全 文 ：热带次生林林窗不同热力作用面特征分析*
张一平* * 王进欣 马友鑫 刘玉洪 (中国科学院西双版纳热带植物园, 昆明 650223)
摘要 利用热带次生林林窗边缘树表温和林窗区域地表温的观测资料, 探讨了昼间林窗各热力作用面的热
力效应及其变化规律. 通过分析林窗边缘树表温和林窗地表温的变化, 指出在林窗区域林窗边缘墙面是林冠
面、林窗地面、林内地面之外的新的第 4 热力作用面; 各个热力作用面的热力效应随季节、位置和时刻的不同有
着明显差异. 在受浓雾影响的上午,林窗地面热力作用较强 ;在中午和下午林窗东侧林缘壁面、林窗东侧东北侧
地面的热力作用显著, 中午以林窗地面作用较强; 而下午则以林窗边缘墙面作用较强. 各个热力作用面的热力
特征和相互作用将制约林窗的热力变化 ,影响植物的生长.
关键词 林窗 林缘 林墙 热力作用面 表面温度
文章编号 1001- 9332( 2001) 02- 0184- 06 中图分类号 S715. 4 文献标识码 A
Characteristic analysis on different thermal active surfaces in canopy gap of tropical secondary forest. ZHANG Yip
ing , WANG Jinx in, MA Youx in, L IU Yuhong ( Xishuangbanna T rop ical Botanical Garden , Chinese A cademy of Sci
ences , K unming 650223) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2001, 12( 2) : 179~ 184.
M icroclimatic measur ements were conducted in the canopy gap of tropical secondary forest in Xishuangbanna in fog
coo l and dryhot season. The daytime thermal effect of differ ent thermal active surface in the canopy gap w as dis
cussed, and the var iations o f trunk surface temperature near g ap edge and of surface temperature on the gap w ere ana
lyzed. The r esult shows that the w oodyw all surface is new thermal active surface on the vicinage of canopy gap, with
the exception of the forest canopy surface, soil surface in the forest gap, and so il surface of t he interior . Because of the
influence of season, situs and t ime, the thermal effect of different thermal activ e sur face of g ap w as significant different.
Being subject to fog , t he so il surface on the center of canopy gap is an impor tant thermal active surface in the morning ;
while in the midday and afternoon, because of the influence of incident radiation, the woody wall and soil surface of
edge on the east and the w oody wall surface of edge on the north ar e the key thermal active surface of the canopy gap.
In the midday, the thermal active was salient on the surface of gap, and in the afternoon, it was salient on t he woody
wall. The thermal variations of canopy gap of forest are controlled by the thermal characterist ics of different thermal
active surfaces and by their interaction, affect ing the grow th of plants.
Key words Canopy gap, Edge of for est , Woody wall, Thermal active surface, Surface temperatur e.
* 国家自然科学基金( 39770141)、云南省自然科学基金( 98C098M)、
中国科学院!院长基金∀和人事部! 非教育系统留学回国人员科技活动择优
资助经费∀资助项目.
* * 通讯联系人.
1999- 02- 26收稿, 1999- 10- 15接受.
1 引 言
森林群落演替更新作为生态学研究的核心问题,
一直是研究热点,其中林窗和林缘的环境变化程度直
接影响到顶级森林的结构、种类组成和种群动态. 对于
世界范围内的各种森林类型的更新和演替均有重要作
用[ 12] ,而在热带雨林中的作用更加显著和重要[ 6] ,因
此,国外学者十分重视林窗和林缘的环境变化对森林生
态环境异质性的影响[ 3~ 5, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 17~ 19] . 国内近年
林窗领域的研究已有不少报道, 除综述性[ 2, 23, 26, 28, 29]之
外,也进行林窗特征及其对林窗植物的影响研
究[ 9, 20~ 22, 24, 25, 30, 31] ,但是林窗环境的研究尚不多[ 1, 32] ,
对林窗区域不同热力作用面的研究未见报道.
林窗更新中,除林窗地面的幼苗、幼树之外,林缘
植物的侧向生长( Lateral extension grow th)作用也是
不可忽略的一部分. 另一方面,林窗边缘附近的热力作
用可能是森林与林窗空地之间热量和水汽等的水平输
送和垂直扩散的重要驱动力. 而且温度、湿度状况直接
影响植物的生命活动,间接影响其它多种生态条件,其
中,植物表面温度更是对植物生长、发育和各种生理过
程有着直接影响.林窗区域、林窗边缘、林墙面乃是除
林冠面、林窗地面、林内地面之外的第 4个界面,其热
力状况势必对林窗植物, 特别是林窗边缘不同高度植
物的生长、发育有着影响.所以对林窗热力作用面的热
力状况(树表温、地表温)开展研究,有助于从立体空间
探讨林窗环境特征和边缘植物更新机制; 并可为深入
研究林窗不同热力作用面相互作用以及林窗生物多样
性等提供参考. 本文根据 1998年 12月~ 1999 年 4月
期间, 在西双版纳地区对不同月份的次生林林窗 4次
小气候观测资料,试对林窗边缘的热力作用面特征进
行初步分析.
