐射为25.39 mol/d，低于青藏高原均值35 mol/d[18]，这是由于藏东南受西南季风的影响，在夏秋季节多阴雨天气，使得其年辐射量与光合有效辐射要低于青藏高原内其它地方。

2.4.2 温度

从空气温度上分析，我国林线过渡带温暖指数(WI)的平均值为15.2 ℃·月[34]，藏东南色季拉山林线WI为11.6 ℃·月[17]、祁连山圆柏(Sabinaprzewalskii)林线WI为12 ℃·月[17]、长白山岳桦(B.ermanii)林线WI为16 ℃·月[20]、喜马拉雅冷杉(A.spectabilis)WI为13.1 ℃·月[34]，四川盆地西部(海拔4 500 m)的WI为0.35 ℃·月[35]，除了长白山岳桦林林线的WI(高于全国均值)较高，青藏高原地区林线的WI均低于全国均值，也低于重要温度指标14.2 ℃·月[36]，但赵芳等[37]认为青藏高原温带气候区林线与青藏高原亚寒带气候区林线的WI分别为18.02、23.1 ℃·月，普遍高于同区域其它地方，可能与其研究区域的海拔梯度较大有关。

从土壤温度上分析，相关研究表明藏东南色季拉山林线地带土壤温度年趋势呈单峰型，在春季变化比较平缓，夏季急速升高，并在此达到峰值，之后逐渐下降[18]。在高海拔的林线过渡带位置会出现土壤季节性冻融现象，即冬天土壤温度会下降到0 ℃以下则发生土壤冻结现象，春季温度上升到0 ℃以上，土壤开始冻融，除此之外土壤温度也会随着昼夜的变化发生冻举事件[38]。芦芽山土壤(林线)开始冻结在时间上年10月底，解冻时间在次年5月上旬，冻结时间达192 d[39]。王媛韬等[19]用以连续5天土壤温度大于5 ℃为生长季的开始，连续5天小于5 ℃为生长季的结束，计算得出色季拉山林线过渡带的生长季持续时间为116～124 d。Korner[40]用5 ℃土壤温度为指标计算出了阿尔卑斯山脉中部地区的生长季持续时间在128 d左右。Korner等[41]又提出了用连续5天大于3.2 ℃(土壤10 cm)的土壤温度来计算生长季时间。何吉成等[17]用3.2 ℃(土壤10 cm)的土壤温度为指标计算出藏东南色季拉山急尖长苞冷杉林线处生长季的持续时间为106 d，全球均值在(167±77 d)之间，与北方针叶林的林线生长季长度(106 d)一样，说明两者的土壤热量条件相似。

2.4.3 空气湿度与土壤水分

从空气相对湿度上分析，藏东南色季拉山急尖长苞冷杉林线年平均相对湿度为74.62%，年变化幅度为25%[18]。何吉成等[17]计算出藏东南色季拉山阴坡(急尖长苞冷杉)林线的湿润指数(MI)为217.5，与华北落叶松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii)分布上限的湿润指数(214.9)较为接近，高于白桦(B.platyphylla)分布上限的湿润指数(152.1)，低于白扦(P.meyeri)(224.0)[42]。藏东南急尖长苞冷杉林线的土壤水分呈垂直急剧变化型，浅层土壤水分变化大，且与降水量成正比[18]，与川西亚高山林线土壤水分变化趋势一样[43]，干湿分明。

2.4.4 降水与风速

芦芽山北坡林线的年降水量要低于南坡林线的年降水量[39]，是因为该山脉南坡暖湿气流影响较大，为迎风坡。藏东南色季拉山阴坡林线的2006年的年降水量为892.6 mm，阳坡为1 134.1 mm[17]，是因为阳坡受印度洋湿润气流的影响比较大，表现为春夏季降水多，冬季降水少，形成了明显的干湿分明现象[18]。而高山林线的风向很大程度上是由地形所影响的[28]，且在时间尺度上不尽相同[44]，藏东南色季拉山急尖长苞冷杉林线全年主要盛行的是南风和东南风，与全国盛行北风完全不同，且年平均风速为1.77 m/s，月均风速最大达到1.9 m/s，主要出现在2月[18]。

随着生态理念的进一步提出，国内外学者对“森林福利效应”进行了更深层次的论述，针对不同的树种或林型、树冠与树地、林内与林外不同的生境以及林线过渡带上进行划分，并运用不同方法、手段、学科与技术进行了全方位的研究与讨论，明确了森林对环境与气候的保温保湿作用。但该领域的研究也存在着一些问题，一是对林线过渡带小气候的研究不够透彻，二是对该领域的应用基础研究远远不够，三是多学科间(如林学、生态学、医学、康养学)的合作研究不够紧密。基于此，提出以下三点展望。

3.1 加强对林线生态过渡带及其不同生境小气候的研究

林线过渡带作为应对全球气候变化的“前线”，对林线过渡带小气候的研究就显得尤为重要。根据最近相关报道，世界上最高的树线(海拔5 280 m)是出现在青藏高原上[45]，最高的林线就位于藏东南[36]。而由于环境的恶劣性导致在该领域的研究存在困难，国内外对长白山北坡、藏东南色季拉山、祁连山、华北芦芽山、阿尔卑斯山、落基山脉等的研究报道，主要围绕其水热条件，而忽视了如太阳辐射、风、积雪等其它气象因子共同影响。林线生态过渡带作为包含乔-灌-草多生境的区域，具有较强的环境异质性，笼统的讨论林线过渡带的生态气候，且用一个点的气候条件来代表整个面具有片面性，林线生态过渡带下不同生境(如乔木、灌木、草甸等)的小气候特征，且哪一种生境对全球气候变化是最敏感的，是亟需我们去研究。

3.2 加强在时空层面上森林小气候的差异研究

通过对不同树种或林型小气候特征的研究，虽然进一步了解了哪个树种或林型所营造的小气候效益最佳，并将其应用于城市森林建设与植树造林中，但目前的研究大都局限于生境间的比较，笼统的认为混交林与阔叶林的效益较佳，并未充分考虑到不同季节物候条件的差异会对其总体生态效益产生较大影响，所以在今后森林小气候的研究中不仅要关注空间层面的变化规律，也要关注时间层面的影响。

3.3 加强对森林康养因子的监测与研究

探索森林能够给人类健康带来多大好处，是我们研究森林小气候的重要目标。目前对于森林小气候的研究主要围绕气象因子进行展开研究，如空气温湿度、土壤温湿度、太阳辐射、降水以及风力与风向等，而对康养因子(PM2.5浓度、负氧离子含量、CO2浓度等)的监测有待进一步研究。