Chương 7 MỐI QUAN HỆ QUA LẠI CỦA CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN VỚI RỪNG
7.2. Chế độ nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, chế độ gió trong rừng
Với tính cách một hệ sinh thái khổng lồ có tán dày, rậm và cấu trúc tầng thứ phức tạp, rừng đã tạo ra hoàn cảnh rất độc đáo dưới tán - hoàn cảnh tiểu khí hậu rừng. Dưới đây sẽ lần lượt tìm hiểu các yếu tố của tiểu khí hậu rừng.
7.2.1. Thành phần không khí trong rừng
Tán rừng tạo thành một lớp có tác dụng ngăn cản sự trao đổi của không khí trong rừng với không khí bên trên, làm chậm qúa trình khuếch tán các chất khí mà rừng đã sản sinh vào khí quyển tự do. Vì vậy, thành phần không khí trong rừng có những đặc điểm khác với không khí ngoài nơi trống.
Trước hết, hàm lượng CO2 trong rừng thường cao hơn ngoài nơi trống. Nó được sản sinh trong quá trình hô hấp của thực vật, động vật, vi sinh vật, trong quá trình phân giải các tàn tính hữu cơ. Hàm lượng CO2 tăng dần từ tán cây xuống mặt đất rừng. Trong những ngày gió yếu hoặc không có gió, hàm lượng CO2 dưới mặt đất có thể đạt tới 0.6%, cá biệt tới 0.1%. Ở tán rừng hàm lượng CO2 xấp xỉ với hàm lượng của nó trong khí quyển tự do (0.03%). Ở đây hàm lượng CO2 có thể cao hơn 1 chút vào ban đêm, còn ban ngaỳ khi trời lặng gío, quang hợp có thể làm CO2 ở vùng giữa tán giảm xuống 0.02%.
94
Hàm lượng CO2 cao trong rừng có ý nghĩa quan trọng với đời sống cây con và cây tái sinh. Nó bù lại một phần cho hoàn cảnh thiếu ánh sáng dưới tán rừng.
Hàm lượng oxy có chiều hướng biến đổi ngược với CO2. oxy là nguyên liệu của quá trình hô hấp. Trong đất và ở không khí sát mặt đất, hàm lượng oxy đạt giá trị thấp nhất. Trong một số trường hợp, sự thiếu hụt O2 có thể làm giảm cường độ hoạt động của rễ cây và vi sinh vật đất, làm chậm quá trình phân giải yếm khí tạo nên như H2S, CH4, v.v.... Sự thiếu hụt oxy đặc biệt nghiêm trọng ở đất lầy, than bùn, trong đất rừng nơi có độ dốc thấp và vào mùa mưa v.v...
Sự khác biệt chút ít về hàm lượng oxy ở phần không khí dưới hoặc trong tán rừng thường không có ảnh hưởng đáng kể đến đời sống thực vật rừng. Vì dù có bị giảm đi, hàm lượng O2 vẫn luôn ở mức dư thừa so với yêu cầu của thực vật.
Trong rừng không khí luôn có hàm lượng lớn các chất phitonxid. Đó là những chất hữu cơ dễ bay hơi do thực vật tiết ra. phần lớn các chất này có tác dụng diệt khuẩn, làm trong lành khí quyển.
Lượng bụi trong rừng đặc biệt thấp so với ngoài nơi trống. Cảm giác yên tĩnh và trong sạch của không khí trong rừng được tạo ra bởi tác dụng “ lọc” rất cao của rừng.
trong rừng, do thoát hơi nước của thực vật, bốc hơi từ mặt đất ẩm v.v... Hàm lượng hơi nước thường cao hơn ngoài nơi trống. Theo các quan trắc của gaiger (Đức), chênh lệch độ ẩm giữa không khí trong và ngoài rừng có thể đạt 5 đến 6%
vào những giờ ban ngày, còn ban đêm chênh lệch là không đáng kể.
