湘中丘陵区植被恢复对林内空气温湿度的调节作用

陶萍萍，方 晰，2，陈金磊

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术工程实验室，湖南 长沙 410004）

森林小气候是森林生态系统功能的重要内容，也是森林生态学的主要研究内容之一。许多学者通过比较林内外小气候的差异，研究了一些森林群落小气候特征。研究表明，森林具有降温和增湿效应[1]，对温度变幅具有一定的缓冲作用[2-3]，林内空气温度的日振幅小于林外，林内气温年较差比空旷地低6.3℃[4-5]。森林降温增湿效应春夏两季最为明显，林内气温全年低于林外，而相对湿度全年高于林外[6]。千烟洲针叶人工林夏季具有极显著的降温作用，冬季具有极显著的保温作用，林内气温多年平均值较林外低0.5℃[7]。南亚热带针阔混交林林内年均气温比空旷地低2.3℃[8]。不同气候带或不同森林类型小气候调节作用不同[7]。这些研究主要集中在单一林分类型或成对森林小气候观测[8-10]，而有关同一地区处于不同植被恢复阶段多个林内小气候的比较研究仍少见报道，森林小气候随植被恢复的动态变化格局是否一致，森林调节小气候的能力是否随植被恢复逐渐优化等问题仍不十分明确。

中国亚热带水热条件优越，物种资源丰富，森林类型多样。但由于该地区人地矛盾尖锐和长期的人为干扰，该地区地带性植被—常绿阔叶林破坏严重，生态功能明显衰退。20世纪90年代以来，为保护生物多样性，提升森林生态系统功能，国家政府全面实施天然林保护、退耕还林（草）等系列林业生态工程，加上社会经济发展对森林资源依赖程度下降，人为干扰强度减弱，该地区森林植被恢复迅速。也由于干扰破坏程度不同，形成了处于不同植被恢复阶段的多种次生植物群落。根据亚热带地区植被恢复演替模式和植被恢复程度及其树种组成和结构，当前的次生植物群落可以划分为：灌草丛、灌木林、针阔混交林、落叶阔叶林、常绿阔叶林[11-13]，为开展亚热带植被恢复演替研究提供了良好的场所，我们已开展了不同植被恢复阶段植物群落组成结构[14]及地表凋落物层化学特征[15-16]、生物量分配特征及其碳吸存功能[17-18]、植物-凋落物-土壤C、N、P 生态化学计量特征[19]、土壤有机碳库积累及其稳定性[20-21]、土壤磷库组成及其有效性[22]、酶活性[23]、植被与土壤协同作用[24]等方面的研究。为此本研究在已有研究的基础上，以湘中丘陵区地域相邻，生境条件基本一致的檵木Loropetalum chinense-南烛Vaccinium bracteatum-杜鹃Rhododendron simsii灌草丛、檵木-杉木Cunninghamia lanceolate-白栎Quercus fabri灌木林、马尾松Pinus massoniana-柯Lithocarpus glaber-檵木针阔混交林、柯-红淡比Cleyera japonic-青冈Cyclobalanopsis glauca常绿阔叶林恢复序列为研究对象，观测研究林内距地面1.5 m 处空气温度与相对湿度的动态变化，揭示亚热带植被恢复对林内小气候的调节作用，为科学评价亚热带地区森林植被恢复与重建效果提供科学依据。

1 研究区概况

研究区设在地处湘中东部典型丘陵区的长沙县，113.28°～113.45°E，28.23°～28.40°N，地形起伏较大，海拔55～550 m，坡度多为20°～30°；亚热带东南季风湿润气候，多年平均气温17.6℃，最冷月（1月）平均5.0℃，最热月（7—8月）平均29.4℃，历年极端最高气温41.1℃（2003年8月2日），极端最低气温-11.7℃（1991年12月29日），无霜期216～269 d，年降水量1 412～1 559 mm，主要分布在4—7月，年平均蒸发量1 194.9 mm，平均相对湿度81%，年平均日照时长1 510.9 h。土壤以板岩和页岩发育而成的红壤为主，土质黏重，养分含量低，地带性植被为亚热带常绿阔叶林。

