森林与空旷地空气温湿度及土壤温度的长期对比研究
30（12）：2685－2691生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2011，
森林与空旷地空气温湿度及土壤温度的*
长期对比研究
孙金伟
1，2
吴家兵
1＊＊
关德新
1
王安志
1
袁凤辉
1，2
张新建
1，2
（1森林与土壤生态国家重点实验室，中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳110164；2中国科学院研究生院，北京100039）
摘要森林对温湿度的影响是其生态功能的基础，为了探讨森林的这种小气候效应，本
文采用小气候对比观测的方法，根据2005—2007年观测资料，对长白山阔叶红松林与附近空旷地温度、湿度等小气候要素进行了差异性研究。结果表明，林内近地表层空气温度白天低于林外空旷地，晚间高于林外空旷地，因而具有较低的日较差。非生长季二者的月平均值差异不显著，但生长季差异明显，月平均气温最高差值出现季节与森林叶面积指数最大值出现时间一致。气温年较差的平均值林内小于空旷地，差值可达6. 3ħ 。年均森林与
0ħ 以上，空旷地土壤温度全年均表现出明显差异，以0ħ 为界，林内土壤温度低于空旷地，
0ħ 以下高于空旷地，其中2005年1月5cm 深处土壤温度差值达到了5. 3ħ 。空气相对
8月份差异最为明显，2006年7月差值最大，湿度生长季差异较大，其中以7、达7．0%。长白山；森林气象；小气候特征
中图分类号S716文献标识码A 文章编号1000－4890（2011）12－2685－07关键词
A long-term observation on the air temperature ，relative humidity ，and soil temperature
in a mixed forest and its adjacent open site in Changbai Mountains of Northeast China．
2
SUN Jin-wei 1，，WU Jia-bing 1＊＊，GUAN De-xin 1，WANG An-zhi 1，YUAN Feng-hui 1，ZHANG 2
Xin-jian 1，（1State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology ，Institute of Applied Ecology ，Chi-nese Academy of Sciences ，Shenyang 110164，China ；2Graduate University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ）．Chinese Journal of Ecology ，2011，30（12）：2685－2695．Abstract ：The influence of forest on air temperature and relative humidity is the basis of forest ecological function．Aimed to approach the microclimatic effect of forest ，a three-year （2005－
2007）micrometeorological observation was conducted on the diurnal and seasonal changes of air temperature and relative humidity in a broadleaved －Korean pine mixed forest and its adjacent open site in Changbai Mountains ，Northeast China．As compared with open site ，the air tempera-ture in the near-ground surface in the forest was lower at daytime but higher at night ，with a lower diurnal difference．There was a remarkable difference in the mean monthly air temperature in the near-ground surface between the forest and open site in growth season ，but no obvious difference in non-growth season．The greatest difference appeared in July ，which coincided with the appear-ance of the maximal leaf area index of the forest．