Nhìn chung sự chênh lệch về thành phần không khí trong rừng với nơi trống thay đổi phụ thuộc vào cấu trúc rừng, tuổi rừng, mùa sinh trưởng và tình trạng thời tiết. Ở rừng thường xanh, hỗn loài, nhiều tầng trao đổi của không khí trong rừng đồng tuổi một tầng hoặc rụng lá v.v... Ở các rừng sào, rừng trung niên quá trình trao đổi chất diễn ra mạnh, do đó, chênh lệch về thành phần không khí giữa, trong rừng và ngoài nơi trống tăng lên so với những ngày gió lớn, trời râm v.v...
7.2.2. Chế độ bức xạ trong rừng
Tán rừng có khả năng hấp thụ 75 đến 85% bức xạ mặt trời chiếu đến. Hệ số an -be - đô đo được dao động trong phạm vi từ 15 đến 25% tùy thuộc vào thành phần loài cây, giai đoạn phát triển, mùa sinh trưởng v.v...
Lượng bức xạ lọt qua tán rừng được quyết định chủ yếu bởi độ tàn che. Khi độ tàn che cao tán rừng trở thành mặt hoạt động chính. Nó giữ lại phần lớn lượng bức xạ trước khi đến mặt đất, do đó, hình thành chế độ nhiệt ẩm khác xa với nơi trống. Khi độ tàn che thấp (dưới 0.3) mặt đất trở thành mặt hoạt động chính, điều kiện khí tượng mang nhiều đặc điểm của nơi trống, hoàn cảnh rừng mất dần.
95
Cường độ bức xạ trực tiếp đo được ở mặt đất thường chỉ chiếm từ 5 đến 10
% so với ngoài nơi trống. Trong rừng mưa nhiệt đới cường độ bức xạ trực tiếp không vượt quá 5% ngay cả lúc giữa trưa - khi mặt trời ở đỉnh đầu. Ở mặt đất dưới tán rừng các vệt nắng thường xuất hiện vào khoảng 9 đến 10 giờ sáng, tăng lên vào lúc giữa trưa, sau đó giảm đi và mất hẳn vào 2 đến 3 giờ chiều. Cường độ và thời gian xuất hiện bức xạ mặt trời trực tiếp ở mặt đất rừng phụ thuộc vào độ tàn che, kết cấu tầng thứ của rừng.
Độ tàn che càng lớn, kết cấu tầng thứ càng phức tạp thì bức xạ lọt đến mặt đất càng ít, thời gian tồn tại các vệt nắng càng ngắn.
Một đặc điểm quan trọng của chế độ bức xạ trong rừng là sự giảm yếu nhanh chóng của nó theo chiều cao. Với rừng đồng tuổi một tầng bức xạ lúc đầu giảm nhanh qua lớp tán cây, sau đó tương đối ổn định hơn ở phần không gian dưới tán.
Với rừng nhiều tầng thì đường biểu diễn cường độ bức xạ theo chiều cao là đường bậc thang.
Bức xạ khuếch tán trong rừng có ý nghĩa quan trọng. Ở những lớp dưới thấp bức xạ khuếch tán thường chiếm thành phần chủ yếu trong tổng bức xạ. Trong nhiều trường hợp nó là năng lượng cơ bản cho quang hợp của thực vât ở tầng lâm hạ. Thành phần quang phổ của bức xạ khuếch tán trong rừng cũng khác biệt nhiều với nơi trống. Tỷ lệ các tia tử ngoại giảm mạnh, còn tỷ lệ các tia lục được tăng lên đáng kể. Sự khác biệt của bức xạ khuếch tán trong và ngoài rừng là do nguồn gốc khác nhau. Bức xạ khuếch tán trong rừng bao gồm các tia sáng xuyên qua lá cây, các tia đã được phản xạ và khuếch tán nhiều lần khi gặp phải cành, lá, thân cây và không khí trong rừng.