应 用 生 态 学 报 2001 年 4 月 第 12 卷 第 2 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr. 2001, 12( 2)#179~ 184
2 研究地概况与研究方法
21 研究地概况
西双版纳位于云南省南部,终年受西南季风控制, 属热带
季风气候, 一年中有干热季 ( 3~ 4 月)、湿热季( 5~ 10 月)和雾
凉季( 11~ 2 月)之分[ 27] .在雾凉季的晴天, 雾浓且维持时间长,
一般夜间 22 时后, 逐渐起雾, 在中午 12 时才逐渐消散;干热季
与雾凉季相比,雾生成时刻较迟, 维持时间也较短, 一般雾在夜
间 23 时之后形成, 而在上午 10 时左右就逐渐消散.
本次观测的样地设在中国科学院西双版纳热带植物园的
次生演替研究长期试验地内( 21∃54% N, 101∃46% E,海拔 580m) .
是原生植被(热带季节性雨林)被刀耕火种后,撂荒恢复起来的
次生林. 林冠季相变化以干热季稀朗, 湿热季后期和雾凉季密
集,群落结构复杂, 成层现象明显,可划分为乔木层、灌木层、草
本层及层间植物 4 个层次[ 16] ; 群落高度 10~ 16m, 枝下高 8~
12m, 平均胸径 7. 5~ 8. 5cm. 乔木层主要有自然更新的白背桐
( Mallotus paniculatus ( Lam. ) Muell. - Arg )、灯台树( A lstonia
scholar is ( L inn. ) R. Br. )、云南石梓( Gmelina arbor ea Roxb. )、
绒毛紫薇 ( Lagestroemia tomentosa Presl)、榕树 ( Ficus micr o
car pa L inn. f. )、鸡血藤 ( Millettia lap tobotrya Dunn)、潺槁木姜
子( Litsea glutinosa C. B. Rob. )、海红豆 ( Adenanthera pavoni
na L inn. )等,还有人为引入的芒果( Mangif era indica L inn. )、
大叶藤黄( Gar cinia xanthochymus Hook . F. ex T . Ander s)、川
楝( Melia toosenden Sieb. ex Zucc. )、毛麻楝( Chukrasia tabular
ia A. Juss)、滇南风吹楠(Hor sf ieldia tetr apala C. Y Wu)等, 灌
木层为鸡血藤、狭叶楠木 ( Phoebe lanceolata ( Wall. ex Nees)
Nees)、窄序岩豆藤 ( Millettia lep tobotrya Dunn) , 笔管榕( Ficus
sup er ba Miq. )、苦竹 ( Pleioblastus amarus ( Keng ) Keng f. )等.
层间植物主要有爪哇下果藤 ( Gouania javanica) 等; 草本植物
主要有马唐 ( Digitar ia sanguinalis )、竹叶草 ( Op lismenus com
positus) [ 15]等. 土壤为砖红壤.
22 研究方法
本文所选择的林窗(图 1)形成于 1993 年,在 1998 年 12 月
对林窗内的植物进行了清伐.图 1 中的内圈线为实际林窗边缘
(林缘树冠垂线处) , 外圈线为扩展林窗边缘(林缘树干处) . 该
林窗为南北向长(约 12 m) , 东西向短(约 8m)的长型林窗, 北侧
和东北侧的林冠冠幅较大(约 5m) , 其它各侧冠幅较小(约 1~
3m) . 实际林窗面积约 51m2; 扩展林窗面积约 199m2.
在林窗中沿 SN、EW、SENW、SWNE 设置 4 条观测样
线,每条样线设置 7 个观测点, 考虑到边缘效应的作用, 观测点
为不等距分布,分别位于林窗中央、林缘树冠垂线处、林缘树干
处和林内. 观测要素为地上 1. 5m 高处最高、最低气温和气温
(最高、最低温度表, 天津气象海洋仪器厂) , 光照(数字式照度
计, 上海市嘉定学联仪表厂)以及地面温度; 在林窗的东 ( E)、南
( S)、西( W)、北( N)侧边缘(以林窗中央为基准, 下同)和林内观
测了树干的不同高度( 0、0. 5、1、2、4、8、12 和 16m 树冠下方)的表
面温度(红外辐射温度计, COMPAC3, 日本国 Minolta株式会社) .