The mean annual air temperature difference was lower in the forest than in open site ，with a difference up to 6．3ħ ．There also existed a remark-able difference in the soil temperature between the forest and open site．Throughout the observa-tion years ，the forest had a lower soil temperature than the open site when the soil temperature was above 0ħ ，but was in adverse when the soil temperature was below 0ħ ，with the differ-ence of mean monthly soil temperature at 5cm depth between forest and open site up to 5．3ħ in January ，2005．In growth season ，the relative humidity in the forest and open site had a signifi-cant difference ，especially during the peak growth season July－August，with the greatest differ-ence up to 7．0ħ in July ，2006．Key words ：Changbai Mountains ；forest meteorology ；microclimate characteristics．
*国家重点基础研究发展规划项目（2009CB421101）、YW-Q06-1-1）和林业公益性行业科研专中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2-项（200804001）资助。
mail ：wujb@iae．ac．cn ＊＊通讯作者E-04-0708-19收稿日期：2011-接受日期：2011-
2686生态学杂志第30卷第12期
森林小气候特征研究是揭示森林生态系统服务功能、评估森林对环境影响的重要基础。国外对森最早可追溯到20世纪林小气候的研究相对较早，60年代（Geiger 1965；Lee ，1978），但由于当时观测技术手段的限制，所获得的数据尚不够系统，相关研究和报道以定性描述为主，缺乏定量的数据支持。近年来，随着气候要素自动观测技术的进步和地面小气候站点的增加，一些学者开始通过实测数据来揭示森林的小气候效应，如Chen 等（1993）对林外空旷地、森林边缘和林内温度、湿度、风速、辐射等小气候要素特征进行了系统的研究，进而阐述了森林的小气候效应；Spittlehouse 等（2004）在意大利的西西里岛对森林、林地边缘以及开放地的小气候进行了分析；Hannah 等（2008）对比研究了天然林以及没微气候、水热的动力学有树的沼泽地区域水流温度、
交换；Ma 等（2010）通过机械采伐与焚烧的措施在美国加利福尼亚混交林进行了实验，获取了森林小气候数据，对空气温度、土壤温度、空气湿度及土壤热通量进行了对比研究。
国内相关研究起步较晚，王正非（1985）在《森林气象学》一书中，对森林小气候效应进行了较为系统全面的阐述，指出了野外长期定位观测的重要性。1980年以来对特定地区小气候特征的研究日益增多。赵勇刚和高克姝（1989）从1982年1月至1985年12月对云南吉沙林场森林气象站云、冷杉的林内及砍伐迹地小气候进行了4年的观测，对比分析了云、冷杉育苗对不同小气候气象因子的响应；肖金香和方运霆（2003）依据江西省马头山自然保护区核心区不同海拔高度森林小气候实测资料，分析了林内光照强度、温度、相对湿度和风的时空变化特征；庞学勇等（2005）对青藏高原东部暗针叶林采伐迹地小气候及植被演替进行了研究，介绍了目前暗针叶林采伐迹地小气候、植被演替的研究现状，分析了森林采伐后，局地小气候发生剧烈变化导致的植被物种组成、盖度、生物量、生理生态因子等的变化；韩锡君等（2005）对广东大岭山森林公园森林及空旷地的小气候进行了对比研究，指出大岭山森林娱乐和保健的场所；李白萍等公园可作为休憩、
（2007）分别对西藏色季拉山国家级森林生态系统定位站的森林和采伐迹地小气候（气温，地表温度和土壤温度）与对应地的小气候历史资料进行了对比；郝帅等（2007）对天山中段天山云杉林内外小气候特征进行了研究；郭永盛等（2009）对内蒙古大青
白桦和落叶松林3种典型植被型下的林山的油松、
内外小气候进行了对比研究，从林内外温度、风速及湿度3个方面对该区森林不同植被型的小气候调节
相关研究虽然较多，但功能进行了分析。可以看出，
在我国重要林区的东北森林相关研究相对较少。吴
家兵等（2002）对长白山阔叶红松林夏季温度特征进行了研究，对比分析了林内与无林区的气温与土壤温度。上述文章多是基于某一年或是一年中某个生长季的数据进行分析。