Trong lâm học hiện nay, để thay đổi hoàn cảnh rừng, biện pháp chủ yếu được áp dụng là thay đổi độ tàn che, qua đó điều chỉnh lượng bức xạ lọt xuống tầng lâm hạ và mặt đất rừng. Hiệu quả của biện pháp này phụ thuộc rất nhiều vào hiểu biết về mối liên hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc rừng và điều kiện khí tượng trong rừng, về đặc điểm sinh thái của thực vật rừng. Chừng nào còn chưa hiểu biết đầy đủ về môi trường và đặc điểm sinh thái cây, thì chừng đó các biện pháp kỹ thuật còn mang tính chất cầu may.
7.2.3. Nhiệt độ trong rừng + Nhiệt độ đất rừng
Do được tán cây che phủ nên chế độ nhiệt của đất rừng khác với nơi trống ở nhiều đặc điểm:
+ Biên độ nhiệt nhỏ. Ban ngày mặt đất được tán rừng che phủ, nhiệt độ tăng chậm. Ban đêm tán rừng ngăn cản bức xạ của đất, làm giảm bức xạ hiệu dụng của
96
mặt đất, do đó, nhiệt độ giảm chậm hơn ngoài nơi đất trống. Tương tự như vậy, vào mùa hè giá trị cực đại của nhiệt độ đất trong rừng luôn nhỏ hơn nơi đất trống, còn cực tiểu luôn lớn hơn.
Chênh lệch về biên độ nhiệt độ đất trong rừng và ngoài nơi đất trống phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của rừng. Độ tàn che lớn, tán dày, rậm, tấng thứ nhiều sẽ làm chênh lệch tăng lên. Mức chênh lệch thay đổi theo loài cây, tuổi cây, mật độ, mùa sinh trưởng và đặc điểm của đất.
Trong rừng thưa hoặc ở những khoảng trống trong rừng có thể thấy quy luật ngược lại do trao đổi nhiệt giữa mặt đất và không khí phía trên bị cây rừng ngăn cản, nên ban ngày nhiệt độ đất trong rừng hoặc ở khoảng trống trong rừng tràn xuống thấp hơn so với ngoài nơi đất trống. Đây là nguyên nhân giải thích hiện tượng sương muối thường xuất hiện ở rừng thưa và những khoảng trống trong rừng.
+ Cực đại của nhiệt độ đất rừng thường xảy ra muộn hơn ở nơi trống chừng 1 đến 2 giờ, tức là vào khoảng 14 giờ. Vì tán rừng là mặt hoạt động chính, khi nhiệt độ tán rừng đã bắt đầu giảm xuống, nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ mặt đất rừng, do đó, nhiệt độ mặt đất vẫn tiếp tục được tăng lên. Chỉ khi nhiệt độ tán và các lớp không khí trong rừng nhỏ hơn nhiệt độ mặt đất thì nhiệt độ mặt đất mới bắt đầu giảm đi.
+ Nhiệt độ đất rừng rất ổn định ở các độ sâu. Do được che phủ bởi tán rừng, lớp thảm tươi, cây bụi và thảm mục rừng, nhiệt độ đất rừng rất ổn định. Trong rừng mưa nhiệt đới có độ tàn che cao độ sâu có nhiệt độ hàng ngày không đổi chừng 15 đến 20cm, còn độ sâu có nhiệt độ hàng năm không đổi vào khoảng 3 đến 5m.
+ Nhiệt độ không khí trong rừng
Khi rừng có độ tàn che cao, các tán cây liên kết với nhau tạo thành mặt hoạt động chính. Mọi trao đổi về nhiệt giữa rừng và khí quyển được diễn ra chủ yếu ở mặt trên của tán rừng. quy luật nóng lên và lạnh đi của nó cũng tương tự như mặt đất hoặc các mặt hoạt động khác.