观测在 1998 年 12 月 4~ 21 日, 1999 年 1 月 22~ 27 日, 3
月 6~ 15日和 4月 11~ 20 日的昼间( 8~ 20 时)进行. 观测期间
天气晴好.
本文利用林窗东、南、西、北边缘的不同高度树表温; 林内
( 4 方位平均)的地面、树冠下以及林窗不同方位的地表面温度
观测资料,试探讨林窗区域的各热力作用面的热力特征.
图 1 次生林林窗轮廓
Fig. 1 Outline of secondary forest gap.
N北 North, NE东北 Northeast , E东 East, SE东南 Southeast, S南
S outh, SW西南 Southeast , W西 West , NW西北 Nothw est
&.林窗边缘 The edge of gap,∋.扩展林窗边缘T he edge of extended gap.
3 结果与分析
31 各热力作用面的表面温度时间变化
311 林窗中央和林内地表面温度的时间变化 在林
窗研究中,作为热力作用面之一的林窗中央地面其热力
特征对林窗植被的更新起着重要作用.图 2a给出了林
窗中央平均地表温的时间变化.可见雾凉季和干热季林
窗中央受太阳直接辐射影响不同,林窗中央地表温在受
太阳直接辐射较少的雾凉季,地表温的时间变化较小,
早晚较低,中午、下午稍高, 最大值为19. 9 ( ( 16时) .而
干热季林窗中央地表温虽然同样是早晚低、中午高,但
时间变化幅较大; 并且由于太阳高度增高, 林窗中央的
太阳直接辐射增加, 地表温高于雾凉季, 最高温度
( 37. 4 ( )高于雾凉季,出现时刻( 14时)也早于雾凉季.
林内地面同样是热力作用面之一. 林内地表温的
时间变化如图 2b所示.可见,林内地表温干热季高于
雾凉季,但温度和时间变化幅均较小.最大值雾凉季为
18. 6 ( ( 16时) ;干热季为 27. 5 ( ( 15时) .
312 林内树冠下表面温度的时间变化 另外一个
热力作用面 ) ) ) 森林林冠面,其热力作用对森林的演
替有着重要影响,对此已有大量研究.本研究由于条件
限制未能观测林冠面温度, 利用林内树冠下表面温
度间接对其时间变化趋势进行讨论. 林内树冠下表面
温度时间分布如图3所示.可见林冠下表面温度的时
180 应 用 生 态 学 报 12卷
图 2 林窗区域地表温的时间变化
Fig. 2 Variation of surface temperature on the gap.
a)林窗中央Centre of gap, b)林内 Interior of forest . & . 雾凉季 Fogcool
season, ∋ .干热季 Hotdry season.下同 The same below .
间变化与林窗中央地表温变化相似, 基本上在雾凉季
变化幅度较缓,特别是在 13~ 17 时之间, 温度十分相
近, 最大值雾凉季为20. 5 ( ( 14时) ;干热季变化幅度
图 3 林内树冠下表温时间变化
Fig. 3 Variation of t ree surface temperature under canopy in the interior of
forest.
较大,最大值出现在 15时( 32. 1 ( ) .
313 林缘林墙壁面表面温度的时间变化 林窗边
缘林墙壁面是林窗区域除林窗地面、林内地面和林冠
面之外的第 4个界面,以下对其热力特征进行分析.林
窗 4方位边缘树表温的时空分布如图 4, 图 5所示.在
雾凉季(图 4) ,从整体看,林窗各方位边缘树表温同样
受雾的影响,不同时刻的分布有着明显差异.
上午 12时前,林窗 4方位边缘的表面温度随高度
变化在高度 4m 以下基本上是呈现降低趋势, 4m 高度
以上变化较小; 12时后雾散日出,受太阳辐射的影响,林
窗不同方位边缘表面温度的垂直分布出现较大差异.
图 4 雾凉季林窗边缘树表温时间变化
Fig. 4 Variation of t run k surface temperature near the edge of gap in the fogcool season.