森林内外小气候资料的长期对比研究，对于揭示森林小气候效应，阐明森林破坏对局地气候的影响具有重要的价值。长白山阔叶红松林是我国东北东部中温带湿润气候区最重要的森林植被类型。它稳定生态平衡有着重要作用。本文拟对调节气候，
基于长白山阔叶红松林及附近林外标准气象站
2005—2007年的长期观测资料，分析森林内外空气温度、土壤温度以及空气相对湿度等气候要素的差异，旨在揭示长白山阔叶红松林小气候效应，加强对森林生态系统功能的认识，为森林经营、保护提供科学依据。11. 1
研究地区与研究方法自然概况
本研究林内观测点位于中国科学院长白山森林生态系统定位站1号标准地阔叶红松林（42ʎ24'N ，128ʎ6'E ，海拔738m ）。年均降雨量为695mm ，年均气温3. 6ħ 。下垫面地势平坦、均质。森林土壤
主要乔木有红松（Pinus koraien-为山地暗棕色土，
sis ）、蒙古栎（Quercus mongolica ）、椴树（Tilia amu-rensis ）、水曲柳（Fraxinus mandshurica ）和色木槭（Acer mono ）等。林分为复层结构，下木覆盖度
－2
40%，平均株高为27m ，立木密度约560株·hm ，最大叶面积指数为6. 0。林外对照空旷地为森林站东南1000m 处的长白山定位气象观测场，下垫面下木层及枯枝落叶层移除，地表为透骨草（Phryma lep-tostachya var. asiatica ）和各种苔草覆盖，高度在20cm 以下。1. 2
研究方法
林内观测点建有高62m 的微气象观测塔，塔上安装有常规气象观测系统。其中，空气温湿度通过2. 5m 高度的传感器（HMP45C ，Vaisala ）测得；土壤
Campbell ，USA ）测温度通过热电偶传感器（105T ，
10、20和40cm ，得，观测深度为5、上述要素原始采
孙金伟等：森林与空旷地空气温湿度及土壤温度的长期对比研究2687
样频率为0. 5Hz ，数据通过CR23X 数据采集器（Campbell Scientific ，USA ）采集后以30min 的平均地温和空气值予以存储。林外对照空旷地的气温、
除了气湿度利用标准气象站M520观测系统采集，温观测高度为1. 5m 外，其余观测仪器布设同上。
1. 3数据处理
采用了2005—2007年全年的数据进行分析。基于Excel 与Matlab ，运用统计分析的方法得出了空气温度与不同深度土壤温度的日、月平均值以及空气湿度月平均值。分析了森林与空旷地日、月平均温度以及空气温度的日较差，同时对土壤深度为5、10、20和40cm 深处的森林与空旷地平均土壤温度进行了比较，最后对比分析了森林与空旷地相对湿度月平均值。22. 1
结果与分析空气温度
图1森林与空旷地日平均空气温度比较
Fig．1Comparison of daily mean air temperature between
2005forest and open site in July and December ，
a 2005年7月；b 2005年12月。
空气温度作为重要气候要素之一，是气候背景
与区域环境因子综合作用的结果。选择7月和12月分别作为生长季和非生长季的典型代表月进行分
7月森林与空旷地空析（图1）。从图1可以看出，
气温差明显，森林的日均气温明显低于空旷地。这
是因为7月森林生长繁茂，冠层郁闭度较大，能够有效地阻挡太阳辐射，郁闭的林冠对晚间近地层的热
晚间林内热损失较少，空旷地白交换起到阻碍作用，
天受太阳直接照射，地表和空气增温显著，因而空旷
地气温的日均值要明显高于林外，两地日均温差明森林内落叶树种树叶凋落，林冠叶面显。非生长季，积降低，林内外接收的太阳辐射量的差异也减小，林内外空气交换也相对充分，所以此时的日平均温度差异并不明显。如图1b 所示，整个12
月林内和空
旷地日平均气温差异并不明显。林内与空旷地日均
气温差的平均值在2005年7月和12月分别为1. 2ħ 和0. 1ħ ，7月日均气温差的平均值明显高于12月的该值。7月日均气温差的最大值出现在7月1
19. 6日，林内与空旷地的日均气温分别为18. 0ħ 、ħ ，12月最大值出现在12月5日，差值达1. 6ħ ，
－10.1林内与空旷地的日均气温分别为－10.9ħ 、ħ ，差值仅达0. 8ħ 。
2005—2007年森林与空旷地从图2可以看出，
1月份降至最低值，气温的季节变化趋势大致相同，
4月份达0ħ 以上，7、8月份出之后温度逐渐上升，
现温度的最高值，随后开始下降，进入11月之后温度再次降至零下。从图2还可以看出，研究地年际
3
年的空旷地月平均间气温表现出较好的稳定性，
图2森林与空旷地月平均空气温度比较
Fig．2Comparison of monthly mean air temperature between forest and open site
2688生态学杂志第30卷第12期
图32005年森林与空旷地空气温度日较差比较
Fig．3Comparison of daily range of air temperature between forest and open site ，2005
2006年的7月以气温最高值分别出现在2005年、
