賈寧，劉東洋

（通遼市氣象局，內(nèi)蒙古通遼028000）

光照是植物進行光合作用并賴以生長的前提條件，林窗的產(chǎn)生導致更多的光到達林地表面，光照環(huán)境和熱力特征對于土壤的理化特性、營養(yǎng)元素變化及土壤中的微生物都有重要影響，進而影響到林窗及周邊生物的變化。光照會導致林窗內(nèi)地表溫度和近地層溫度都發(fā)生變化，這對于森林的更新演替都產(chǎn)生重要的影響，林窗影響著森林的結(jié)構(gòu)、動態(tài)和多樣性變化，促進其維持平衡，研究林窗是當前森林生態(tài)學中比較重要的項目之一，具有十分重要的意義。

1 研究意義

本文以遼東山區(qū)雪害和風害后形成的天然次生林林窗為研究對象，對不同坡向林窗內(nèi)的光照小氣候觀測資料進行分析，明確遼東山區(qū)不同坡向次生林林窗內(nèi)光照的時空分布特征和變化規(guī)律，林窗坡向及林窗內(nèi)位置不同，使其光溫環(huán)境發(fā)生異質(zhì)性變化，進而影響到林窗區(qū)域種子萌發(fā)、幼苗生長發(fā)育及植物種群分布等，最終影響森林的更新。通過對此研究旨在為深入探討不同坡向林窗小氣候形成機制和林窗內(nèi)生物多樣性的變化規(guī)律等提供科學依據(jù)，同時也為天然次生林的經(jīng)營管理和其他相關(guān)生態(tài)過程研究提供一定的基礎(chǔ)理論。

2 研究區(qū)概況和研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究地位于遼寧省清原縣的清原森林生態(tài)實驗站，在清原縣南部，地處海拔1000m左右的遼東山脈地區(qū)，是中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所新建（2003年）的野外臺站，此地區(qū)山脈縱橫，為長白山延伸山脈，山區(qū)的地帶性植被類型為闊葉紅松林。森林植物成分具有明顯的長白植物區(qū)系特征，原生時期以紅松為代表，另外還有沙松、魚鱗松、蒙古櫟、紫椴、色木槭、水曲柳和樺樹等。

本區(qū)氣候?qū)儆谑芗撅L影響的溫帶大陸性氣候，具有冬季寒冷而漫長，夏季溫暖多雨而短暫的特點。年平均氣溫3.9℃～5.4℃，無霜期120～139d，平均年日照 2433h，年降水量 700～850mm。以山地為主，海拔1100m左右，山地向西南延伸，以千山山脈為骨干，主峰千山。全區(qū)主要基巖為花崗巖、片麻巖、玄武巖和其他變質(zhì)巖。主要土壤種類為森林土、草甸土，土層厚20～30cm，多顯酸性和中性。

2.2 樣地概況

本實驗在遼寧省東部清原縣內(nèi)，實驗地以山地為主。土壤為典型的深棕色森林土，厚度20～30cm。樹種組成主要由蒙古櫟、長白落葉松、楓樺、槭樹、椴樹、水曲柳和胡桃楸等為主。當?shù)囟湎臒幔昃鶞?.9℃～5.4℃，1月最冷，7月最熱，年平均降水量為700～1200mm，降水主要集中在6～8月，無霜期為150d，生長季為4～9月。

林窗形成于2004年12月底，所有林窗都是經(jīng)過人工砍伐而產(chǎn)生的，本實驗在三個不同坡向（西北坡、東北坡和東南坡）林窗中進行數(shù)據(jù)的測量，本次觀測的林窗樣地以三個大小基本相同，但坡向不同的林窗為研究對象，林窗均位于山體中坡位，坡度為20°～25°，土壤為山地棕壤土。其中，三個樣地的海拔為580～600m，不規(guī)則橢圓形。林窗周邊次生林的高度和疏透度分別為 15～20m 和 70%～80%。

2.3 實驗設計和技術(shù)路線

本實驗對遼東山區(qū)不同坡向林窗內(nèi)的光照進行了長期測量。在不同坡向的三個林窗內(nèi)的南北軸和東西軸上分別選取樣點進行數(shù)據(jù)測量，樣點位于林窗中央、林窗邊緣樹冠冠緣垂直投影處、林緣喬木根基處，并且在林內(nèi)及空地上分別設置一個對照。將記錄的數(shù)據(jù)進行不同處理及繪圖，分析得出不同坡向林窗間光照的分布特征。