研究区内长沙县黄兴气象站（林外）2016年月平均气温和月平均降水量如图1所示，年平均气温18.0℃，最冷月（1月）平均5.4℃，最热月（7月）平均29.3℃，年降水量1 617.1 mm。

图1 长沙县黄兴气象站2016年月平均气温和月平均降水量的年变化Fig.1 Annual variations of monthly average air temperature and precipitation at Huangxing meteorological station in Changsha County in 2016

2 研究方法

2.1 样地设置和植物群落调查

采用空间代替时间的方法，选取檵木-南烛-杜鹃灌草丛（LVR），檵木-杉木-白栎灌木林（LCQ），马尾松-柯-檵木针阔混交林（PLL）和柯-红淡比-青冈常绿阔叶林（LCC）4 个植物群落作为一个恢复序列，根据不同植被恢复阶段植物群落物种组成及其结构的复杂程度，在不同山体随机设置4 块固定样地，样地两两间的空间距离大于1 000 m。LVR 和LCQ 群落组成及其结构相对简单，每块样地设置为20 m×20 m，PLL、LCC 群落组成及其结构较为复杂，每块样地设置为30 m×30 m 样地[20]。

2016年10—11月落叶树种落叶前，采用样方调查法进行群落调查，具体调查方法详见参考文献[20]。在每个恢复阶段的4 块固定样地中随机选择植物分布均匀、土壤和光照条件一致的观测点1个，4 个植被恢复阶段固定样地气象观测点的地理特征如表1所示。

2.2 林内空气温度、空气相对湿度的测定

在气象观测点选取位于数株植物组成的多边形的中心，安装上海御拓生物科技有限公司的GSM/GPRS 无线远程数据实时监测系统，观测林内距地面1.5 m 处的空气温度和相对湿度，设置每2 h 记录一次数据。观测仪器的布置、使用、观测以及数据的整理均按照中央气象局编制的《地面气象观测规范》的要求进行[25]。

表1 4 个植被恢复阶段林内气象观测点的地理特征†Table 1 Geographic characteristics of the meteorological observation points in four vegetation restoration stages

2.3 数据统计处理

2016年1—12月进行林内空气温度、相对湿度观测，每天取12 个数据的平均值作为当天的最终数据，再取每月的平均值作为该月的最终测定结果。分别取2016年1、4、7、11月中1—10日同一时刻的平均值作为冬、春、夏、秋季的日变化数据。

采用H H 伊万诺夫湿润度（K）计算不同植被恢复阶段林内的湿润度。H H 伊万诺夫湿润度（K）按如下公式计算：

式（1）中：K为林内月湿润度，R为月降水量（mm），T为林内空气月平均温度（℃），f为林内空气月平均相对湿度（%）。林内年湿润度为林内各月湿润度的算术平均值。H H 伊万诺夫湿润度分级标准为：K大于1 为湿润，0.6～1.0 为半湿润，0.3～0.59 为半干旱，0.13～0.29 为干旱，小于0.13为极干旱[9]。

用Excel 2019 软件统计各项指标的平均值、标准偏差；用sigmaplot12.5 软件制图。用SPSS22.0统计软件单因素方差分析（One-way ANOVA）的最小显著差数法（LSD，P＜0.05）分析不同植被恢复阶段林内空气温度、空气相对湿度的差异显著性。图、表中数据均为平均值±标准偏差。

3 结果和分析

3.1 气温的日变化

由图2可知，不同植被恢复阶段4 个季节林内气温的日变化呈现早晚低、日间高的“Ω”字型变化趋势，最低气温出现在4:00—6:00，最高气温出现在12:00—14:00；随植被恢复，最低、最高气温出现时间表现出延迟趋势，LCC 比LVR 晚1～2 h。随植被恢复，林内气温日较差明显下降，LVR、LCQ、PLL、LAG 春、夏、秋、冬季日较差分别为8.7～17.7、2.5～13.3、3.3～12.2 和2.9～6.1℃。表明植被恢复有利于群落内空气温度的稳定。

图2 不同植被恢复阶段4 个季节林内气温的日变化Fig.2 Daily variations of forest temperature in four seasons in different vegetation restoration stages