19. 9ħ 、19. 2及2007年的8月，分别为19. 8ħ 、ħ ，18. 3ħ 和林地对应月份气温分别为18. 6ħ 、18. 4ħ ，1. 6ħ 和0. 8ħ 。生长差值分别为1. 2ħ 、季（5—9月），特别是夏季（7月）森林与空旷地存在较大的温度差异，这与关德新等（2007）对长白山红松针阔叶混交林林冠叶面积指数模拟分析中指出的最大叶面积指数出现时段相一致。在非生长季二者10—12月）。这与图1生的温差值较小（1—4月，
长季和非生长季的代表月份（7月和12月）表现出这与上文所述引起2005年7月和的规律是一致的，
12月森林与空旷地空气日平均温度差值大小不同的原因是相同的。
从图3可以看出，空旷地的气温日较差较林内的要高。林冠层的阻挡作用，使得白天林内太阳入射辐射量减少，同时夜晚林内射出的长波辐射的量也相对减少，这样相对空旷地来说，森林在一定程度上降低了白天气温的最大值，提升了夜晚气温的最低值，因此，出现了图3林内气温日较差小于林外空最旷地的结果。2005年空旷地气温日较差最大值、2. 0ħ 和13. 4ħ ，小值和年平均值分别为31. 0ħ 、
1. 2ħ 和10. 2ħ 。而林内对应值分别为21. 3ħ 、
另外，从表1可知，林内气温年较差的值要低于空旷2005—2007年的气温年较差平均值分别为58. 0地，
ħ 和64. 3ħ ，差值达6. 3ħ 。
表12005—2007年林内和空旷地气温年较差值比较（ħ ）Table 1Comparison of yearly averaged air temperature difference between forest and open site from 2005to 2007
地点林内空旷地
2005年气温2006年气温2007年气温气温年较差年较差年较差年较差平均值
58. 264. 3
58. 864. 7
57. 264. 0
58. 064. 3
2. 2
土壤温度
从图4可见，不同深度土壤温度各年的季节变
化呈现明显的周期性，变化规律与气温相似（图2）。表层土壤1月份前后出现温度最低值，之后温度逐4月份温度达0ħ 以上，8月份出现温渐上升，在7、度最高值，之后温度开始下降，在11月之后温度再次降低至零下，并且随着土壤深度的增加土壤温度
林内外对应的不转入零下的时间逐渐延迟。此外，
同深度的土壤温度在大多数时间均表现出较大的差
这与非生长季空气温度较低时森林与空旷地差异，
异性变小的规律有所不同。在生长季林地土壤温度低于空旷地，主要是因为此时郁闭度较大的林冠层削弱了到达林内的太阳辐射量，地表直接接收的热量较空旷地少。在1月份前后，林内与空旷地土壤2005年1月森林与例如，温度表现出较大的差异，
10、20和40cm 土壤深度处土壤温度差值空旷地5、
4. 9ħ 、5. 0ħ 和3. 5ħ 。一方面是分别达5. 3ħ 、
因为林冠层的存在使得夜间被较大程度冷却的林外
空气与林内空气的交换受到一定程度的阻碍，森林由于冬季积雪存起到了保温层的作用。另一方面，在，森林与空旷地接收到的太阳辐射量不同，使得积林内积雪厚度要大于林外。雪的消融程度也各异，
当夜间空气温度降低时林内较厚的雪层又对土壤起到一定的保温作用，而林外相对较薄的雪层对土壤的保温程度弱于林内。因而林内外土壤温度差大致
0ħ 以特点是：0ħ 以上，林内土壤温度低于林外，下，林内土壤温度高于林外。
20ħ 以上高温区在林地存在从图5可以看出，的时间尺度明显小于空旷地，并且在温度日变化进
程中，林地最高温度的出现时间要滞后于空旷地。此外，随着土壤深度的增加，土壤温度的日较差逐渐减弱。林地20cm 以下、空旷地从30cm 以下土壤
孙金伟等：森林与空旷地空气温湿度及土壤温度的长期对比研究2689
图4森林与空旷地月平均土壤温度比较
Fig．4Comparison of monthly mean soil temperature between forest and open site
a 5cm ；b 10cm ；c 20cm ；d 40cm
。
图5森林与空旷地土壤温度演化Fig．5Comparison of spatial-temporal evolution of soil temperature between forest and open site during July 15－17，2005
a 空旷地；b 林地。
温度日较差不再有明显的变化。出现这种时间和空间的差异性主要是由于森林与空旷地地表被加热的
过程不同，林外地面直接接受太阳辐射的照射，因而随着太阳高度的变化，呈现明显的时间和深度变化动态。而林地由于森林冠层的遮蔽作用，接收的太造成林内地面和空气被直阳辐射明显小于空旷地，
接加热的程度均不及林外。所以，林内外土壤高温段（＞20ħ ）出现的时间尺度明显长于林内。同上所述，林内不同土壤深度的温度梯度要小于林外。
另外，从图5可以看出，不同土壤深度构成的等值温
度带随深度增加均有右倾的现象。因为热量是由表层向深处传递的，浅层土壤被加热后才能进一步加热深层土壤，因而等值温度在较深土壤中出现的时间相对浅层土壤要晚，所以地温在随深度变化时产生如图5所示的时间的滞后性。2. 3
空气湿度