在每個林窗中沿南北向和東西向分別設置兩條觀測樣線，每條樣線上選取5個觀測點，共17個測點，觀測點為不等距分布，分別位于林窗中央、實際林窗邊緣（林緣樹冠垂直投影處）和擴展林窗邊緣（林緣樹干處）。觀測要素為光量子通量密度（PPFD），選取晴好天氣進行，于2014年（4～10月）晝間整點進行觀測（8時～16時），每次觀測重復3次，共觀測了15d的數(shù)據(jù)。由于不同時段，太陽輻射有明顯的差異，從而引起PPFD在上午、中午和下午之間變化較大，所以將一天劃分為8～10時，11～13時和14～16時三個時段來對林窗內(nèi)光照的空間分布進行分析。

2.4 光的測定

測量林窗光環(huán)境的方法可分為3類：直接測量法、相片法和模型估測法，本實驗采用直接測量法，觀測林窗內(nèi)的光照變化，記錄測量數(shù)據(jù)。光照的傳感器設定取樣每天測定時間為8時～16時，放置于距地面1m處，觀測時間為2014年4月到10月生長季內(nèi)進行。

3 結(jié)果分析

3.1 不同坡向林窗光照的空間分布特征

上午，在東北坡到達林窗內(nèi)的太陽光線受林窗東南邊緣林木的遮蔽作用，使林窗東南部地面所接收到的太陽直接輻射較少，而林窗西北部由于遮蔽時間較短，而造成PPFD在西-西北側(cè)首先升高，高值區(qū)最先出現(xiàn)在林窗中央西側(cè)(1108μmol·m-2·s-1)，而林窗南側(cè)的PPFD最?。?14μmol·m-2·s-1）。在東南坡林窗中，上午高值區(qū)也出現(xiàn)在林窗西側(cè)（1175μmol·m-2·s-1），東南側(cè)值較低。在西坡林窗內(nèi)，上午最高值在擴展林窗西側(cè)（515μmol·m-2·s-1），最低值在林窗東側(cè)（108μmol·m-2·s-1）。

中午，隨著太陽高度角的增加，林窗內(nèi)各觀測點的PPFD都在增加。在東北坡，南側(cè)林緣處由于受邊緣木投影的遮蔽影響，導致林窗內(nèi)中午時段的PPFD空間分布規(guī)律為北高南低，最高值出現(xiàn)在林窗北側(cè)擴展林窗附近（1135μmol·m-2·s-1），最低值出現(xiàn)在林窗南側(cè)林緣處（832μmol·m-2·s-1）。在東南坡，中午時 PPFD也快速增高，數(shù)值與東北坡和西坡相比較大，PPFD空間分布表現(xiàn)為東西向?qū)ΨQ，高值區(qū)出現(xiàn)在實際林窗北側(cè)附近(1317μmol·mm-2·s-1)，低值區(qū)在林窗偏南側(cè)。在西坡，同樣隨著太陽高度角的增加，中午林窗地面各測點光強普遍升高，林窗東—東北側(cè)林窗處的增值最為明顯，PPFD整體分布格局為北高南低，最大值出現(xiàn)在林窗中央偏北側(cè)（1068μmol·m-2·s-1），低值區(qū)同樣出現(xiàn)在林窗偏南側(cè)。

下午，隨著太陽的西移下落，林窗內(nèi)的PPFD迅速降低，水平梯度減小。在東北坡PPFD最高值區(qū)出現(xiàn)在林窗中央東北側(cè)（324μmol·m-2·s-1）， 最 低 值 區(qū) 位 于 林 窗 西 偏 南 林 緣 處（105μmol·m-2·s-1）。在東南坡，下午 PPFD 總體水平降低幅度較大，高值區(qū)位于林窗中央偏東側(cè)（273μmol·m-2·s-1），低值區(qū)位于林窗偏西側(cè)。在西坡，下午由于太陽高度較低，且位置逐漸偏西，太陽輻射受樹木遮蔽，林窗內(nèi)日照減少，PPFD降低，最高值出現(xiàn)在東側(cè)擴展林窗邊緣（126μmol·m-2·s-1），最低值出現(xiàn)在林窗的西南側(cè)擴展林窗邊緣（42μmol·m-2·s-1）。