3.2 林内月平均气温的年变化

如图3所示，不同植被恢复阶段林内月平均气温的年变化表现出相似特征：1月最低，LVR、LCQ、PLL、LCC 分别为4.9、5.5、5.7、5.9℃，2月迅速升高，8月到达最大值，LVR、LCQ、PLL、LCC 依次为28.5、28.4、26.7、26.4℃，9月迅速下降。与图1相比，林内与林外月平均气温的年变化基本一致，4 个植被恢复阶段林内年平均气温最大值相对滞后1 个月，且明显低于林外最大值（长沙县黄兴气象站年平均气温最大值出现在7月，达29.4℃），但LCQ、PLL、LCC 林内月平均气温最小值略高于林外（长沙县黄兴气象站1月平均气温最小值为5.4℃）。表明林内气温的变化主要受外界大气候的支配，但随植被恢复，群落保湿降温效应增强。

LVR、LCQ、PLL、LCC 的月平均气温振幅（最低月份与最高月份之差）分别为23.6、23.0、21.0、20.5℃（图3），表明随植被恢复对林内气温的缓冲作用提高。3—9月生长季，不同植被恢复阶段各月平均温度基本上表现为：LVR 或LCQ高于PLL、LAG，但均低于林外，而从10月至次年2月则表现为：LAG、PLL 高于LVR、LCQ，且基本上高于林外；LVR月平均气温的平均值最高（17.9℃），LCQ 次之（17.7℃），再次是PLL（17.3℃），LAG 最低（16.8℃）（图3），但用12 个月平均气温进行F检验的结果表明，4 个恢复阶段之间差异不显著（P＞0.05），分别比林外气温平均值（18.0℃，图1）下降了0.1、0.3、0.7、1.2℃。表明随植被恢复，群落春夏季降温效应和秋冬季保温效应增强。

图3 不同植被恢复阶段林内年平均气温的年变化Fig.3 Changes of annual average temperature in forests at different vegetative restoration stages

3.3 林内月平均气温极值和月较差

从表2可以看出，4 个植被恢复阶段林内各月气温最大值的平均值为：LVR（22.7℃）＞LCQ（21.8℃）=PLL（21.8℃）＞LCC（20.3℃），变异系数的变化相同，最小值的平均值则恰好相反，最大值平均值间的差异大于最小值平均值间的差异。不同恢复阶段群落内气温月较差平均值为：LVR（11.2℃）＞LCQ（10.1℃）＞PLL（9.8℃）＞LAG（7.2℃），而变异系数的变化则恰好相反（表2）。对12 个月最大值、最小值、月较差进行单因素方差分析的结果表明，不同恢复阶段林内气温最大值、最小值、月较差的差异均达到显著水平（P＜0.05），其中LVR 与PLL、LCC 差异显著（P＜0.05）。不同恢复阶段林内气温极值出现的时间一致，最小极值均出现在11月，最大极值均出现在7月，且随植被恢复，最小极值增加，最大极值下降。表明随植被恢复，林内月气温波动幅度下降，低温时的保温作用和高温时的降温作用日趋明显，有利于群落内气温的稳定。

4 个植被恢复阶段林内各月气温最大值、最小值的年变化（图4）与林外月平均气温的年变化（图1）基本一致，同样也体现出林内气温最大值、最小值的变化主要受外界大气候的支配。

表2 4 个植被恢复阶段群落内空气温度（℃）的最大值、最小值和月较差†Table 2 The maximum,minimum and monthly range of air temperature in forests in four vegetation restoration stages

3.4 林内空气相对湿度的日变化

不同植被恢复阶段林内空气相对湿度的日变化呈现早晚高、日间低的“U”字型变化趋势，从20:00 开始缓慢上升，次日6:00 达到最高并接近饱和；之后随日出急速下降，最低值出现在12:00—16:00，与林内气温最高值出现时间（图2）基本吻合；之后随气温降低，空气相对湿度开始上升，直到20:00左右再次进入缓慢平稳上升阶段（图5）。随植被恢复，最高、最低空气相对湿度出现时间表现出延迟趋势，LCC 比LVR 晚2～4 h。LVR、LCQ、PLL、LCC 春、夏、秋、冬季日较差分别为21.67～33.3、19.3～23.5、10.0～14.9和5.0～8.9℃，白天（8:00—18:00）差值大于夜间。表明植被恢复有利于林内空气相对湿度的稳定。