Ban ngày năng lượng bức xạ đựơc tán rừng hấp thụ chuyển phần lớn thành năng lượng nhiệt. Tán rừng nóng lên, nó truyền nhiệt cho các lớp không khí bên trên và bên dưới. Vì vậy nhiệt độ có xu hướng giảm dần từ tán rừng lên phía trên cũng như xuống dưới mặt đất rừng.
Ban đêm tán rừng bị bức xạ, lạnh đi, nhiệt lại được truyền từ các lớp không khí bên trên và bên dưới cho tán rừng. Vì vậy, nhiệt độ có xu hướng giảm dần từ mặt đất lên tán rừng.
97
Tuy nhiên, vì tán rừng chi phí nhiều năng lượng cho thoát hơi, cho trao đổi nhiệt bằng loạn lưu và đối lưu của tán rừng và khí quyển, mà nhiệt độ tán rừng ban ngày thấp hơn nhiều so với mặt đất nơi trống.
Như vậy, do ảnh hưởng của tán rừng, ban ngày nhiệt độ không khí trong rừng thấp hơn ngoài nơi trống, còn ban đêm lại cao hơn. Những quan trắc cho thấy chênh lệch về nhiệt độ của không khí trong rừng và ngoài nơi trống ở độ cao 2m dao động khoảng 1- 20C. Trong khi đó chênh lệch của nhiệt độ đất có thể đến vài chục độ.
Do ảnh hưởng của tán cây mà phân bố theo chiều cao của nhiệt độ không khí trong rừng cũng khác so với nơi trống. Có hai dạng cơ bản của phân bố nhiệt độ không khí trong rừng.
+ Ban ngày nhiệt độ không khí giảm liên tục từ tán xuống mặt đất rừng.
+ Ban đêm nhiệt độ tăng từ mặt đất lên tán rừng.
Những quy luật khác biệt của nhiệt độ trong rừng và nơi trống như đã trình bầy trên đây có thể bị nhiễu loạn bởi các hiện tượng thời tiết đặc biệt. Chẳng hạn, trong thời tiết mưa, bão, trời nhiều mây, u ám, mưa phùn kéo dài v.v... những khác biệt giữa nhiệt độ trong rừng và ngoài nơi trống trở nên không đáng kể.
7.2.4. Độ ẩm trong rừng
Trong rừng do có tầng thảm khô và thảm mục cũng như tác dụng giữ nước của cây cho nên đất rừng hấp thụ được rất nhiều nước. Đồng thời do nhiệt độ ban ngày ở trong rừng thấp, gió yếu nên bốc hơi cũng rất yếu, vì vậy mà độ ẩm đất rừng cao hơn bên ngoài.
Trong sự phân bố độ ẩm đất rừng theo chiều thẳng đứng, người ta thấy rằng:
ở những lớp trên của đất rừng, độ ẩm lớn hơn đất không có rừng. Nhưng nếu càng xuống sâu trong khoảng phân bố rễ, thì đất rừng lại khô hơn bên ngoài, do lượng rễ của cây rừng nhiều, hút và lấy đi một lượng nước rất lớn.
Sự biên thiên hàng ngày của độ ẩm tương đối: Độ ẩm tương đối trong rừng ban ngày và ban đêm đều lớn hơn ngoài rừng, đó là do nhiệt độ trong rừng thấp, hơi nước nhiều.
Trong một ngày độ ẩm tương đối có một cực đại gần lúc mặt trời mọc và một cực tiểu vào những giờ có nhiệt độ cao nhất.
Về mùa hè ở trong rừng từ độ cao 2 m trở xuống, độ ẩm tuyệt đối biến thiên rất mạnh và càng xuống gần mặt đất hệ số của nó càng lớn. Từ 2 m trở lên đến dưới tán rừng thì độ ẩm tuyệt đối càng giảm, sau đó lại tăng lên từ phần dưới tán rừng cho đến phần trên của tán rừng. Độ ẩm trong khoảng từ độ cao 2 m đến phần dưới tán biến đổi rất ít.