3.2 不同坡向林窗光照分布的時空特征

3.2.1不同坡向林窗光照的日變化

以生長季中間時段（7月）晴天觀測的PPFD數(shù)據(jù)為代表，對不同坡向林窗內(nèi)和郁閉林內(nèi)PPFD的日變化進行了數(shù)據(jù)處理，繪制三個不同坡向林窗和林內(nèi)觀測點PPFD的日變化情況。三個不同坡向林窗內(nèi)，PPFD的日變化均呈現(xiàn)明顯的單峰型，峰值在11時～13時之間出現(xiàn)。東南坡林窗中央PPFD始終大于東北坡和西坡林窗，峰值出現(xiàn)在中午 12：00 左右，可達 1405μmol·m-2·s-1，在13：30之后迅速減弱；上午東北坡PPFD稍小于西坡且上升較快，12：00 時出現(xiàn)最大值為 1008μmol·m-2·s-1，13：00 之后下降較快，高于西坡；東北坡和西坡林窗在10時之前增長較緩慢，西坡其峰值出現(xiàn)在 12 時，為 990μmol·m-2·s-1，12 時之后的 PPFD 普遍低于同時期東北坡的PPFD。與林窗內(nèi)相比，郁閉林內(nèi)PPFD全天值都比較低也較穩(wěn)定，也表現(xiàn)為單峰型的日變化，最高值出現(xiàn)在12時，達到87μmol·m-2·s-1。

3.2.2不同坡向林窗光照的季節(jié)變化

將 4～10月測量數(shù)據(jù)按 4～5月，6～8月，9～10月分為春夏秋三個季節(jié)，取17個測量點中的東南西北及中央點五個點進行數(shù)據(jù)處理，三個林窗內(nèi)的平均PPFD最大值均出現(xiàn)在林窗中心測點，在擴展林窗邊緣處PPFD最小，一般規(guī)律為春季值大于夏季值大于秋季值，在春、夏、秋三個季節(jié)中均以東南坡林窗內(nèi)PPFD最大，東北坡次之，西坡最低。東北坡林窗中，在春夏秋三個季節(jié)的PPFD的最低值都是出現(xiàn)在林窗南側(cè)，最高值出現(xiàn)在林窗西側(cè)。在春季，林窗內(nèi)光量子通量密度的空間分布形勢為中心與其他方位差異不大，呈對稱分布。最高值出現(xiàn)在林窗中央，林窗四周PPFD值變化不大較平穩(wěn)。在夏季，最高值出現(xiàn)在林窗偏西側(cè)，其次是林窗中央處，南側(cè)值最低，分布呈東—東北對稱。在秋季，林窗內(nèi)西側(cè)光量子通量密度水平下降較快，高值區(qū)位于林窗中央偏東北側(cè)，西南側(cè)光量子通量密度值較低。東北坡在春季的PPFD明顯高于夏季和秋季，而夏季和秋季差異不大。

在東南坡，春季林窗中央的PPFD是所有坡向季節(jié)中的最高值，春、夏季的光量子通量密度的最低值位于林窗東側(cè)，最高值在林窗西側(cè)，林窗東西側(cè)的PPFD明顯高于南北側(cè)，在南北軸線上表現(xiàn)為西部高于東部，南部高于北部。夏季與秋季PPFD各測點差異不大。

在西坡林窗內(nèi)，PPFD與東南坡和東北坡有明顯的差別，光照值較低。春季和夏季的PPFD高值區(qū)明顯位于林窗中央附近，且遠高于秋季，北部PPFD最低，東側(cè)值最低，秋季光量子通量密度高值區(qū)出現(xiàn)在中央附近，但空間分布差異不大，均較低。林窗南側(cè)值最低，總體分布形勢為東北側(cè)值較高、西南側(cè)值較低。

不同季節(jié)三個坡向林窗內(nèi)平均光照方差分析表明，春季各坡向林窗平均PPFD差異達到極顯著水平（p=0.008<0.01），夏季差異達到顯著水平（p=0.03<0.05），秋季差異不顯著（p=0.08>0.05），春季不同坡向林窗內(nèi)平均PPFD的大小順序為南坡（787.22μmol·m-2·s-1）大于東坡（669.67μmol·m-2·s-1）大于西坡（547.89μmol·m-2·s-1），西坡和南坡差異極顯著，東坡和其他兩個坡向之間差異均不顯著，夏季與春季表現(xiàn)相似，南坡（571.67μmol·m-2·s-1）高于西坡（509.11μmol·m-2·s-1），差異極顯著，東坡平均 PPFD 介于兩者之間（432.01μmol·m-2·s-1），與兩個坡向差異不顯著。秋季三個坡向林窗內(nèi)平均PPFD差異不顯著，以南坡最高（245.22μmol·m-2·s-1），東坡次之（200.22μmol·m-2·s-1），西坡最低（169.44μmol·m-2·s-1）。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