从图6可以看出，森林与空旷地空气相对湿度
在生长季差异较大，以7月和8月差异最为明显，研
2690生态学杂志第30卷第12期
图6森林与空旷地空气相对湿度的比较
Fig．6Comparison of monthly averaged relative humidity between forest and open site
究期间森林与空旷地相对湿度的最大差值分别出现
2006年7月和2007年7月，在2005年8月，差值分7. 0%和5. 8%。空气饱和水汽压可以别达5. 7%，
通过经验公式计算获得：
e s （T ）=a exp bT （1）
T +c
7、8月，其他时间差异不明显。
由于植被、地形、气候等条件的差异，不同森林生态系统类型的小气候效应会有一定的差异。但森林遭到砍伐或破坏后，多数研究所获得的主要的小气候要素变化趋势基本一致。如梁罕超等（1990）在川西高山林区森林小气候的研究表明，林外空旷地的相对湿度低9%，本研究森林与无森林植被覆盖的空旷地相对湿度的最大差值出现在2006年7月，约为7%。这与2个地区的降雨量的不同以及森林植被型各异形成的郁闭度的差异有关。另外，国内许多研究是基于生长季节的森林数据进行分析（庞学勇等，2005；郝帅等，2007；郭永盛等，2009），研究表明，气温、地温和相对湿度均存在较大差异。本文分析了森林与空旷地全年的数据，其中，森林与砍伐地的温度和相对湿度差异性在生长季最大，而土壤温度在全年均存在较大差异性，这与Chen 等（1993）和Spittlehouse 等（2004）的研究结果类似。
研究表明，森林与林外空气温度、土壤温度以及空气相对湿度均存在一定的差异。就空气温度而言，生长季森林与空旷地差异较其它时间大，这进一步证实了森林植被影响气候的作用。因为有林冠层生长季林内气温低于林外气温，一定程度上的存在，
降低了地表植物水分的蒸发散，更有利于林下植物的生长和发育；由于林冠对太阳辐射的削弱作用以及冬季林冠与地表积雪保温作用的双重影响，森林与空旷地土壤温度全年存在一定的差异。以0ħ 为0ħ 以上林外高于林内，0ħ 以下林外低于林界，
内。就全年来看，林内土壤的温差较林外小，这一方面益于植物种子的存活和萌发，另一方面也为土壤微生物提供了一个稳定的外部环境，利于土壤有机质分解和营养物质的富集，为植物提供一个优良的
()
a =0. 611kPa ，b =17. 502，c =240. 97ħ ，T 为式中，
空气温度（ħ ）。基于上文对空气温度的分析可知，在生长季林外气温较林内高，由式（1）中饱和水汽压的经验计算公式可知，空旷地饱和水汽压也较林内高，进而相对湿度较林内低。另外，由于林冠层的阻碍作用，林内风速较低，湍流交换作用弱，使得由草本蒸腾和土壤蒸发所产生的水汽难林内下木层、
因而林内相对湿度较高。进入非生以散逸到林外，
长季，随着落叶树种叶片凋落，上述林冠的作用减
弱，另外林下植被蒸腾作用也大大降低，所以森林与空旷地的相对湿度差异降低。3
讨
论
本文通过对长白山阔叶红松林及邻近空旷地2005—2007年空气温度、土壤温度以及空气相对湿可见，生长季林内空气温度等小气候因子对比分析，
8月差异最大，度较林外低，且7、非生长季气温差异不明显。空旷地的气温日较差要高于林地。林内与
空旷地土壤温度差异要高于气温的差异，以0ħ 为0ħ 以上，0ħ 以下，林内低于空旷地，林内高于界，
空旷地。土壤深度＞20cm 时，林内土壤温度日较差逐渐消失，空旷地这个深度大约出现在30cm 左右。林内高温（＞20ħ ）时间和深度都要小于林外。此外，林内和空旷地均存在随着土壤深度的增加，土壤温度的时间动态存在滞后性。林内和空旷地空气湿度在生长季的6—9月差异性较大，最大差值出现在
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mail ：sunjinwei615@126．com 事生态气候方面的研究。E-责任编辑王伟
生长基础；森林与空旷地空气相对湿度在6—9月差
异显著，这与冠层的郁闭度相关，较高的相对湿度更空旷地较低的相对湿度是限制植有利于植物生长，
物更新的重要因子之一。森林砍伐后会引起迹地小气候发生变化，导致迹地植被物种组成、盖度、生物量、生理生态因子等随着人为对其的不同干预也发2005）。因此，生着相应的变化（庞学勇等，维护森林生态系统不仅能更好的发挥其生态屏障功能，而且对于当地植物更好的生长、调节局地气候以及优
2005）均具有重要意义。要在保化环境（韩锡君等，
护原有森林的基础上，不断加强对森林与空旷地小
气候差异性的研究，科学地开展空旷地的植被恢复工作。另外，与国外同类研究相比，国内对森林小气
可检索候的研究在林缘效应方面的研究相对缺乏，到的文献显示仅有马友鑫等（1998）在相关领域做
了初步研究。Chen 等（1993）针对太平洋西北部的花旗松林的研究表明，相对于林内，小气候要素变化最大的是林缘位置，而非林外空旷地。从这可以看出，森林边缘作为空旷地与森林的过渡地带，它对于局地小气候环境的形成意义不容忽视，这也有待进一步的深入研究。
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