98
Độ ẩm tương đối ở tầng sát đất rừng cao hơn ở trên tán rừng, thấp nhất là ở phần dưới tán rừng. Buổi sáng nhiệt độ thấp (trước lúc mặt trời mọc) các tầng đều đạt đến hệ số bão hoà cho nên trên mặt đất rừng xấp xỉ trên tán. Sau khi mặt trời mọc thì ở trên mặt đất độ ẩm tương đối càng cao hơn so với trên tán. Đến chiều chênh lệch này đạt tới cao nhất. Trên mặt đất rừng lớn hơn trên mặt tán rừng từ 15- 20%. Sau đó chênh lệch này lại giảm đi, đến sau nửa đêm thì lại xấp xỉ bằng nhau.
7.2.5. Gió trong rừng
Khi có một luồng gió đến rừng thì bị chia ra làm 2 phần: Một phần vượt lên trên tán rừng mà tràn qua còn một phần thổi vào trong rừng. Phần thổi vào rừng sẽ bị phân tán thành nhiều dòng nhỏ rồi bị cây rừng cản lại yếu dần đi.
Theo tài liệu quan trắc ở rừng thông của giáo sư Nestêrôp sự giảm yếu của luồng gió đi vào rừng như sau:
Bảng 7.1: Tốc độ gió ở các cự ly cách bìa rừng
Cự ly cách bìa rừng (m) 34 55 77 98 122 186 299 Tốc độ gió so với bên ngoài
(%)
55- 78
45 52 25-
27
19- 22
7.5 2-3 Như vậy càng vào trong rừng tốc độ gió càng yếu và ở chỗ cách bìa rừng từ 150-200m thì hầu như lặng gió.
Sự phân bố gió theo chiều thẳng đứng: Gaige đã đưa ra tỷ lệ sau đây:
Bảng 7.2: Tỷ lệ tốc độ gió ở các độ cao
Độ cao của cây (%) 120 100 95 90 80 55 20
Tốc độ gió (%) 100 80 60 40 20 10 8
Như vậy tại mặt tán cây tốc độ gió chỉ còn 80% và ở 20% của độ cao của rừng thì tốc độ gió chỉ còn 8%.
Gaige thấy rằng tốc độ gió trên tán rừng luôn luôn lớn hơn trong rừng. Trong rừng từ phía dưới tầng tán cây trở xuống đến 1-2 m gần mặt đất tốc độ gió hầu như không thay đổi và từ độ cao 1-2m trở xuống đến mặt đất, tốc độ gió giảm đi rất nhanh, tới mặt đất thì hoàn toàn bằng 0.
Đứng trên quan điểm động học thì tác dụng thông gió của một chắn hay dải rừng bị phân chia thành những xoáy nhỏ, những xoáy này do ma sát lẫn nhau mà giảm động năng đi rất nhanh.
Kết cấu của một dải rừng thưa, dày biểu hiện mức độ gió nhiều hay ít và chiều cao của rừng có tác dụng rất lớn đối với sự giảm tốc độ gió sau dải rừng.
Nhìn chung rừng phòng hộ có thể làm giảm tốc độ gió sau rừng xuống khoảng 30-40%. Phạm vi có tác dụng phòng gió trước rừng khoảng 5 lần chiều cao, còn sau
99
rừng là khoảng 30 lần chiều cao của rừng. Phạm vi tốc độ gió giảm xuống thấp nhất và ổn định nhất là sau rừng từ 5-10 lần chiều cao.
Đối với rừng chắn gió, thường tuỳ theo mức độ thông gió mà người ta chia ra 3 loại kết cấu: rừng kín, rừng hơi kín và rừng thông gió.
Khi gió đến gặp một dải rừng kín thì không thể lọt qua rừng mà phải vượt lên trên rồi tràn qua, tạo thành phía sau rừng một vùng gió giảm mạnh, nhưng phạm vi rất hẹp, sau phạm vi lặng gió hẹp này tốc độ gió sẽ phục hồi rất nhanh.