图4 4 个植被恢复阶段林内气温最大值（a）与最小值（b）的年变化Fig.4 Annual variations of the maximum (a) and minimum (b) values of air temperature in forests at four vegetation restoration stages

图5 不同植被恢复阶段4 个季节林内空气相对湿度的日变化Fig.5 Daily variations of the air humidity in four seasons in different vegetation restoration stages

3.5 林内月平均空气相对湿度的年变化

4 个植被恢复阶段林内月平均空气相对湿度的变化基本一致，表现为春、夏季较大，冬季较低，LVR、LCQ、PLL、LCC 最小值出现在2月，分别为75.2%、82.7%、86.2%和88.0%，最大值出现在11月，分别为81.5%、88.4%、91.6%和92.9%，最大值与最小值之差分别为6.6%、5.7%、5.4%、4.9%，LCQ、PLL 和LCC 各月平均相对湿度均在80%以上，而LVR 全年有8 个月的月平均相对湿度低于80%（图6）。表明随植被恢复，月平均相对湿度波动幅度下降。

LVR、LCQ、PLL、LAG年 平均值分别为78.8%、85.6%、88.3%、90.9%，且各月平均相对湿度均表现为：LAG＞PLL＞LCQ＞LVR（图6），用12 个月平均相对湿度作F检验和多重比较（LSD）检验的结果表明，同一植被恢复阶段各月平均相对湿度的变化不显著（P＞0.05），但4个植被恢复阶段两两之间的差异达到极显著水平（P＜0.01）。表明随植被恢复，群落内各月平均相对湿度明显提高。

根据H H 伊万诺夫湿润度分级标准[9]，除LVR 的2、8 和10月份湿润度小于1.0，为半湿润外，4 个植被恢复阶段的年平均干湿状况均为湿润状态，且同一个月份林内湿润度和年平均湿润度均随植被恢复而增高（表3），表明植被恢复对林内增湿作用明显。一年内，8—10月份林内湿润度均比较低，表明研究区秋季高温少雨，导致林内湿润度偏低。

图6 4 个植被恢复阶段林内月平均空气相对湿度的年变化Fig.6 Annual variations of monthly average relative air humidity in forest at four vegetation restoration stages

表3 4 个植被恢复阶段林内伊万诺夫湿润度和干湿状况†Table 3 Moisture degree and humidity condition in forests at four vegetation restoration stages

3.6 林内空气相对湿度极值和月较差

不同植被恢复阶段林内空气相对湿度最大值、最小值的月平均值均表现为：LCC＞PLL＞LCQ＞LVR，最小值的差异比最大值的差异更大。单因素方差分析结果表明，不同植被恢复阶段间最大值、最小值差异显著（P＜0.05），其中LVR 与PLL、LCC 差异显著（P＜0.05）。LVR、LCQ 相对湿度最小极值（分别为40.5%和70.5%）出现在2月份，而PLL 和LCC 在该月最小值分别维持在78.4%和84.6%。表明随植被恢复，林内增湿、保湿作用增强。

从图7可以看出，4 个植被恢复阶段各月空气相对湿度最大值、最小值的年变化与月平均空气相对湿度的年变化（图6）基本一致。

4 讨 论

4.1 植被恢复对林内空气温度的影响

研究表明，影响同一地区林内小气候的主要因素有太阳辐射量和植被类型（如植物群落组成结构、植物总盖度、植物叶片对太阳辐射的吸收和反射作用、植物蒸腾作用）等[26-27]。本研究中，4 个植被恢复阶段林内空气温度日变化呈早晚低，日间高的“Ω”字型变化趋势，与欧阳旭等[8]、王丽红等[28]研究结果基本一致，主要与一天的太阳辐射强度变化有关，早晚太阳辐射强度弱，而日间则数倍于早晚间。随植被恢复，植物总盖度提高（表1），遮挡阳光、防风、降温保温能力也随之增强，林内空气热量交换减弱，植物总盖度最高的LCC 保温降温效果最强，PLL 与LCQ 次之，LVR 植物总盖度最低，保温降温能力最弱，因而同一季节，LVR 林内日较差最大，LCQ 与PLL 次之，LCC 最小，与陈进等[6]、王丽红等[28]的研究结果基本一致。