下午, 由于太阳高度较低, 林窗东侧和北侧边缘
(图 4E、N) ,边缘树干受到太阳的直接照射, 树干表面
温度升高较快, 表面温度较高, 在树干中部, 为形成表
面温度的高值区,特别是在 15~ 16时表面温度出现最
大值( T ls> 22 ( , N 侧; T ls> 25 ( , E 侧) , 其温度值高
于林窗中央地表温、林内地表温(图 2)和林内林冠下
方树表温(图 3) . 导致林窗东侧和北侧边缘的树表温
垂直分布形成了上、下部的不同变化趋势: 高度 8m 以
下,表面温度随高度增高而升高, 高度 8m 以上, 则随
高度增加而递减.
另外, 在 13时, 林窗东侧边缘的树根基处( 0m )出
现表面温度高值区( T ls> 25. 5 ( ) .
林窗南侧和西侧边缘(图 4, S, W ) ,虽然在下午树
干表面温度均有升高,但是除林冠外,树干基本上没有
太阳直接照射, 16时前后树冠下方 16m 处出现温度最
高区域( T ls> 22 ( ) , 其温度也高于林窗中央和林内地
表温以及林内林冠下树表温, 林冠成为主要热源, 导致
树表温随高度增加而递增,形成逆温分布.
进一步分析干热季的各方位树表温的时空分布
(图 5)可见, 其分布规律与雾凉季相近,但干热季的各
方位树表温的时间变率和垂直变率均大于雾凉季.在
上午各方位的树表温随高度变化较小.下午林窗北侧
和东侧边缘林墙中部出现树表温的高值区, 最高表温
可达29 ( ( N侧)、31 ( ( E侧)以上, 其温度低于林窗
1812 期 张一平等:热带次生林林窗不同热力作用面特征分析
图 5 干热季林窗边缘树表温时间变化
Fig. 5 Variation of t run k surface temperature near the edge of gap in dryhot season.
中央地表温,但高于林内地表温和林内树冠下树表温.
表面温度垂直分布出现低 ) 高 ) 低的分布型. 南侧和
西侧边缘的树表温垂直分布仍是上高下低分布型, 林
冠下方为树表温高值区( T ls> 31 ( ) .
由以上分析可知, 在雾凉季和干热季林窗东侧和
北侧边缘林墙中部存在表面温度高值区, 形成林窗区
域新的热力作用面, 特别是在雾凉季的 13时以后, 林
墙壁面的表温高于林窗中央地面、林内地面和林内树
冠下部,北侧和东侧林墙以中部作用显著,而南侧和西
侧则以林冠下作用显著. 如此的热力分布显示了在林
窗区域,林窗边缘林墙壁面热力作用是不可忽视的,为
林窗提供了热量来源,乃是一个新的热力作用面.
32 各热力作用面的热力特征
321 上午林窗地面与林窗边缘墙面的热力特征
图 6给出了上午林窗地表温的水平空间分布.可见雾
凉季(图 6a) , 上午由于雾浓且消散迟, 林窗中基本没
有太阳直接照射,林窗地表温的空间梯度较小,温度较
低;空间分布与林窗形状相似,最大值区域在林窗东北
侧.而干热季(图 6b)由于雾较薄, 消散较早, 太阳高度
较高,太阳辐射受林窗边缘树木影响较小,林窗偏西侧
受太阳直接照射影响,地表温较高,形成地表温高值区
域,最大地表温可达 23. 5 ( 以上( NW 侧) ; 林窗中地
表温的空间梯度也大于雾凉季.
图 7显示了上午林窗边缘平均树表温的空间分布.
雾凉季(图 7a) , 各方位树表温的差异较小, 以南侧
(180Deg)较高;垂直方向树表温的变化不大,表面温度以
树根基处为最高.而干热季树表温(图 7b)的空间分布与
雾凉季有所差异,在不同方位和垂直方向均不同,基本上
树根基处温度较高,且各方位差异较小;树冠下方温度较
低,以东侧为最低, 使得树表温垂直梯度东侧最大,南侧
最小.
比较图 6、图 7可见,雾凉季上午林窗地面温度东
北侧稍高,与林窗边缘树木根基处的树表温相近; 干热
季上午林窗地面温度比林窗边缘林墙树表温高,高值
中心在林窗偏西侧. 可知在上午,林窗地表面乃是主要
热力作用面.
图 6 林窗上午平均地表温空间分布
Fig. 6 Spatial variat ion of average surface tem peratuer on the gap in AM.
a)雾凉季 Fogcool season, b)干热季 Dryhot season.下同 The same below.
图 7 林窗边缘上午平均树表温空间分布
Fig. 7 Spat ial variat ion of average trunk surface temperature near the edge
of gap in AM.