不同坡向林窗內(nèi)各方位點的光量子通量密度都呈現(xiàn)出明顯的單峰型日變化趨勢，空間分布態(tài)勢為隨時間有明顯的動態(tài)變化。林窗內(nèi)光量子通量密度的空間分布形勢表現(xiàn)出明顯的不對稱性，光量子通量密度的最大值隨時間有明顯的位移變化。最大值總是出現(xiàn)在林窗中央與中央附近位置，邊緣各點的值較低。在東北坡、東南坡、西坡上午的最高值均在林窗的偏西側(cè)，最低值分布在南側(cè)或偏東南側(cè)。中午時東北坡和西坡的光照空間分布大體為北高南低，東南坡為東西向的對稱，最高值在林窗偏北側(cè)。下午時，東南坡和西坡的光照高值區(qū)為偏東側(cè)，東北坡為偏東北側(cè)，三個坡向的低值區(qū)大體都為偏西南側(cè)。

三個不同坡向林窗中光量子通量密度的日變化趨勢為單峰型變化趨勢，東北坡最大值出現(xiàn)在12時，西坡和東南坡峰值出現(xiàn)在13時，林內(nèi)相對較晚峰值出現(xiàn)在12時之后。東南坡林窗光量子通量密度總體大于東北坡林窗大于西坡林窗，遠遠大于林內(nèi)。林窗內(nèi)光量子通量密度的空間分布狀況以及林窗內(nèi)光量子通量密度的最大值隨時間、季節(jié)的變化而變化，都受到太陽高度角在一年中周期性變化的影響。

三個不同坡向林窗中光量子通量密度的季節(jié)變化，林窗內(nèi)光量子通量密度變化表現(xiàn)大體為春季大于夏季大于秋季，各林窗光量子通量密度最大值區(qū)域隨季節(jié)呈現(xiàn)出自中心附近向北位移的現(xiàn)象。

林窗內(nèi)光照的影響不僅局限于林窗的垂直投影下方，可以影響到林窗周圍喬木處根部的范圍，而且可以擴展到林窗外部的林下，從林窗邊緣到林窗中央，光強逐漸增強，到中央附近值最大，林窗邊緣光強梯度變化較大。白天林內(nèi)接收到的太陽總輻射遠遠小于林窗內(nèi)，在面積約200m2的林窗中央光照為林下的913～1117倍。在實際測量中由于太陽高度、天氣因素、林窗周圍邊緣木的影響，光照最大值區(qū)域并不是出現(xiàn)在林窗的正中央位置，而是出現(xiàn)在林窗內(nèi)的某一側(cè)。

4.2 討論

在本文的研究中，可以看出在三個不同坡向林窗中，林窗的不同位置光量子通量密度有很大的差異，空間分布形式呈現(xiàn)出不對稱性，林窗內(nèi)高值區(qū)隨時間變化非常明顯，上午林窗內(nèi)光量子通量密度的最大值出現(xiàn)在林窗偏西側(cè)，中午高值區(qū)位于林窗偏北側(cè)，下午高值區(qū)又移動到林窗偏東的位置，即林窗內(nèi)的高值區(qū)隨時間有動態(tài)變化。此外，林窗內(nèi)光量子通量密度的空間差異還受到林窗郁閉程度的影響，這也是林窗內(nèi)光斑出現(xiàn)具體位置不同的主要原因。對比林窗內(nèi)不同季節(jié)的光量子通量密度變化，三個坡向林窗內(nèi)都是春季光量子通量密度最大，秋季光量子通量密度最小，夏季光量子通量密度水平介于春季和秋季之間，這是由于春季太陽輻射增長較快，而林窗周圍樹木才開始增長，郁閉程度較低，造成了春季林窗內(nèi)光量子通量密度的值最大。夏季，雖然太陽輻射強于春季，但此時林窗樹木枝葉茂密，林窗郁閉度達到最高，使入射到林窗內(nèi)的光量子通量密度低于春季。秋季，林窗樹木進入生長季末期，樹葉開始枯萎凋落，林窗冠層郁閉度減小，而此時太陽輻射也開始變小，所以林窗內(nèi)光量子通量密度最低。各季節(jié)林窗內(nèi)空間分布表明，三個季節(jié)光量子通量密度的高值區(qū)域總是出現(xiàn)在林窗偏北側(cè)，且隨生長季的移動光量子通量密度逐漸向北移動，這主要是因為隨生長季的推移太陽高度角逐漸變小，光強高值區(qū)也逐漸出現(xiàn)了向北移動的變化趨勢。在整個生長季中，各坡向中以南坡林窗內(nèi)的光量子通量密度的值最高，這是因為對于各個坡向來說，一天中光量子通量密度的最大時段出現(xiàn)在中午，所以南坡向的林窗接受到的太陽輻射整體上要高于其他兩個坡向林窗。林窗的大小是影響林窗內(nèi)光量子通量密度分布的一個重要因子，當大小相同、林窗的方位不同時，林窗內(nèi)光照的空間分布也有所不同。