表4 4 个植被恢复阶段林内空气相对湿度（%）的最大值、最小值和月较差Table 4 The maximum,minimum and monthly range of relative air humidity in forests at four vegetation restoration stages

图7 4 个植被恢复阶段林内空气相对湿度最大值（a）与最小值（b）的年变化Fig.7 Annual variations of the maximum (a) and minimum (b) values of relative air humidity in forest ats four vegetation restoration stages

本研究中，月平均气温的年变化与林外基本一致，呈单峰型，但夏季林内气温低于林外，冬季却高于林外，且月平均气温的最高值比林外滞后1 个月。气温主要受太阳辐射强度影响最大，北半球亚热带每年夏季7、8月份太阳辐射强度远高于其他月份，冬春季不仅日照时间短且太阳辐射强度较弱，因此林内月平均气温的年变化随大气候变化呈单峰型[29]。夏季太阳辐射最强，林内外空气温度达到最大值，但由于林内植被的遮挡、防风作用能有效减缓林内与林外空气热量的交换速度，而且随植被恢复，植被的遮挡、防风作用增强，总盖度最高的LCC 林内受太阳辐射影响最小，因此太阳辐射最强时段，林内空气温度低于林外，特别是LCC。而在低温季节，由于林内外气体交换差异，林内空气降温速度慢于林外，因而林内外气温最低时，林内气温略高于林外[30]。此外，可能是由于该地区当年7月降水量显著多于8月（图1），林冠层及林内土壤对雨水截留显著高于林外，使得林内相对湿度较高于林外，林内蒸发和蒸腾作用可降低林内空气升温速度，使林内气温低于林外，导致林内7月平均气温低于8月。

本研究中，不同植被恢复阶段林内气温最大值和最小值均未发生在同一天，且最小值都不是发生在林外气温最低的1月份，可能与天气、植被类型、小地形有关[9]。随植被恢复，植物总盖度增加，林内外气体热量交换速率下降，日间最大值下降，致使最大值平均值也下降。同样，随植被恢复，减缓林内空气降温速度，森林保温作用增强，最小值递增，致使最小值平均值增高。因此随植被恢复，林内气温月较差（表2）的平均值亦下降。表明随植被恢复，林内保温防寒、降温防暑等作用增强，日较差、月较差下降，不仅有利于土壤微生物生长繁殖，促进土壤有机质的分解，而且为植物生长发育提供稳定的环境，促进植被恢复。由此可见，温度环境随植被恢复朝着更有利于植物生长和恢复演替的方向发展。

4.2 植被恢复对林内空气相对湿度的影响

林内干湿状况是森林小气候的一个特征状态，其干燥与湿润的状况可用相对湿度、湿润度、湿润指数、相对蒸散系数和降水日数等指标表示[9]。在相同条件下，相对空气湿度与空气温度变化成反比，日间随空气温度升高，则相对空气湿度降低，因而林内空气相对湿度日变化呈“U”字型变化趋势，与王丽红等[28]的研究结果基本一致。随植被恢复，植物总盖度增加，蒸腾作用增强，林内风速小，与林外湍流交换弱，加上林冠的阻挡，使林内潮湿空气不易散失，从而使林内保湿和增湿能力增强[31]，因此同一季节内，林内空气相对湿度表现为：LCC＞PLL＞LCQ＞LVR，而日较差表现为：LVR＞LCQ＞PLL＞LCC，与王丽红等[28]的研究结果基本一致。