182 应 用 生 态 学 报 12卷
322 中午林窗地面与林窗边缘墙面的热力特征
图 8给出了中午林窗地表温的水平空间分布.可见,无
论是雾凉季(图 8a) ,还是干热季(图 8b) , 中午林窗地
表温均具有较高的温度值;温度的水平空间梯度也较
大;最高温区域出现在林窗的东侧~ 东北侧边缘, 雾凉
季 Ts> 22 ( ,而干热季 Ts> 37 ( .
对于林窗边缘树表温,同样温度值增高,其空间分
布(图9)显示出,在林窗东侧( Deg= 90)中部存在树表温
高值区域, 雾凉季出现在 8m 高度附近( T ls> 21. 5 ( ) ,
干热季由于太阳高度增高,太阳辐射入射角较大, 使得
最高温区域出现在 5m高度附近( Tls> 28 ( ) .
比较图 8、图 9可知,中午林窗区域的东侧~ 东北
侧地面存在较强的热力作用,而在林窗东侧边缘林墙
中部也存在较强的热力作用. 另外,雾凉季林窗地面与
林窗东侧边缘林墙中部的热力作用强度相近; 而干热
季林窗地面的热力作用大于林窗东侧边缘林墙.如此
图 8 林窗中午平均地表温空间分布
Fig. 8 Spatial variation of average surface tem perature on th e gap in m id
day.
图 9 林窗边缘中午平均树表温空间分布
Fig. 9 Spat ial variat ion of average trunk surface temperature near the edge
of gap in midday.
的热力作用对林窗空间的热力分布将有不可忽视的影
响.
323 下午林窗地面与林窗边缘墙面的热力特征
下午林窗地表温的水平空间分布如图 10所示.可见,
地表温的水平空间分布与中午相似,无论是雾凉季(图
10a) ,还是干热季(图 10b) ,最高温区域出现在林窗的
东侧~ 东北侧边缘, 雾凉季 Ts> 18. 6 ( , 而干热季 T s
> 27. 5 ( ,但是林窗地表温值低于中午;地表温的水平
空间梯度也小于中午.
对于林窗边缘树表温的空间分布(图 9)可见, 同
样在林窗东侧( Deg= 90)中部存在树表温高值区域,
雾凉季出现在 8m 高度附近( T ls> 22. 5 ( ) , 干热季则
低于雾凉季,出现在 2m高度附近( T ls> 27. 5 ( ) .
比较图10、图 11可见,下午林窗区域的东侧东北
侧地面仍存在较强的热力作用, 而在林窗东侧边缘林
墙中部也存在较强的热力作用,值得注意的是,雾凉季
图 10 林窗下午平均地表温空间分布
Fig. 10 Spatial variat ion of average surface tem perature on the gap in PM.
图 11 林窗边缘下竿平均树表温空间分布
Fig. 11 Spat ial variatiom of average trunk surface temperature near the edge
of gap in PM.
1832 期 张一平等:热带次生林林窗不同热力作用面特征分析
林窗边缘的树表温均在 19. 5 ( 以上, 高于林窗地表
温,显示了雾凉季下午林窗边缘的热力作用大于林窗
地面. 另外, 干热季林窗边缘树表温与林窗地表温相
近,说明干热季下午林窗边缘林墙与林窗地表面具有
相近的热力作用.
4 结 论
41 通过对西双版纳次生林林窗树表温空间分布以
及与林窗地表温的比较分析,发现在林窗区域除已知
的林冠面、林内地面和林窗地面 3个热力作用面之外,
还存在第 4个热力作用面 ) ) ) 林缘墙面.
42 在受雾影响的上午, 林窗地面的热力作用面较
强.在受太阳直接辐射影响的中午,雾凉季林窗东侧林
墙壁面与地面的热力作用相近,热力作用较显著; 干热
季林窗地面(特别是东侧东北侧地面)的热力作用最
强,是影响林窗热力状况的主要因子.而在下午,雾凉
季林窗各方位边缘的热力作用均大于林窗地面,以东
侧边缘林墙中部最为显著;干热季林窗边缘林墙与林
窗地面的热力作用相似. 可以认为,林窗边缘林墙对林
窗区域有着不可忽略的热力作用.
43 由于植物表面温度对植物的能量传输、光合作用、
蒸腾作用等起着重要作用.林窗边缘不同方位、不同高
度的树表温分布差异,势必影响林窗边缘植物的能量传
输、光合作用、蒸腾作用等,导致林窗边缘树木的生长
(特别是侧向生长)产生差异,最终影响到林窗的更新.
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作者简介 张一平,男, 1957 年 8 月生,博士, 研究员.主要从事
森林气象、农业气象、山地气候方面的研究, 已发表论文 40 余
篇.
184 应 用 生 态 学 报 12卷