空气相对湿度高低及其变化幅度大小受诸多因素影响，如光辐射、气温、林冠郁闭度、林分结构、天气状况和风力等[30]。本研究中，4 个植被恢复阶段林内月平均空气相对湿度的年变化均为春、夏季较大，冬季相对较小，与前人的研究结果[8,32]基本一致，可能是由于研究区春、夏季节降水量较大，3—9月份集中了全年76.5%的降水量（图1），同时春夏季节气温较高，系统蒸散力和植被蒸腾作用增强；另一方面，由于植物在生长季（春夏季）的蒸腾作用和林冠对气流交换的阻挡效果优于秋冬两季，使得夏春季林内空气相对湿度高于秋冬季节[33]。此外，由于LCC 林冠层盖度大，对雨水的截留、系统蒸散力和植被蒸腾作用均达到最高值，导致4 个植被恢复阶段春夏季林内相对湿度的差异明显大于秋冬季。

本研究中，不同植被恢复阶段林内月平均相对湿度最小值出现在2月，可能是由于当年2月降水量最小（图1），但PLL 和LCC 林内空气相对湿度变化不大，体现了植被恢复保温增湿作用增强[5]。随植被恢复，林冠层盖度提高，对地面完全或不完全遮盖，且林内与林外气体交换受到抑制增强，导致林内蒸散水汽能较长时间保留在林内不向外散发，从而保持较高的湿度[33]，使得相对湿度最大值、最小值的平均值均表现为：LCC＞PLL＞LCQ＞LVR，表明随植被恢复，林内增湿作用增强。但4 个植被恢复阶段最小值平均值间的差异高于最大值，表明森林调节空气相对湿度功能主要体现在提高最低相对湿度[34]。本研究中，不同植被恢复阶段林内相对湿度月较差的差异明显，可能是由于空气相对湿度受天气状况影响较大，降雨天时4 个植被恢复阶段林内空气相对湿度接近饱和，晴天时温度升高空气相对湿度下降，LVR、LCQ 植被总盖度较低，林内空气温度快度升高，林内空气相对湿度明显下降，月较差较大；而随植被恢复，PLL、LAG 植被总盖度高，林内空气温度升高缓慢，林内相对湿度的保持稳定，月较差较小，因此随植被恢复，林内空气相对湿度月较差降低。表明随植被恢复，林内调节空气相对湿度的能力增强。

本研究数据为2016年定位观测结果，可反映当年不同植被恢复阶段对林内空气温度、空气相对湿度调节作用，也可为本地区今后森林植被恢复对生态系统服务影响和全球气候变化的研究提供基础数据。但由于植被恢复是一个漫长的过程，而且近年来极端天气事件频发，已经成为全球气候变化最主要的特征之一，对森林生态系统组成、结构、生产力和碳汇功能等造成不同程度的破坏，因此植被恢复对小气候的调节作用需要长期定位观测，深入研究森林对高温、低温的调节作用，才能准确评估森林对气候变化的调节与反馈作用。

5 结 论

1）不同植被恢复阶段4 个季节林内空气温度的日变化均表现为早晚低、日间高的“Ω”字型变化趋势，同一季节日较差差异明显，随植被恢复，林内月平均气温的变化受外界大气候的支配效应降低，林内月平均气温的最大值比比林外滞后1个月。

2）不同植被恢复阶段林内各月气温最大值和最小值的年变化与林内、林外月平均气温的年变化相似，不同植被恢复阶段林内气温极值出现的时间基本一致，各月气温最大值、最小值差异显著，且最高气温的差异比最低气温的差异明显。

3）不同植被恢复阶段林内空气相对湿度日变化呈现“U”字型变化趋势，同一季节林内相对湿度日较差差异明显，月平均空气相对湿度的年变化基本一致，春、夏季较大，冬季较小。

4）不同恢复阶段林内月平均相对湿度表现为：LCC＞PLL＞LCQ＞LVR，且差异显著；林内各月相对湿度最大值和最小值的年变化相似，且最大值的差异比最小值的差异更大。除LVR 在2、8 和10月为半湿润外，4 个植被恢复阶段全年均为湿润状态。

5）植被恢复降低林内气温、相对湿度日较差和月较差，提高森林小气候的稳定性，更有利于林木生长和发育。因此，促进植被恢复，改善群落结构，以提高森林生态系统服务。